Design of an painless delivery inspirator Based on single-chip microcomputer
摘要  介绍了一种镇痛气体吸入器的设计及实现方法。该吸入器采用AT89C55WD 单片机为控制核心，具备吸入气体流量实时显示，压力、流量双重触发。文中介绍了吸入器的系统组成和电路组成, 并对单片机系统硬件结构及软件设计作了具体说明。
关键词  单片机；AT89C51WD；镇痛；
Abstract: This paper have introduced the design of an painless delivery inspirator. This inspirator based on AT89C555WD single - chip microcomputer. In this article,
have to suck in gas rate of flow for control core, show , pressure , rate of flow double trigger. The writing intermediary Shao system that sucks in ware forms with circuit composition, as single - chip microcomputer systematic hardware structural and software design is made specific explanation.
Key words: single-chip microprocessor; AT89C51WD; Analgesia
1、引言
 如何使产妇清醒、无痛苦地分娩、诞生新的生命为人们所追求，无痛分娩也是产科临床急待解决的一个重要课题。经过长期的探索和研究，国内外临床目前已普遍采用吸入笑气进行分娩镇痛。通过临床研究应用表明：笑气分娩镇痛与其它分娩镇痛方法相比，具有下列优点：①镇痛效果好，能大大缩短产程；②不影响分娩方式，不抑制胎儿呼吸及循环功能，不增加产后出血量，安全，无明显剧反应；③产妇始终保持清醒，能主动配合完成分娩；④显效快，作用消失亦快，无蓄积作用；⑤有甜味，无呼吸道刺激，产妇乐意接受；⑥使用方便，不需专职麻醉师，可达到理想的分娩镇痛要求。
镇痛气体（笑气）的吸入目前在临床上一般通过机械按需阀来简单控制，无法进行吸入气体的流量触发、显示与控制，而只能进行简单的操作。由于产妇对疼痛感觉不一，易造成产妇吸入过量或吸入不足，难以满足产妇镇痛的需要。为此，我们研制了采用单片机控制的镇痛气体吸入同步装置，较好的解决了机械按需阀控制存在的问题。
2 结构与原理
 该吸入器装置由气路及控制电路两部分组成，图1是整个装置的结构框图。由压缩钢瓶提供的压缩安桃乐（ENTONOX）气体（内含50％笑气和50％氧气），经减压阀将混合气体的压强减至0.2MPa，送往流量控制阀。流量阀的开启由产妇通过呼吸面罩自主吸气触发，触发方式可为吸气压力触发或流量触发双重方式，通过单片机对吸气压力、吸气流速的检测，控制流量阀的启闭，满足产妇对镇痛气体的吸入量要求，同时送气量由装置上的数码管实时显示。当钢瓶内混合气体压力过低或停电时吸入器能立即产生声光告警，提醒使用者注意。装置还设有手动送气按钮，在停电后的应急处理中，可利用手动按钮方式送气。

图1 系统结构框图
该吸入器主要性能如下：
1.同步触发压力：-0.15kPa，允差±15%；
2.流量触发灵敏度：0.3L/min，允差±15%；
3.供气压力不足报警：不大于0.05MPa；
4.气量范围：50～1000ml／次；
5.减压器限定输出压力：0.2Mpa，允差±15%；
6.手控阀进气口径Ф1.2mm；手控输出流量不小于400ml/次；
7.断电报警：立即报警，持续时间不小于120S；
3 硬件结构设计
本系统硬件主要由单片机、键盘、显示数码管、A／D转换芯片、流量电磁阀、供气压力传感器、气道压力传感器、气体流量传感器及声光报警等部分电路组成。
单片机因其功能丰富，软件设计灵活，体积小且价格低廉，工作可靠性高，在医疗器械设备上得到了广泛的应用。本设计采用了ATMEL公司生产的AT89C55WD单片机作为其中央控制器，通过相应的外围电路及软件实现装置所需的功能。
3.1单片机
 AT89C55WD是一种Flash  Rom型单片机，它包含了一个8位CPU、20KB的程序存储器、256字节RAM、4个并行I／O口、一个全双工串行口，3个16位定时/计数器、6个中断源等功能部件，资源丰富，功能强大。由于软件设计十分方便，通过软件设计，在一定程度上可简化硬件电路，增强工作性能。考虑到吸入器装置不间断工作的要求及其它设备干扰的可能性，设计中必须考虑多种抗干扰措施，防止程序意外跑飞，出现死机。本设计中除软件上考虑抗干扰的措施外，还充分利用了AT89C55WD片内的看门狗功能，以提高装置的可靠性。
3.2压力传感器
 吸入器需要检测的压力包括压缩钢瓶输出的镇痛气体供气压力和产妇吸气产生的气道压力。气道压力传感器采用的是Honeywell公司生产的40PC系列微压传感器，压力检测范围为±1psi。它将呼吸通道内的供气及吸气压信号，经A／D转换并通过软件平滑滤波，滤除杂波及干扰信号后，送往AT89C55WD单片机，由单片机据此压力信号值检测产妇的吸气信号，通过指令产生开阀动作。
 供气压力传感器采用了摩托罗拉公司生产MPX5700，其检测压力范围为0~700Kpa。单片机通过此传感器及A/D转换电路，检测进入流量阀的混合气体供气压力，当压力低于0.05Mpa后，立即产生压力不足声光报警。
3.3 流量传感器
 为了即时精确地反映镇痛气体流量的大小及对气量的控制，装置中必须采用流量传感器来监测供气量的流速和流量。由于常规的旋翼式流量传感器存在准确度低、复现性差，易损坏、使用寿命短等缺陷，为此，我们选用了Honeywell公司生产的大流量气体质量传感器，该传感器测量流量大(0～200SLPM)，体积小、精度高，且内部含放大、线性修正，温度补偿和气体标定等功能，为高精度控制提供保证。流量传感器采集的信号同样也经A／D转换、软件滤波后送单片机处理。
3.4 显示和报警
 本吸入器安排了4个数码管用于动态显示实时的通气量，另安排有3个发光二极管，分别用于显示自主吸气时的同步状态、供气压力过低及停电报警等状态。
 当孕妇将呼吸面罩紧罩鼻嘴部自主吸气时，单片机通过气道压力传感器及流量传感器检测到压力和流速的变化，发出开阀指令，同时点亮同步状态指示发光二极管，并通过数码管实时显示送气量。在孕妇单次吸气达到所需气量，单片机检测到气体流量的减小趋势后，及时关闭流量阀及同步指示发光二极管，进入待命状态，等待下一次的吸气触发。在“安桃乐”钢瓶气体压力降至0.05Mpa以下时，单片机通过压力传感器检测到此工作压力的下限，此时能发出压力不足声光报警，提醒用户需要更换气体钢瓶。当停电或吸入器发生故障时，吸入器立即发出停电声光报警，提醒用户改用手控铵钮通气。
4 软件结构设计
 本机软件采用Keil公司的Keil C51编写，Keil C51是目前用于51内核单片机的最新编程高级语言，运用其丰富的库函数和复杂运算能力，可以弥补汇编语言编写单片机程序的许多不足，而且最终生成的目标代码在经过优化后和采用汇编语言编制的程序相差不大。采用Keil C51可以使编程人员从汇编语言编程的繁琐工作中解脱出来，专心于写出更优化、规范的程序。
 本装置的软件主要完成以下的工作：
⑴、系统初始化
⑵、供气压力、气道压力及流量数据采集处理
⑶、流量阀及流量控制
⑷、告警检测及处理
⑸、显示刷新
系统软件流程框图如图2所示。系统软件包含了主程序和中断服务子程序，其流程框图如图2、图3所示。中断服务子程序主要完成各压力、流量传感器扫描、数据采集及系统定时等。主程序按照中断服务子程序所采集的压力、流量等数据并结合时序等参数，经运算处理后控制电磁阀的开启和关闭，完成相应镇痛气量的输出任务。
5 结论
 本文讨论的镇痛气体吸入器的设计，充分发挥了AT89C55WD单片机的硬件资源，使外围硬件电路简单、工作可靠。在程序编制中，利用C51 语言功能强大的优势，发挥其运算控制能力强的特点，大大提高了镇痛气体送气的控制效果，使吸入器整体性能及可靠性得到提高。
该产品可用于临床分娩、流产吸引、ICU病房及骨、外科手术的术中及术后的镇痛、大面积烧伤及外科病人疼痛性休克等。操作直观、简洁、方便，解决了常规机械式镇痛吸入器气量不能精确控制的缺陷。该机研制成功后，经国内权威医疗检测中心检测、多家医院临床试用后，已由国家食品医疗管理局颁发了市场准入证，目前已进入国内多家医院使用，用户反映良好。
本文作者创新点：较常规的机械控制通气不同，该吸入器装置利用单片机控制技术，采用了智能控制通气方式，电磁阀的启闭根据使用者的吸气量自动控制，能做到由病人自主控制，按需送气，可靠性高，使镇痛气体用量减至最少，吸入器性能得到较大提高。

参考文献：
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5、莫钊，等。基于单片机控制的同步呼吸机设计，微计算机信息，2006年第22卷第9-2期
作者简介：莫　钊(1957－) , 男,（壮族），广西南宁人, 南昌工程学院电气与电子系副教授。主要从事单片机控制和检测技术。
通信地址：江西省南昌市天祥大道289号
南昌工程学院电气与电子工程系 莫钊
邮编：330099

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