2022年2022年甲烷检测-用于合并 .pdf

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1、基于 MSP430的甲烷检测系统设计摘要：睡眠呼吸暂停综合症(Sleep Apnea Syndrome，SAS)是一种发病率高，具有潜在危险性的疾病。传统的呼吸暂停监护系统虽能有效减少呼吸暂停病患者的死亡率，但不能对众多该类患者进行实时监护，尤其是症状较轻的早期患者。其发病随机，持续时间短暂，给病情的及早诊断和治疗造成很大的困难。本文主要介绍了利用热敏电阻MF52作为温度传感器来检测人体呼吸时呼出的气流温度的变化，将从温度传感器输出的毫伏级的信号经过AD620放大后，得到2.3V左右的能够被微处理器处理的信号，从而获得呼吸信号参数，并通过微处理器MSP430F149进行分析处理后，判断是否暂停

2、，如果有暂停发生，则通过蜂鸣器发出报警信号以提示旁人进行一定的处理。同时记录下发生呼吸暂停的时间，并且在LCD上显示，实现了实时监控的目的。关键词：睡眠呼吸暂停综合症；监护仪；热敏电阻；MSP430F149 The Design of Sleep Apnea Alarm Monitor Abstract: Sleep apnea syndrome is a high incidence and potentially dangerous disease. The traditional apnea monitoring system can effectively reduce the mor

3、tality rate of sleep apnea patients, but can not monitor numerous patients by the real-time, especially the patients with early lighter symptoms. It is difficult to early diagnosticate and treat, because of random and short duration. This paper introduces a method of using thermister MF52 as tempera

4、ture sensors to detect the temperature changes of exhaled airflow by human breath, the mV level signal which output from the temperature sensor, through the amplifier AD620, we can obtain a signal about 2.3 V, which could be processed by microprocessor, that is the signal processing parameters. Afte

5、r breathing signal processed by MSP430F149 microprocessor analysis, it can judge if it is suspended, if it is, a warning signal by a buzzer can be given to others to make some processing, while recording the occurred time, and displaying in LCD, which can realize the purpose of real-time monitoring.

6、 Key words: Sleep Apnea Syndrome, Monitor, Thermister , MSP430F149 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 32 页 - - - - - - - - - 目录第 1 章绪论3 1.1 概论3 1.2 选题背景及意义 3 1.3 甲烷气体检测技术及其发展现状4 1.3.1甲烷气体的检测方法4 第 2 章系统的总体设计6 2.1 系统总体方案6 2.2 系统组成6 2.2.1 系统硬件部分7 2.2.2

7、 系统软件部分8 2.3 本章小结9 第 3 章系统硬件设计10 3.1 硬件电路总体设计10 3.2 电源单元10 3.3 信号采集与预处理单元11 3.4 信号处理单元16 3.5 报警单元19 3.6 液晶显示单元20 3.7 JTAG 接口单元21 第 4 章 系统软件设计 23 4.1 系统软件开发环境23 4.2 系统软件模块24 4.2.1 采样呼吸信号模块25 4.2.2 实时时钟处理模块27 4.2.3 数据处理模块32 4.2.4 液晶显示模块33 4.2.5 报警处理模块37 4.3 本章小结37 第 5 章 系统测试 39 5.1 系统硬件测试39 5.2 系统软件测试

8、39 结论41 致谢42 参考文献43 附录 1 睡眠呼吸暂停报警监护仪电路原理图44 附录 2 睡眠呼吸暂停报警监护仪实物照片45 附录 3 主要程序清单46 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 32 页 - - - - - - - - - 第 1 章绪论1.1 概论我们国家是一个煤炭、天然气生产和消费的大国。随着工业化的迅速发展，人们的工作以及生活的周边环境的污染不断的增加。我们的周围存在着各种各样有毒有害和易燃易爆的气体。譬如家用液化石油气、城市煤气、天

9、然气还有交通工具排放的甲烷以及其他气体在不断地污染环境，破坏了人们的生存环境。一方面人们对像甲烷这种有害气体的承受能力是有限度的，另一方面像甲烷这种易燃易爆的气体如果超过了一定的浓度就可能引发火灾甚至爆炸，造成人们的生命和财产的损失。由于人的感官不能对甲烷等气体进行辨别，尤其是对甲烷浓度定量的判断的能力，所以需要研制测量甲烷气体浓度的检测系统。1.2 选题背景及意义我国是能源生产和消费大国，煤炭和煤气层以及天然气的资源非常的丰富。能源产业已经成为经济的重要支撑的产业。随着人们环保意识的提高，世界需求干净快捷能源的呼声高涨。天然气被视为最干净的能源之一，再加上各个主要消耗石油的国家研发替代能源，

10、但还没真正发现可代替的能源之前，天然气的需求量会很大的，还有可能继续增加。天然气的应用领域非常广，可以作为一般的民用燃料，即居民生活用燃料，可作为压缩天然气汽车，用天然气代替汽车用油，有价格低廉，污染小等特点。与此同时还可以用来发电和天然气化工工业等方面的应用。虽然天然气具有这么多优点，但是它同时也具有危险性。天然气一般情况下都是通过管道传输的，但是由于腐蚀，损伤等也可造成天然气泄漏。甲烷作为多种液体燃料如瓦斯、天然气、沼气等的主要成分，是在自然界分布很广的一种易燃易爆气体。甲烷是一种无色、无味、无臭的气体，与空气混合在一起后，既看不到，摸不着，闻不出来。甲烷易燃，与空气混合能形成爆炸性混合物

11、，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。与五氧化溴、氯气、次氯酸、三氟化氮、液氧、二氟化氧及其它强氧化剂接触反应剧烈甲烷在空气中的爆炸下限是53（ V/V） ，上限 150。甲烷在空气中浓度增大时，能使空气中的氧气含量相对降低，而使人窒息，空气中的甲烷浓度的含量达到40% 以上时，就能使人立刻死亡。因此，对环境中的甲烷气体成分进行准确测量，可以避免和预防灾害性事故的发生，从而保证公共安全。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 32 页 - - - - - - - - -

12、 其中，瓦斯是在形成煤的过程中形成并且大量贮存在煤层中的气体，是煤矿下危害性最大的气体。在我国煤矿安全事故中，瓦斯爆炸造成的伤亡所占比例也特别大。瓦斯爆炸有一定的浓度范围，我们把在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范围称为瓦斯爆炸界限。瓦斯爆炸界限为5%16% 。当瓦斯浓度低于5% 时，遇火不爆炸， 但能在火焰外围形成燃烧层，当瓦斯浓度为9.5%时，其爆炸威力最大( 氧和瓦斯完全反应); 瓦斯浓度在16% 以上时，失去其爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。瓦斯爆炸界限并不是固定不变的，它还受温度、压力以及煤尘、其它可燃。可见监测甲烷气体含量、防止其爆炸意义重大，为了预防与控制事故的发生，最大限度地减

13、少人员伤亡事故，实时快速地检测出气体中甲烷的浓度是非常重要的。可见，气体甲烷浓度的检测系统的研制与开发有着重大的现实意义和广阔的市场前景。同时，甲烷也是温室效应的主要气体之一，温室效应有26% 是由于甲烷引起的。CH4对温室效应的作用是CO2的 22 倍。空气中的甲烷浓度每年以1% 的速度增长。综上，及时、准确地检测甲烷气体的产生源、泄漏源及浓度， 对于人身安全及环境保护有着十分重要的作用。世界各国都成立专门的组织，研究开发甲烷等有害气体的检测方法和气体传感器，有害气体的检测已经逐渐成为传感器技术发展领域的一个重要课题。1.3 甲烷气体检测技术及其发展现状1.3.1甲烷气体的检测方法1. 热催

14、化式在煤矿的安全检测中，载体催化方法是检测甲烷气体的最有效并且是最经济的方法。在国内外测量低浓度的甲烷的使用比较成功和普遍的一种方法。载体催化式是利用甲烷气体在催化元件上的氧化生热引起其电阻的变化来测定甲烷浓度，因为不同浓度的甲烷在燃烧的时候产生的热量不同，用温度的变化来测量甲烷的浓度的一种检测方法，也可称为催化氧化和接触燃烧式。其优点是甲烷气体传感器的生产成本低，输出信号大， 线性度好， 提供了比较大的接触反应表面。对于 1% 的气样，电桥输出可达到15mV以上，信号处理和显示都比较方便。因此仪器的结构十分的简单，受背景气体和温度变化的影响小，很容易实现自动检测。其缺点是探测元件的寿命较短，

15、不能测高浓度甲烷，抗毒性差， 硫化氢及硅蒸气会引起元件中毒而失效。目前国内外检测甲烷的仪器广泛采用这一原理。2、光干涉式光干涉式原理的传感器是利用光波对空气和甲烷气体的折射率的不同所产生的光程差，引起干涉条纹的移动来实现对不同甲烷浓度的测定。具体情形是这样的，一束入射光经过分解后变为了两束光，一路通过被测气体的气室，而另外一束则通过参考气室，满足了相干的条件后，两束气体就会相遇产生干涉条纹。在使用前，需要对两边的气体调零，两个气室均应该充满新鲜的空气，这时干涉条纹的位置作为零点：测量的时候，气室吸入被测的气体，光路中引入附加的光程之差，条纹发生了移动，移动量与甲烷的浓度成正比，因此可以确定甲烷

16、浓度。光干涉式的优点是准确性高，坚固耐用，校正比较容易，高低浓度均可测量，还可测量二氧化碳浓度；其缺点是浓度指示不直观，受气压、温度、湿度的影响严重，特别是空气中氧气不足或者是氮、氧的比例不正常时，测量将会产生误差；并且光学零件加工很复杂，成本较高，实现自动检测比较困难。3. 热导式热导式传感器的原理是利用甲烷与空气的热导率之差来实现甲烷气体浓度的测量。它是将气体送入气室，在气室中有热敏元件，当对热敏元件加热时，气体的导热系数较高时，热量从热敏元件上散开，使阻值减小，通过电阻的变化可以测到气体浓度值。其优点是热敏元名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - -

17、 - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 32 页 - - - - - - - - - 件的的工作温度比较低，工作电压也不高，与此同时热导元件和仪器设计的制作比较简单，成本低、量程大，可进行连续的检测，有利于实现自动测量，被测气体不会发生物理和化学变化，读数稳定，元件的寿命长。但是其缺点是测量低浓度甲烷时候的输出信号小，受气温以及及背景气体的影响较大。4. 红外线式红外线式甲烷传感器是利用甲烷分子能够吸收特定的波长的红外线来测定甲烷的浓度，吸收强度与甲烷气体的浓度有关来检测甲烷浓度。红外线式传感器一般都是用红外辐射源，测量的气体室，滤光片，红外

18、探测器等组成。当气体吸收谱线在入射的光谱范围内时，那么红外辐射可以透过被测气体后在相应谱线处就能发生能量的衰减，由此得知能量的衰减。没有被吸收的辐射将被探头测出，通过测量该谱线处的能量的衰减量以此来得知被测甲烷气体浓度。其优点是采用这一原理的仪器精度高，测量范围广，选择性好，防爆性能好，不受其它气体影响，可连续检测，尤其是当甲烷浓度过高时，不会像催化元件那样容易发生中毒现象。但是其缺点是由于有光电转换精密结构，使制造和保养产生困难，而且体积大， 成本高，耗电多，因此推广使用受到一定限制，最大的缺点是价格太贵了。5. 气敏半导体式气敏半导体的种类较多，如氧化锡、氧化锌等烧结型金属氧化物。这一原理

19、是利用气敏半导体被加热到200时，其表面能够吸附甲烷而改变其电阻值来检测甲烷浓度。其优点是对微量甲烷比较敏感，结构简单、成本低。但当浓度大于1%CH4 时，其反应迟钝，选择性和线性均较差，所以很少用于煤矿井下甲烷浓度的检测，而多用于可燃气体的检漏报警。6. 声速差式在温度为22、气压为101325Pa的条件下，声波在甲烷中的传播速度为432m/s，而在清洁空气中为3m/s。比较这两种速度就可测定高浓度甲烷。其优点是读数不受气压影响; 其缺点是不适合测量低浓度甲烷，一般只用来检测矿井抽放甲烷管道中的甲烷浓度，对背景气体、粉尘及气温变化很敏感。7. 离子化式气体在放射性元素的辐射作用下发生电离，在

20、气体介质中的两个电极度之间便有电流产生。测量空气介质和被测甲烷中的电流大小，便可测出甲烷浓度。其优点是快速，可以连续自动检测，灵敏度高，测量准确，可测二氧化碳浓度。其缺点是测量低浓度甲烷困难，空气湿度对仪器读数有影响，传感器结构复杂1.3.2甲烷气体检测技术的发展及应用现状我们国家甲烷检测技术的最早使用的是在煤矿，主要使用的是光干涉式的瓦斯即甲烷检测仪进行检测。目前，我国使用的便携式甲烷检测仪有组合式的，智能式，个人便携式等几种类型。随着煤矿事故的增多，大家对瓦斯检测仪器的需求也增大了，甲烷传感器也随着进一步发展。科技的进步为气体检测技术的发展提供了有利的条件，市场的需求，人们安全意识的提高使

21、得气体检测技术的发展处于高速增长的状态。从技术方面看，根据传感器的原理不同，常见的甲烷气体传感器有自己使用的范围以及领域。未来很长的一段时间，半导体和催化原理名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 32 页 - - - - - - - - - 第 2 章系统的总体设计2.1 系统总体方案对于睡眠呼吸暂停监护仪来说，应该根据调研和收集的资料确定系统设计的任务和目标，分析需要解决的问题，实现的基本功能。为了解决夜间睡眠过程中存在的呼吸暂停的问题，提出了睡眠呼吸暂停报警

22、监护仪具有的功能： 在输入方面，通过传感器采集呼吸信号； 对采集到的信号进行处理，得出呼吸是否异常； 监视过程中，系统的实时情况可以显示； 具备报警的能力； 系统应该操作简单，易于使用； 系统成本应该控制在合理的价格之内。根据对监护仪硬件系统和软件系统等的需求分析，得到睡眠呼吸暂停报警监护仪系统的设计原则如下： 采用低功耗硬件电路设计及微控制器芯片，为睡眠呼吸监控提供平台支持, 并能根据以后应用的需要，对于该平台进行模块扩展。 对于所设计的系统来说，需要响应呼吸时定时器的定时中断、液晶显示中断和报警中断，系统对中断的异步响应能力是验证系统稳定性的一个重要方面，因此增加中断源能更好验证系统的可靠

23、性与稳定性。 睡眠呼吸暂停报警监护仪要有良好的人机交互窗口，使用可以显示图形和字体的液晶屏，可以提高系统的交互性。 呼吸监控在医学治疗应用环境中，对可靠性要求较高，所以硬件电路设计重点是考虑外围工作电路的可靠性设计。 采用高性能低价格的系统方案。2.2 系统组成睡眠呼吸暂停监护仪的设计主要由两个部分组成，系统的硬件部分以及软件部分。硬件部分则主要由单片机应用系统实现，单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入、输出、显示、测量和控制等外围电路和软件能实现一种或多种功能的实用系统。硬件是单片机应用系统的基础，软件则是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务。硬件和软件

24、二者相互依赖，缺一不可。2.2.1 系统硬件部分基于以上的需求分析，可以得到睡眠呼吸暂停报警监测系统硬件主要由以下几个部分组成：信号采集部分、信号预处理部分、单片机处理部分(MCU)、报警部分、电源部分、显示部分。* 信号采集部分：主要是负责采集呼吸信号，可以通过各种传感器，如温度传感器、压力传感器和阻抗法等。* 信号预处理部分：主要负责的是将采集到的呼吸信号经过一定的放大、滤波处理，使之能够被送入到单片机中进行处理，继而进行其他的操作。* 单片机处理部分(MCU)：它是整个系统的 大脑 ，对整个系统进行智能控制和管理，并对检测信号进行处理，经过计算给出系统的呼吸速度，并且与设置的参数进行比较

25、，确定是否需要进行报警操作。本文采用的单片机是MSP430F149 。* 报警部分：信号采集部分采集到的信号经单片机处理后，得出报警控制信号，再由报警部分响应，以引起操作人员的注意。主要有光电报警( 发光二极管 ) 和声音报警 ( 扬声器或蜂鸣器)等。* 电源部分：主要负责为睡眠呼吸暂停监测系统硬件设施提供标准电源的模块，以使各个模名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 32 页 - - - - - - - - - 块能够正常的工作。* 显示部分：主要负责显示实时

26、时间以及呼吸速度等信息。一般采用LCD(Liquid Crystal Display,液晶显示 ) 液晶屏显示。基于以上的分析，可以得到系统的硬件框图如图2-1 所示：图 2-1 系统硬件框图2.2.2 系统软件部分本次设计中 , 主要完成的是系统软件部分的工作, 同时也参与了硬件方面的设计和选型等。系统的软件部分主要完成的工作则是采样经过放大、滤波后的呼吸信号，经过一定的分析处理，判断呼吸暂停是否超过10S，如果超过10S，则启动报警。 同时系统的软件部分还要控制液晶的显示。基于以上的分析，可以得到系统的软件部分框图如图2-2 所示：图 2-2 系统的软件框图2.3 本章小结通过对睡眠呼吸暂

27、停报警监护仪的总体分析，提出了系统的总体设计方案。系统共分为两大部分，分别为硬件系统部分和软件系统部分。硬件系统包括以下几个部分：信号采集部分、信号预处理部分、单片机处理部分、报警电路、电源电路和液晶显示部分。对每一部分进行了功能说明。软件系统包括以下几个部分：采样呼吸信号、实时时钟处理、数据处理、液晶显示和报警处理模块。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 32 页 - - - - - - - - - 第 3 章系统硬件设计根据实际需求，设计出特定的应用系统，

28、是每一个系统设计工程师应该达到的目标。应用系统的设计包含硬件系统的设计和软件系统的设计两个部分，并且这两部分的设计是互相关联、密不可分的，因此睡眠呼吸暂停监护仪硬件设计原则应遵循安全可靠、有足够的抗干扰能力、经济合理、易用性。考虑到系统实现的功能、软硬件组成，系统的主要元器件有：单片机(MCU) 、传感器、放大器、时钟芯片、蜂鸣器和液晶屏。3.1 硬件电路总体设计睡眠呼吸暂停监视仪的硬件主要包括单片机、电源单元、信号处理单元、报警单元、液晶显示单元和实时时钟单元等，系统结构如图3-1 所示：P3.0P3.2 P5.0P5.7 P2 P1.6 P6.0 图 3-1 系统硬件结构图3.2 电源单元

29、睡眠呼吸暂停监视仪中各个模块所需要的电压大小4,可分为四种12V、+5V 和+3.3V如图 3-2 所示：图 3-2 电源电路通过 L7812、L7912、L7805 和 L1117 的稳压芯片分别得到12V、+5V 和+3.3V 电压。12V 电压也 AD620模块提供电源， +5V为液晶模块LCD1602和传感器电桥电路提供电源，+3.3V为 MSP430F149提供电源。在 L7812、L7912、L1117 的芯片输入和输出端都接100F 电解电容和104 独石电容， 可以比较有效滤掉电源线和电源内部产生的干扰。3.3 信号采集与预处理单元根据医学生理学原理，在肺通气阻力一定时，推动气

30、体流动的压力越大，单位时间内气体流量就越大，当气道管径一定时，气体流速也就越大，反之亦然5 。人的呼吸途径有两个，一个是鼻腔，另一个是口腔。在呼吸时，口、鼻腔处由于气流流过而使温度发生变化。将温度传感器和导管相连，导管固定在鼻腔或口腔下方，在呼吸时，口鼻腔底部由于气流流过使温度发生变化，传感器就会将受到的变化的温度信号转换为电信号从而得到呼吸信号，因此人体的呼吸状态可以通过检测口鼻腔处压力变化获得5 。在呼吸过程中，导管中的温度不断发生变化，这时可以通过传感器采集这一温度信号转化为 MCU 易于处理的电压信号，这时的电压信号在10mV左右波动， 变化不明显而且容易受外界干扰， 因此需要对这个信

31、号进行放大滤波处理，放大滤波后的信号在2.3V 左右波动， 这时的电压信号即可清楚地反映呼吸状态，然后把这一电压信号接入单片机，A/D 转化，并根据相关参数进行数据处理，判断呼吸是否暂停。这里的呼吸暂停是指呼吸停止持续时间超过10s。呼吸过程中的参数如表3-1 所示。表 3-1 呼吸参数状态放大前 (mV)放大后 (V) 呼 5.0-800.6-1.0不呼 310-3502.2-2.4 常用的呼吸信号检测名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 32 页 - - -

32、 - - - - - - 方法有四种，分别是用压力传感器获取呼吸信号，用温度传感器获取呼吸信号，用阻抗法获取呼吸信号，通过心电信息获取呼吸信号。（1）用压力传感器获取呼吸信号呼吸运动时，随着呼气和吸气的周期性变换，呼吸管道以及胸腹部都会产生周期性的形变。 压力传感器就是从这个现象出发，设法感受呼吸时呼吸管道和胸腹部的这种周期性形变，以此测定呼吸频率。该设计是采用力学传感器直接测量胸腹以及呼吸管道的位移，这种接触式的方法需要给胸腹施加一定的预压力，会使受试者产生不适感5 。（2）用温度传感器获取呼吸信号呼吸实质上是人体内外环境之间气体的交换, 正常人的呼吸是由呼吸中枢支配呼吸肌有节奏地张弛、造成

33、肺内压和大气压之间的压力差, 此压力差在克服了肺通气阻力之后, 方能实现气体交换。根据医学生理学原理, 在肺通气阻力一定时, 推动气体流动的压力( 大气压与肺内压力差) 越大 , 单位时间内气体流量就越大, 当气道管径一定时, 气体流速也就越大, 反之亦然5 。而此气体通过鼻腔, 与外界气体进行交换时, 必然会引起鼻腔内温度的变化。实验证明 : 在气道管径不变的条件下, 温度的变化量( T)与气体流速的变化量( V)线性相关 , 因此只采用灵敏度高、温度线性好、时间常数较小的热敏传感器, 就能把微弱的呼吸信息检测出来 , 再经过放大、滤波、A/D 转换、微处理器处理, 就能自动地、实时地显示呼

34、吸波形、流速 - 容量曲线、呼吸气流速率、频率、峰值以及潮气量等多项肺功能参数。常用的温度传感器有热敏电阻、PN结、热电偶、石英晶体、红外热探测器和液晶测温膜等。因呼吸气流的温度变化不大(12) ， 故用于呼吸温度采样的传感器一般是热敏电阻式传感器。（3）用阻抗法获取呼吸信号人体是一个大的生物导电体，其组织和器官对高频电流呈现一定的阻抗。当人体做呼吸运动时，其胸部组织阻抗的变化与肺容积的变化之间存在着比较好的关系曲线，通过对人体胸腔输入一定频率、一定大小值的恒定电流，检测出两端电压的变化，即可得到对应的呼吸阻抗变化信号。 阻抗法测呼吸是目前呼吸监测设备中最为常用的一种技术，具有无创、 简单、安

35、全、廉价等诸多优点，但受人体运动引起的干扰影响较大6 。（4）通过心电信息获取呼吸信号基于一种可观测到的心电向量环和一种关于旋转变换以及时间同步的参考向量环的结合，这种方法非常适合于不方便对呼吸活动进行监测的情况，但属于间接测量，实现起来复杂也不很精确 7 。热敏电阻是一种对温度敏感的温敏元件, 由氧化锰、 氧化镍、 氧化钴等氧化物和陶瓷、半导体材料构成，电阻率比金属大的多。通常做成珠状、球状等, 尺寸可小于0.5mm 。设计温差电桥测量电路, 如图 3-3 所示 , 热敏电阻分别置于两相邻臂上, 人体呼吸作用于热敏电阻R4,热敏电阻 R4置于外界环境中，通以电流并加热到一定温度，当鼻孔中的气

36、流通过热敏电阻时,由于受到流动气体的热交换，引起阻值变化使电桥失去平衡, 当气体周期性流过热敏电阻时,电阻值也周期性变化，因此可以从电桥输出得到周期性变化的电压信号，再经过各种处理得到呼吸参数。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 32 页 - - - - - - - - - 图 3-3 温度传感器电桥电路综合各方面的考虑，本系统采用MF52型 NTC热敏电阻。 MF52型热敏电阻器是采用新材料、新工艺生产的小体积的树脂包封型NTC热敏电阻器，具有高精度和快速反

37、应等优点。其特点为： 测试精度高。 体积小、反应速度快； 能长时间稳定工作； 互换性、一致性好。信号采集单元是睡眠呼吸暂停仪设计最重要的部分之一。能否准确地检测出呼吸信号是计算呼吸速度和判断呼吸异常的关键, 也是整个睡眠呼吸暂停报警监护仪性能和可靠性的主要参考标准。呼吸信号的采集与预处理如图3-4 所示，本系统采用MF52 NTC热敏电阻作为传感器采集呼吸信号，即通过呼吸时鼻腔内的温度变化来转化为毫伏级的电压变化，通过信号预处理单元将采集到信号经过滤波放大到02.5V 满足单片机的A/D 转换量程内的电压。 经过预处理的呼吸信号与单片机的P6.0 进行连接。以完成模数转换以及为后续电路提供输入

38、信号。图 3-4 呼吸信号的采集与预处理电路图中 R3是一个负温度系数(NTC)的热敏电阻， 在将热敏电阻放在鼻腔处时，调节 R4 的阻值，使得桥路输出电压为200mV左右， 经过 AD620放大到 2.3V 左右， 当人呼吸时， 鼻腔处的温度会升高，导致热敏电阻阻值降低，此时桥路输出电压降低，而且下降幅值较大，可以使得放大后的输出电压下降至0.5V 左右， 调理后的信号与MSP430F149 的 P6.0 连接， 那么，将单片机检测阈值设为1V，当信号在1V处为上升沿变换则启动计时，当在 1V处有下降沿时停止计时，看这段时间是否大于10S，若大于10S 就触发报警单元进行报警，若小于10S

39、则将此段时间清零，为下一次计数作准备。在这一环节中，放大器的选择好坏对提高测量精度十分关键，根据相关资料查阅，在放大器电路精选中，一般在首级放大器有低噪声、低输入偏置电流、高共模抑制比等要求的场合大多采用自制的三运放结构8 ，如图 3-5 所示。图 3-5 三运放结构的高性能放大器原理图图 3-5 中由 Al 、A2构成前级对称的同相、反相输入放大器，后级为差动放大器，在这个结构图中，要保证放大器高的性能，参数的对称性与一致性显得尤为重要，不仅包括外围的电阻元件R1与 R2、R3与 R4 、R5与 R6，还包括A1与 A2 放大器的一致性，因此，要自制高性能的放大器对器件要求相当高。而随着微电

40、子技术的发展，市场上已经出现了专用的高性名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 32 页 - - - - - - - - - 能的仪表放大器，它的内部核心结构还是三运放，例如 AD620 、AD623就是具有上述三运放结构。在本设计中呼吸信号幅度很小，大约只有微伏到毫伏的数量级范围，所以所选放大器的增益范围要广，放大倍数要便于调节，功耗要小。针对以上要求，最终选择了体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广的AD62O作为放大器。AD620是低价格、 低功耗仪用放大

41、器，它只需要一只外部电阻就可设置11000 倍的放大增益，具有较低的输入偏置电流、较快的建立时间和较高的精度，特别适合于精确的数据采集系统， 如称重传感器接口，也非常适合医疗仪器的应用系统( 如 ECG ， Electrocardiogram，心电图 )、多路转换器及干电池供电的前置放大器使用。AD620 作为一个低成本，高精度的单片仪器放大器，为双列直插外形(Dual In-line Package Shape, DIPS)(图 3-6) ，其主要特点如表3-2 所示。 AD620的内部结构是OP-07S组成的三运放结构， 性能大大优于自制的三运放IC(Integrate circuit，

42、集成电路 ) 电路设计，只需在 1 脚与 8 脚之间外接RG电阻 ( 图 3-6), 为此它的外围电路十分简单10 。表 3-2 AD620特征参数供电电源增益选择增益范围最大增益误差率带宽功耗2.3 18V 电阻编程11000 0.7%(G=1000)1MHz(G=l ，小信号 -3dB 最大 650mW 输入失调电压输入失调偏移输入偏置电流最小共模抑制比温度范围最大 125 V 最大 1V/ 最大 20A 93dB(G=100)070 民品-4085 工业品-55120 军品图 3-6 AD620管脚图AD620 为三运放集成的仪表放大器结构，为保护增益控制的高精度，其输入端的三极管提供简

43、单的差分双极输入，并采用工艺获得更低的输入偏置电流，通过输入级内部运放的反馈，保持输入三极管的集电极电流恒定，并使输入电压加到外部增益控制电RG上。 AD620的两个内部增益电阻为24.7k ，因而增益方程式为: （3-1 ）对于所需的增益，则外部控制电阻值为: （ 3-2 ）外部增益控制电阻值RG也决定前置放大器的跨导，当 RG减小时， 由（ 3-1 ）式可知可编程的增益增加， 开环增益随之增加；反之当 RG增大时则增益降低，并且降低了增益误差，同时带宽也随之增加，因而优化了频率响应。另一方面，AD620的低输入电压噪声在1kHz 时为9nV/Hz， 在 0.1l0Hz 频带时为0.28 V

44、pp， 电流噪声仅为0.1pA/Hz ， 因而在精确测量系统中，应用 AD620设计电路是非常理想的。在本系统中， 由于传感器输出的信号有300mV左右，所以增益 G=7就可以满足放大要求，由公式 (3-2) 计算出 RG =8.3 k 左右就可以了，系统中采用10 k 可调电阻实现这一要求。3.4 信号处理单元信号的分析与处理是此系统的主要模块所在，选用MSP430F149作为系统的微处理器。MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16 位超低功耗的混合信名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - -

45、- - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 32 页 - - - - - - - - - 号处理器 9(Mixed Signal Processor) 。称之为混合信号处理器。该单片机在设计上打破常规，采用了全新的概念，其突出的优点是低电源电压、超低功耗，非常适合各种功率要求低的应用。它有多个系列和不同型号，它们分别由一些基本功能模块按不同的应用目标组合而成。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供单片 解决方案。凭借其较高的性能价格比，已广泛应用于智能家庭仪表、医疗设备和保安系统等方面。MSP430

46、系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点：强大的处理能力，MSP430系列单片机是一个16 位的单片机，采用了精简指令集(RISC)结构，具有丰富的寻址方式(7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址） 、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令； 有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为125ns。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。在运算速度方面， MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下， 实现 125ns 的指令周期。16 位的数据宽度、125ns 的指令周期以及多功能的硬

47、件乘法器( 能实现乘加 ) 相配合，能实现数字信号处理的某些算法( 如 FFT 等) 。MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6s。超低功耗MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先， MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.83.6V 电压。因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在 200400 A 左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1A 。其次， 独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的系统时钟系统：基本

48、时钟系统和锁频环 (FLL和 FLL+) 时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器(32768Hz) ，有的使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。 在系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0LPM4) 。在等待方式下， 耗电为 0.7 A，在节电方式下，最低可达0.1 A。系统工作稳定， 上电复位后， 首先由 DCOCLK 启动 CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有

49、足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做CPU 时钟 MCLK 时发生故障， DCO 会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。丰富的片上外围模块，MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT) 、 模拟比较器A、 定时器 A(Timer_A) 、 定时器 B (Timer_B) 、 串口 0、 1(USART0 、1) 、 硬件乘法器、 液晶驱动器、 10 位/12 位 ADC 、 16 位 Sigma-Delta AD 、 直接寻址模块(DMA)、端口 O(P0)、端口

50、 16(P1P6) 、基本定时器 (Basic Timer) 等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出 A/D 转换器； 16 位定时器 (Timer_A 和 Timer_B) 具有捕获 / 比较功能，大量的捕获/ 比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O 端口，最多达6*8 条 I/O口线； P0、P1、P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12/14 位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达20