呼吸机控制系统设计
呼吸机控制系统设计[20191213112441]
摘 要
随着电子技术和医疗器械的发展，呼吸机的应用越来越广泛，人们对呼吸机的性能提出了更高的要求。本文提出了呼吸机智能控制方案，从系统的实时性和稳定性出发，设计实现了呼吸机控制系统。
本文首先深入研究了呼吸机的控制原理，并在此基础上进行了呼吸机实时控制系统的硬件结构设计。利用差压传感器对压力进行数据采集，通过步进电动机调整气流的大小和方向，实现对压力和流量的控制，其次，设计调试了控制软件，总体上采用模块化设计，实现了AD转换、电机调速、液晶显示、按键控制、串口发送等功能，最后根据计算所得控制量进行了实时输出控制，动态显示呼吸机的工作状态。同时，系统采用了改进的PID控制器，经过现场调试分析来获得稳定的PID 整定参数，为系统的安全应用提供了很好的控制基础。
本课题综合运用了嵌入式系统、计算机技术、自动控制原理，根据实际采集数据和控制的需要，需设计模拟量采集接口电路、开关量采集接口电路、控制电路，完成对传感信号采集、处理、存储、显示及相关执行机构的控制。增强了呼吸机控制的实时性、稳定性，并且人机界面友好，操作简单方便。
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关键字:】呼吸机；智能控制；步进电机调速
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 论文选题来源及意义 1
1.2 国内外相关研究现状及分析 1
1.3 呼吸机控制关键问题研究 3
1.3.1 测量方法研究 3
1.3.2 压力控制研究 3
1.4 课题的主要任务 4
第2章 呼吸机控制系统总体设计 5
2.1 功能需求分析 5
2.1.1 功能需求 5
2.1.2 可靠性需求 5
2.2 工作流程分析 6
2.3 总体设计 7
第3章 呼吸机控制系统详细设计 8
3.1 单片机、调试工具选择 8
3.1.1 单片机选型及其最小系统设计 8
3.1.2 软件开发环境 10
3.2 AD模块的设计与实现 10
3.2.1 PCF8591P芯片工作原理研究 10
3.2.2 I2C协议的分析及实现 11
3.2.3 AD数据采样及转换设计 14
3.3 人机接口设计 16
3.3.1 防抖动按键控制 16
3.3.2 LED灯工作状态显示 17
3.3.3 步进电机调速系统 18
3.4 LCD液晶显示模块的设计 22
3.4.1 LCD显示模块选型 22
3.4.2 液晶动态数据实时显示 24
3.5 串行数据通信模块设计 26
3.5.1 串行通信芯片选型 26
3.5.2 RS232串行通信自动发送数据 27
3.6 PID闭环整定系统 29
3.6.1 比例、积分、微分控制器 29
3.6.2 PID闭环整定的研究 30
第4章 整机调试 33
4.1 软件调试 33
4.2 硬件调试 35
4.2.1 步骤 35
4.2.2 液晶显示 35
5.2.3 状态显示 35
5.2.4串口发送 35
第5章 总结与展望 37
5.1 总结 37
5.2 展望 37
致 谢 38
参考文献 39
附 录 41
第1章 绪论
1.1 论文选题来源及意义
睡眠呼吸机，伴随着人们对睡眠认识的逐渐深入而发展而来，在现代化医疗设备中占有重要位置，越来越受到重视，需求量呈明显上升趋势，市场前景十分看好。人的一生大约有1/3的时间在睡眠中度过，做梦及梦游、失眠、发作性睡病、周期性嗜睡等睡眠障碍性疾患引起了医学工作者的注意。睡眠呼吸机是应用以机械装置建立压力差，从而产生肺泡通气的动力原理制成，也可以用来改变人体的自主呼吸运动，适用于OSA患者和其他需要呼吸支持的治疗情况，为治疗呼吸暂停而设计。它同时能够监测到呼吸暂停、低通气、打鼾、气流受限等事件，并能够对不同的呼吸事件自动作出反应及压力调整。[1]
呼吸机是一种高技术产品,其技术难点是精密机械加工、压力及流量传感、耐磨合金。[2]各生产企业在其呼吸机中大量应用各种不同实用原理的控制阀，但大部分是基于成本高昂的内部设计。因此，呼吸机的控制及相关数据的监测传输成为目前急于解决的问题。
为了改变我国呼吸机技术长期落后的状态,应引进、消化、吸收适合国情的先进机型，逐步改变高档呼吸机完全依赖进口的局面。针对这一现状，本文选题为呼吸机控制系统设计。该课题根据实际采集数据和控制的需要，需设计模拟量采集接口电路、开关量采集接口电路、控制电路，完成对传感信号采集、处理、存储、显示及相关执行机构的控制。
1.2 国内外相关研究现状及分析
睡眠呼吸机的工作原理都在于建立一个大气与肺泡压差，达到肺的通气。吸气状态，呼吸机经呼吸道开口以气体直接加压，超过肺泡压产生压力差,气体进入肺部；呼气状态，呼吸机释去压力，肺泡压高于大气压,肺泡气体排出体外。为达到最好的通气治疗效果，要根据病人病情选择适当的通气模式。
呼吸机的基本结构主要由气路和电子控制两大部分组成。气路部分主要是一个气体传送系统，包括气体供应(气体储存、压力支持)、气体传输、压力流量监测和校正。空气通过管道及相关伺服阀门以设置的气压、流速送到病人端。流量传感器将测量到的实际值馈送到电子控制部分与面板设置值比较,利用两者间的误差通过控制伺服阀门来调节吸入和呼出气体。电子控制部分的主要功能是控制呼吸机以一定的频率、潮气量进行通气,同时监测相应传感器的反馈数据,超过限定范围时报警提示。
呼吸机技术从诞生至今已经发展到比较成熟的阶段,其主要应用技术及理论有：[5]
1. 从呼气相到吸气相转化的四种触发模式(定压、定容、时间、流量)已普及用于各类呼吸机；
2. 多达十几种通气模式可满足临床的不同要求；
3. 电子计算机的应用大大提高了机器运行的灵活性、可靠性和智能性,并使呼吸机的小型化成为可能。
其技术特点可归纳为以下几个方面:
1. 舍弃压力切换方式,改用容量切换方式或时间切换方式。在时间切换方式下,有的对潮气量加以限定,有的对气道压力加以限定。容量切换方式中,也加有气道压力限定。总之,这些措施的目的是保证气道压力不超过某一上限,以防止气道压力过高。压力切换方式的缺点是潮气量往往过低,不能满足肺泡气体交换要求。但是,有的厂商生产的呼吸机仍然采用压力切换方式,因为这对新生儿和婴儿是一种较安全、有效的方式。
2. 保留IPPV及SIMV两种最基本的通气方式。对于容量切换及时间切换两种方式孰优孰劣,医学界及工程界尚无定论,仍呈发展趋势。
3. 加强微机作用。以前的呼吸机多采用电子线路控制,而目前几乎已完全微机替代,有的厂商还采用多CPU技术,以加强功能。新型呼吸机都设有自动检验、自动校正、数据通讯、多参数监测及显示、通气气流及压力实时波形显示、多参数监测及显示、通气气流及压力实时波形显示、多参数自动报警等功能。
4. 为了有效防止“呼吸机肺”,而且又能保证临床各种需要,各厂商相继采用PS(压力支持)、MMV(强制瞬间通气)、MSV(主从通气)、CF(连续气流)、APRV(气道压变化通气)、BUV(备用气道)等技术。已被临床证实有效的首推PS方式,MMV及APRV也有较好的效果。
5. 同样,为了防止“呼吸机肺”,有的厂商推出高频呼吸机,喷射作用使送入气管的氧气附加一定的速度,以改善气体交换功能。这一方式有其潜力,但临床效果并不理想,所以商品问世后,占有市场不大,有待发展。[3]
1.3 呼吸机控制关键问题研究
呼吸机的核心技术有：通气模式、控制技术、测量技术、人机工程和显示技术、开发模式等。
1.3.1 测量方法研究
图1.1呼吸机测量系统
流量传感器通常安装在呼吸机的气路的中，对气路进行时时监测。流量传感器有主通道和测量通道。主通道内置有金属网，对通气的气流产生阻力，从而将部分气体导入近旁的测量通道。进入测量通道的气流冲击通道内的金属片，进而触及压-电感应器产生电信号。通过的气流越多，产生的电信号也越大，这样就可测出气体的流速和流量。
1.3.2 压力控制研究
在控制方法上，目前PID控制占主导地位。PID控制是最早发展起来的控制策略之一。由于其结构简单，各个控制器参数有着明显的物理意义，调整方便，所以PID控制器在工业控制中应用广泛，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。然而实际的无刷直流电动机控制过程具有非线性、强耦合、多变量的特点，对其难以建立精确的数学模型，应用传统PID控制器很难达到很理想的控制效果。随着控制理论的发展，为了提高其动静态性能指标，变结构控制、模糊控制和PID相结合的Fuzzy．PID控制、神经网络和PID控制相结合的复合控制、遗传算法和模糊控制的复合控制以及集成智能控制技术等先进控制方法在无刷直流电机的控制算法设计中得到成功应用，并成为高性能调速系统和伺服系统控制器的设计研究热点。智能控制通过模拟人脑的思维来实现对目标对象的控制，一般而言，智能控制技术包括专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法。基于布尔代数的专家系统运用的是硬计算(精确的计算)，而模糊逻辑和神经网络运用的则是软计算(近似和模糊的计算)。智能控制系统的特点在于系统具有的自适应、自组织及自学习能力，它可以克服常规控制方法对数学模型的依赖性等缺点。在无刷直流电机控制中引入智能控制技术，可有效地改善控制系统的鲁棒性和适应性，从而提高控制系统的综合性能。[20]
1.4 课题的主要任务
通常患有睡眠呼吸暂停综合征（打鼾并暂停）的病人和严重肺气肿、肺心病、慢阻肺或二型呼衰且二氧化碳偏高的病人，需要使用睡眠呼吸机。当患者肺部功能衰竭或气道阻塞的时候，睡眠呼吸机可以将加压后的空气不断地吹向患者的气道，从而保持气道畅通，维持正常呼吸。
本课题主要任务是设计易于操作、人机界面友好，并能对病人呼吸系统进行实时准确可靠监测的信号处理与测量的显示模块，以便给用户提供使用及监护指导，最大可能挽救病人生命。主要监测参数为呼吸机输出气流量，其应与步进电机转速以及AD模块读取的电压值成正相关。
第2章 呼吸机控制系统总体设计
2.1 功能需求分析
2.1.1 功能需求
具体的组成部分有空气、氧气气源（动力部分），雾化器和湿化器，压力传感器（气体差压传感器）和控制器等几部分组成。气源部分是由涡轮泵产生，不同转速会产生不同的通气量。使用者的呼吸状态由差压传感器反馈给控制器，控制器进而调节步进电机转速，即涡轮泵的工作状态。[4]
1. 能提供输送气体的动力，代替人体呼吸肌的工作能产生一定的呼吸节律，包括呼吸频率和吸呼比，以代替人体呼吸中枢神经支配呼吸节律的功能；
2. 能提供合适的潮气量 （VT）或分钟通气量（MV），以满足呼吸代谢的需要；
3. 供给的气体最好经过加温和湿化，代替人体鼻腔功能 ，并能供给高于大气中所含的O2量，以提高吸入O2浓度，改善氧合。
呼吸机需要检测的参数主要有气道压力、潮气量、分钟通气量、呼吸频率四大参数。其中气道压力为一次测量参数，其余均可由流量差压信号传感转化得到，所以硬件部分需要检测的信号只有一个。本系统采用单片机开发箱进行硬件模拟，将气道压力经传感器转化为电压信号，经AD转换变成数字信号写入单片机。
表2.1 呼吸机参数表
容量参数 分钟通气量、潮气量、吸气流速、流量触发灵敏度、叹息
压力参数 气道峰压、平台压、吸气压力水平、呼气末正压、压力触发灵敏度
时间参数 呼吸频率、吸呼比(I:E)、吸气时间、平台时间、呼气时间
其它参数 吸入氧浓度、湿化湿度及温度
2.1.2 可靠性需求
可靠性是系统设计中的关键。作为风险度极高的呼吸机，特别是危重症呼吸机来说，安全稳定压倒一切。呼吸机是生命支持设备，若没有可靠性和安全性保障，再多再美的功能终将沦为脆弱的肥皂泡，经不起市场的考验。而可靠性和安全性，正是目前多数国产品牌难以突破的瓶颈，也是提升市场竞争力的核心所在。
图2. 1 呼吸机故障统计
1、既要考虑技术的先进性，又要考虑技术的成熟性；
2、尽量减小外部温度、湿度、压力等因素对呼吸机运行性能的影响；
3、具有很好的抗故障能力。如：输入参数设限，仅可以在允许范围内调控，否则容易导致PWM控制的硬件损坏。[8]
2.2 工作流程分析
2.3 总体设计
系统采用51单片机为处理器，以独立按键和LCD液晶显示屏作为人机对话接口，硬件部分主要采用STC89C52RC单片机、1602液晶显示器等组成。 AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS 51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元。[16]
摘 要
随着电子技术和医疗器械的发展，呼吸机的应用越来越广泛，人们对呼吸机的性能提出了更高的要求。本文提出了呼吸机智能控制方案，从系统的实时性和稳定性出发，设计实现了呼吸机控制系统。
本文首先深入研究了呼吸机的控制原理，并在此基础上进行了呼吸机实时控制系统的硬件结构设计。利用差压传感器对压力进行数据采集，通过步进电动机调整气流的大小和方向，实现对压力和流量的控制，其次，设计调试了控制软件，总体上采用模块化设计，实现了AD转换、电机调速、液晶显示、按键控制、串口发送等功能，最后根据计算所得控制量进行了实时输出控制，动态显示呼吸机的工作状态。同时，系统采用了改进的PID控制器，经过现场调试分析来获得稳定的PID 整定参数，为系统的安全应用提供了很好的控制基础。
本课题综合运用了嵌入式系统、计算机技术、自动控制原理，根据实际采集数据和控制的需要，需设计模拟量采集接口电路、开关量采集接口电路、控制电路，完成对传感信号采集、处理、存储、显示及相关执行机构的控制。增强了呼吸机控制的实时性、稳定性，并且人机界面友好，操作简单方便。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】呼吸机；智能控制；步进电机调速
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 论文选题来源及意义 1
1.2 国内外相关研究现状及分析 1
1.3 呼吸机控制关键问题研究 3
1.3.1 测量方法研究 3
1.3.2 压力控制研究 3
1.4 课题的主要任务 4
第2章 呼吸机控制系统总体设计 5
2.1 功能需求分析 5
2.1.1 功能需求 5
2.1.2 可靠性需求 5
2.2 工作流程分析 6
2.3 总体设计 7
第3章 呼吸机控制系统详细设计 8
3.1 单片机、调试工具选择 8
3.1.1 单片机选型及其最小系统设计 8
3.1.2 软件开发环境 10
3.2 AD模块的设计与实现 10
3.2.1 PCF8591P芯片工作原理研究 10
3.2.2 I2C协议的分析及实现 11
3.2.3 AD数据采样及转换设计 14
3.3 人机接口设计 16
3.3.1 防抖动按键控制 16
3.3.2 LED灯工作状态显示 17
3.3.3 步进电机调速系统 18
3.4 LCD液晶显示模块的设计 22
3.4.1 LCD显示模块选型 22
3.4.2 液晶动态数据实时显示 24
3.5 串行数据通信模块设计 26
3.5.1 串行通信芯片选型 26
3.5.2 RS232串行通信自动发送数据 27
3.6 PID闭环整定系统 29
3.6.1 比例、积分、微分控制器 29
3.6.2 PID闭环整定的研究 30
第4章 整机调试 33
4.1 软件调试 33
4.2 硬件调试 35
4.2.1 步骤 35
4.2.2 液晶显示 35
5.2.3 状态显示 35
5.2.4串口发送 35
第5章 总结与展望 37
5.1 总结 37
5.2 展望 37
致 谢 38
参考文献 39
附 录 41
第1章 绪论
1.1 论文选题来源及意义
睡眠呼吸机，伴随着人们对睡眠认识的逐渐深入而发展而来，在现代化医疗设备中占有重要位置，越来越受到重视，需求量呈明显上升趋势，市场前景十分看好。人的一生大约有1/3的时间在睡眠中度过，做梦及梦游、失眠、发作性睡病、周期性嗜睡等睡眠障碍性疾患引起了医学工作者的注意。睡眠呼吸机是应用以机械装置建立压力差，从而产生肺泡通气的动力原理制成，也可以用来改变人体的自主呼吸运动，适用于OSA患者和其他需要呼吸支持的治疗情况，为治疗呼吸暂停而设计。它同时能够监测到呼吸暂停、低通气、打鼾、气流受限等事件，并能够对不同的呼吸事件自动作出反应及压力调整。[1]
呼吸机是一种高技术产品,其技术难点是精密机械加工、压力及流量传感、耐磨合金。[2]各生产企业在其呼吸机中大量应用各种不同实用原理的控制阀，但大部分是基于成本高昂的内部设计。因此，呼吸机的控制及相关数据的监测传输成为目前急于解决的问题。
为了改变我国呼吸机技术长期落后的状态,应引进、消化、吸收适合国情的先进机型，逐步改变高档呼吸机完全依赖进口的局面。针对这一现状，本文选题为呼吸机控制系统设计。该课题根据实际采集数据和控制的需要，需设计模拟量采集接口电路、开关量采集接口电路、控制电路，完成对传感信号采集、处理、存储、显示及相关执行机构的控制。
1.2 国内外相关研究现状及分析
睡眠呼吸机的工作原理都在于建立一个大气与肺泡压差，达到肺的通气。吸气状态，呼吸机经呼吸道开口以气体直接加压，超过肺泡压产生压力差,气体进入肺部；呼气状态，呼吸机释去压力，肺泡压高于大气压,肺泡气体排出体外。为达到最好的通气治疗效果，要根据病人病情选择适当的通气模式。
呼吸机的基本结构主要由气路和电子控制两大部分组成。气路部分主要是一个气体传送系统，包括气体供应(气体储存、压力支持)、气体传输、压力流量监测和校正。空气通过管道及相关伺服阀门以设置的气压、流速送到病人端。流量传感器将测量到的实际值馈送到电子控制部分与面板设置值比较,利用两者间的误差通过控制伺服阀门来调节吸入和呼出气体。电子控制部分的主要功能是控制呼吸机以一定的频率、潮气量进行通气,同时监测相应传感器的反馈数据,超过限定范围时报警提示。
呼吸机技术从诞生至今已经发展到比较成熟的阶段,其主要应用技术及理论有：[5]
1. 从呼气相到吸气相转化的四种触发模式(定压、定容、时间、流量)已普及用于各类呼吸机；
2. 多达十几种通气模式可满足临床的不同要求；
3. 电子计算机的应用大大提高了机器运行的灵活性、可靠性和智能性,并使呼吸机的小型化成为可能。
其技术特点可归纳为以下几个方面:
1. 舍弃压力切换方式,改用容量切换方式或时间切换方式。在时间切换方式下,有的对潮气量加以限定,有的对气道压力加以限定。容量切换方式中,也加有气道压力限定。总之,这些措施的目的是保证气道压力不超过某一上限,以防止气道压力过高。压力切换方式的缺点是潮气量往往过低,不能满足肺泡气体交换要求。但是,有的厂商生产的呼吸机仍然采用压力切换方式,因为这对新生儿和婴儿是一种较安全、有效的方式。
2. 保留IPPV及SIMV两种最基本的通气方式。对于容量切换及时间切换两种方式孰优孰劣,医学界及工程界尚无定论,仍呈发展趋势。
3. 加强微机作用。以前的呼吸机多采用电子线路控制,而目前几乎已完全微机替代,有的厂商还采用多CPU技术,以加强功能。新型呼吸机都设有自动检验、自动校正、数据通讯、多参数监测及显示、通气气流及压力实时波形显示、多参数监测及显示、通气气流及压力实时波形显示、多参数自动报警等功能。
4. 为了有效防止“呼吸机肺”,而且又能保证临床各种需要,各厂商相继采用PS(压力支持)、MMV(强制瞬间通气)、MSV(主从通气)、CF(连续气流)、APRV(气道压变化通气)、BUV(备用气道)等技术。已被临床证实有效的首推PS方式,MMV及APRV也有较好的效果。
5. 同样,为了防止“呼吸机肺”,有的厂商推出高频呼吸机,喷射作用使送入气管的氧气附加一定的速度,以改善气体交换功能。这一方式有其潜力,但临床效果并不理想,所以商品问世后,占有市场不大,有待发展。[3]
1.3 呼吸机控制关键问题研究
呼吸机的核心技术有：通气模式、控制技术、测量技术、人机工程和显示技术、开发模式等。
1.3.1 测量方法研究
图1.1呼吸机测量系统
流量传感器通常安装在呼吸机的气路的中，对气路进行时时监测。流量传感器有主通道和测量通道。主通道内置有金属网，对通气的气流产生阻力，从而将部分气体导入近旁的测量通道。进入测量通道的气流冲击通道内的金属片，进而触及压-电感应器产生电信号。通过的气流越多，产生的电信号也越大，这样就可测出气体的流速和流量。
1.3.2 压力控制研究
在控制方法上，目前PID控制占主导地位。PID控制是最早发展起来的控制策略之一。由于其结构简单，各个控制器参数有着明显的物理意义，调整方便，所以PID控制器在工业控制中应用广泛，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。然而实际的无刷直流电动机控制过程具有非线性、强耦合、多变量的特点，对其难以建立精确的数学模型，应用传统PID控制器很难达到很理想的控制效果。随着控制理论的发展，为了提高其动静态性能指标，变结构控制、模糊控制和PID相结合的Fuzzy．PID控制、神经网络和PID控制相结合的复合控制、遗传算法和模糊控制的复合控制以及集成智能控制技术等先进控制方法在无刷直流电机的控制算法设计中得到成功应用，并成为高性能调速系统和伺服系统控制器的设计研究热点。智能控制通过模拟人脑的思维来实现对目标对象的控制，一般而言，智能控制技术包括专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法。基于布尔代数的专家系统运用的是硬计算(精确的计算)，而模糊逻辑和神经网络运用的则是软计算(近似和模糊的计算)。智能控制系统的特点在于系统具有的自适应、自组织及自学习能力，它可以克服常规控制方法对数学模型的依赖性等缺点。在无刷直流电机控制中引入智能控制技术，可有效地改善控制系统的鲁棒性和适应性，从而提高控制系统的综合性能。[20]
1.4 课题的主要任务
通常患有睡眠呼吸暂停综合征（打鼾并暂停）的病人和严重肺气肿、肺心病、慢阻肺或二型呼衰且二氧化碳偏高的病人，需要使用睡眠呼吸机。当患者肺部功能衰竭或气道阻塞的时候，睡眠呼吸机可以将加压后的空气不断地吹向患者的气道，从而保持气道畅通，维持正常呼吸。
本课题主要任务是设计易于操作、人机界面友好，并能对病人呼吸系统进行实时准确可靠监测的信号处理与测量的显示模块，以便给用户提供使用及监护指导，最大可能挽救病人生命。主要监测参数为呼吸机输出气流量，其应与步进电机转速以及AD模块读取的电压值成正相关。
第2章 呼吸机控制系统总体设计
2.1 功能需求分析
2.1.1 功能需求
具体的组成部分有空气、氧气气源（动力部分），雾化器和湿化器，压力传感器（气体差压传感器）和控制器等几部分组成。气源部分是由涡轮泵产生，不同转速会产生不同的通气量。使用者的呼吸状态由差压传感器反馈给控制器，控制器进而调节步进电机转速，即涡轮泵的工作状态。[4]
1. 能提供输送气体的动力，代替人体呼吸肌的工作能产生一定的呼吸节律，包括呼吸频率和吸呼比，以代替人体呼吸中枢神经支配呼吸节律的功能；
2. 能提供合适的潮气量 （VT）或分钟通气量（MV），以满足呼吸代谢的需要；
3. 供给的气体最好经过加温和湿化，代替人体鼻腔功能 ，并能供给高于大气中所含的O2量，以提高吸入O2浓度，改善氧合。
呼吸机需要检测的参数主要有气道压力、潮气量、分钟通气量、呼吸频率四大参数。其中气道压力为一次测量参数，其余均可由流量差压信号传感转化得到，所以硬件部分需要检测的信号只有一个。本系统采用单片机开发箱进行硬件模拟，将气道压力经传感器转化为电压信号，经AD转换变成数字信号写入单片机。
表2.1 呼吸机参数表
容量参数 分钟通气量、潮气量、吸气流速、流量触发灵敏度、叹息
压力参数 气道峰压、平台压、吸气压力水平、呼气末正压、压力触发灵敏度
时间参数 呼吸频率、吸呼比(I:E)、吸气时间、平台时间、呼气时间
其它参数 吸入氧浓度、湿化湿度及温度
2.1.2 可靠性需求
可靠性是系统设计中的关键。作为风险度极高的呼吸机，特别是危重症呼吸机来说，安全稳定压倒一切。呼吸机是生命支持设备，若没有可靠性和安全性保障，再多再美的功能终将沦为脆弱的肥皂泡，经不起市场的考验。而可靠性和安全性，正是目前多数国产品牌难以突破的瓶颈，也是提升市场竞争力的核心所在。
图2. 1 呼吸机故障统计
1、既要考虑技术的先进性，又要考虑技术的成熟性；
2、尽量减小外部温度、湿度、压力等因素对呼吸机运行性能的影响；
3、具有很好的抗故障能力。如：输入参数设限，仅可以在允许范围内调控，否则容易导致PWM控制的硬件损坏。[8]
2.2 工作流程分析
2.3 总体设计
系统采用51单片机为处理器，以独立按键和LCD液晶显示屏作为人机对话接口，硬件部分主要采用STC89C52RC单片机、1602液晶显示器等组成。 AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS 51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元。[16]
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