基于C8051F单片机的睡眠呼吸机控制系统研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 3.27MB 64 页 15积分
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I
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ....................................................... 1
§1.1 引 言 ..................................................... 1
§1.1.1 阻塞性睡眠呼吸暂停综合症及治疗手段 .................... 1
§1.1.2 睡眠呼吸机发展简史 .................................... 3
§1.1.3 睡眠呼吸机发展现状 .................................... 4
§1.1.4 睡眠呼吸机发展趋势 .................................... 5
§1.2 研究的意义 ................................................ 6
§1.3 论文的主要工作 ............................................ 7
第二章 睡眠呼吸机结构及控制方案确定 ................................ 8
§2.1 睡眠呼吸机的结构 .......................................... 8
§2.2 PID 控制系统 .............................................. 9
§2.3 模糊 PID 控制方案的确定 .................................... 10
第三章 系统硬件设计 ............................................... 12
§3.1 电路原理设计 ............................................. 12
§3.1.1 微处理器及电源部分的设计 ............................. 12
§3.1.2 无刷直流电机驱动电路 ................................. 13
§3.1.3 压差信号处理电路 ..................................... 17
§3.1.4 其他外围电路 .......................................... 18
§3.2 PCB 的设计及输出 .......................................... 20
§3.2.1 软件介绍 ............................................. 20
§3.2.2 原理图和 PCB 的设计 ................................... 20
§3.2.3 输出 PCB .............................................. 23
§3.3 硬件系统搭建 ............................................. 25
第四章 模糊控制系统的设计 ......................................... 26
§4.1 概述 ..................................................... 26
§4.1.1 模糊控制解决的问题 ................................... 26
§4.1.2 模糊控制的发展简史 ................................... 27
§4.2 模糊控制的数学基础 ........................................ 29
§4.2.1 模糊集合 ............................................. 29
§4.2.2 隶属函数 ............................................. 31
II
§4.2.3 模糊向清晰的转换 ..................................... 34
§4.3 模糊 PID 控制系统的结构 .................................... 35
§4.3.1 模糊 PID 控制系统的组成 ............................... 35
§4.3.2 模糊 PID 控制系统的原理 ............................... 36
§4.4 模糊 PID 控制器的设计 ...................................... 38
§4.4.1 模糊 PID 控制器的模糊集合以及隶属函数的确定 ........... 38
§4.4.2 模糊 PID 控制器的模糊规则确定 ......................... 39
§4.4.3 模糊 PID 控制器的推理结果的反模糊化 ................... 42　
第五章 软件程序编写 ............................................... 43
§5.1 单片机 C语言编程概述 ...................................... 43
§5.2 用 C51 进行控制软件设计 .................................... 43
§5.2.1 电机控制程序设计 ..................................... 45
§5.2.2 压力信号采样程序设计 ................................. 45
§5.2.3 模糊 PID 控制器程序设计 ............................... 46
§5.2.4 键盘扫描程序设计 ..................................... 47
§5.2.5 液晶显示程序设计 ..................................... 48　
第六章 实验结果 ................................................... 49
§6.1 测试平台介绍 .............................................. 49
§6.2 实验结果 .................................................. 51
§6.3 实验结果小结 .............................................. 53　
第七章 结束语 ..................................................... 54
§7.1 总结与结论 ................................................ 54
§7.2 不足与展望 ................................................ 54　
附 录 ............................................................. 56　
参考文献 .......................................................... 61　
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 引 言
想想你每天做的事，猜猜看什么事情如此重要以至于要花费你 1/3 的时间去做
它。也许我们第一件想到的是工作，或者和家人一起度过的时光。但是却存在着
其他你不得不做的，而且需要你花费生命中的 1/3 时间的事情，那就是睡眠。人的
一生大约有 1/3 时间是在睡眠中度过的，睡眠是人类不可或缺的基本生命活动之
一。睡眠的好坏直接影响人们的生活质量和工作效率。
随着现代生活节奏的加快及生活方式的改变，各种睡眠障碍性疾患逐渐成为一
个突出的医疗及公共卫生问题而得到人们的关注。根据 2005 年出版的国际睡眠疾
病分类，外在或内在因素导致的睡眠疾病达 90 余种，其中最常见的如失眠、睡眠
呼吸暂停低通气综合症在国人中的患病率均很高。目前国内尚无准确的流行病学
调查报告，但据有关专家估计，我国患有睡眠呼吸障碍疾病的病人高达 4800 万[1]。
§1.1.1 阻塞性睡眠呼吸暂停综合症及治疗手段
美国斯坦福大学睡眠研究中心对睡眠呼吸障碍做了大量的研究，发现睡眠中
持续 10 秒以上的呼吸停止就可以造成患者血液里的氧气明显减少，从而引起机体
缺氧，因此一般将10 秒以上的呼吸停止称为呼吸暂停。正常人在睡眠过程中也会
发生呼吸暂停，但不会对人体造成太大的危害，所以无临床研究的意义。只有当
这种呼吸暂停频繁的发生，且其频率超过每小时 5次以上时，才可由于多次发生
的缺氧和患者反复从睡眠中憋醒，引起一系列的临床变化，医学上称之为阻塞性
睡眠呼吸暂停综合症(Obstructive Sleep Apnea Syndrome , OSAS)。对这种人为的定
义虽然有部分人持有异议，但目前还是被普遍认定为诊断的依据。大量的调查发
现，人群中约1%～4%的人患有该病，以美国为例，估计 2000 万人有睡眠时的呼
吸暂停，30～60 岁的成年人中 1/4 的男性及 1/10 的女性有该病的临床表现。据估
计，全球每天大约有 3000 人死于该病。
阻塞性睡眠呼吸暂停（OSAS）是最常见的睡眠呼吸障碍性疾病，对人类健康
是一个严重的潜在威胁。由于 OSAS 患者睡眠过程中反复出现呼吸暂停、低通气，
所以可导致缺氧和二氧化碳滞留，进而引起临床多器官系统的各种并发症如：高
血压、代谢紊乱、肺动脉高压、肾功能损害、血粘度增高等。具体临床表现与危
害性如表 1-1 所示。
基于 C8051F 单片机的睡眠呼吸机控制系统研究
2
表1-1 阻塞性睡眠呼吸暂停综合症临床表现与危害性
Tab1-1 OSAS Clinical manifestations & harmfulness
临床表现
危害性
睡眠时频繁被憋醒、夜尿增、夜间心绞
痛或心律失常、醒后头痛、头晕、疲乏
无力等症状
由于长期缺氧引起高血压、冠心病、
脑卒、心梗、糖尿病、心脑血管等疾
病
目前，治疗 OSAS 的主要手段有：外科手术治疗、药物治疗和持续气道正压
通气(continuous positive airway pressure, CPAP)呼吸机治疗。外科手术治疗主要包
括气管切开术、悬雍垂腭咽成形术、激光辅悬雍垂腭咽成形术、硬腭部分切除软
腭前移咽成形术、中线舌根及会厌部分切除术。其缺点是存在术后并发症；药物
治疗的效果甚微；应用持续气道正压通气治疗能有效消除由于上气道阻塞引起的
睡眠呼吸暂停和低通气，使低氧血症得以纠正,白天嗜睡等症状得以缓解,目前已成
为治疗阻塞性睡眠呼吸暂停综合症的首选方法[2]。
睡眠呼吸暂停发生的关键在于上气道的狭窄或阻塞，因此治疗OSA的各种睡眠
呼吸机均基于这样一种基本愿理：在患者睡眠时，以机械通气的方式，提供适当
的气道正压，撑开气道以保证呼吸气流畅通，以达到消除呼吸暂停事件的目的[3-5]。
CPAP睡眠呼吸机是治疗OSAS最简单的机器，典型的CPAP睡眠呼吸机结构如图1-1
所示，它由电机带动风机将过滤后的空气增压后持续不断的送给患者。其中风机
是睡眠呼吸机的核心部件，由一个无刷直流电机带动微涡轮叶片组成。由于要在
患者入睡时使用，并且相应患者每次呼吸的变化调节电机的转速。所以要求电机
要具有响应速度快，使用寿命长，噪声小等特点。具体电机的选用将会的第三章
进行介绍。
第一章 绪论
3
图1-1 CPAP 呼吸机原理框图
Fig1-1 Illustration of an OSAS treatment system used by CPAP
§1.1.2 睡眠呼吸机发展简史
1981 年，澳大利亚沙利文（Sullivan）教授首次使用持续气道正压（CPAP）
方法治疗 OSAS，并取得了良好的效果[6]。之后在其他医学中心也得陆续应用，逐
渐证实了利用 CPAP 治疗 OSAS 不仅短期有效，长期使用 CPAP 睡眠呼吸机治疗还
可防止 OSAS 其他并发症的发生。第一代商业化的CPAP 睡眠呼吸机大约出现在
1982 年，无压力传感器，电动机转速恒定，患者治疗时压力波动较大，呼气时明
显感到费力，有憋闷感。第二代 CPAP 睡眠呼吸机出现在 2000 年左右，增加了压
力传感器，呼气时电动机转速会降低，治疗时的气道压力相对稳定，舒适度有所
提高，但是患者呼气时仍需克服较大的肺部做功。第三代 CPAP 睡眠呼吸机大约出
现在 2004 年，其具备了判断患者呼气相，并主动释放呼气阻力的功能，使用舒适
度较高[7]。三代 CPAP 睡眠呼吸机治疗时面罩端的压力曲线如表 1-2 所示。
电源输入
模块
微处理器
存储器
接口
接
口
键
盘
变压器
整流器
DC 输
入
压力传感器
至病人
空气
过滤
器
风机
空气
电源
流量传感器
电磁阀
PC 主控板
基于 C8051F 单片机的睡眠呼吸机控制系统研究
4
表1-2 三代 CPAP 治疗时面罩端压力曲线
Tab1-2 The treatment pressure curve in the mask position of three generations CPAP
第一代 CPAP 面罩端压力
第二代 CPAP 面罩端压力
第三代 CPAP 面罩端压力
无压力感应控制，压力波
动大，面罩端表现为吸气
时压力降低，呼气时压力
升高，使用者呼吸做功较
大，有较强的憋闷感，舒
适性差
增加了压力感应装置，降
低了压力波动，提高了舒
适性，但呼气相压力仍有
上升，患者呼气时仍需较
大的肺部做功
主动降低呼气相压力，从而
大大降低呼吸做功，显著提
高治疗舒适性和顺应性
§1.1.3 睡眠呼吸机发展现状
持续气道正压呼吸机治疗睡眠呼吸疾病刚刚经过 20 多年的发展，美国、德国、
日本等发达国家发展较快，现在已研制出了持续正压呼吸机、自动持续正压呼吸
机、双水平正压呼吸机等机型，但这些机型的控制器都采用传统控制方法设计的。
模糊控制技术和算法的研究近年来开展得十分活跃，各种研究成果和产品不断出
现。模糊控制和智能控制技术在睡眠呼吸机方面的研究和应用，目前各国都处在
刚刚起步阶段。国内学者目前都处于探索性研究阶段，尚未见到相关研究成果的
报道。在国内呼吸机市场上，由于国内设计生产技术水平较低，市场上所见到的
高档呼吸机都为国外厂商生产。表 1-3 为国外呼吸机发展状况。目前市场上三大流
行品牌——Resmed(瑞思迈), Puritan Bennett(泰科星辰)和Respronics (伟康)以及瑞
典博雅 Brea，德国 Hoffrichter。
摘要：

I目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论.......................................................1§1.1引言.....................................................1§1.1.1阻塞性睡眠呼吸暂停综合症及治疗手段....................1§1.1.2睡眠呼吸机发展简史....................................3§1.1.3睡眠呼吸机发展现状....................................4§1.1.4睡眠呼吸机发展趋势....

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