薛加鵬， 蔣全勝， 江明明， 丁桂洋

(蘇州科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

智能低氧呼吸訓(xùn)練裝置自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薛加鵬， 蔣全勝， 江明明， 丁桂洋

(蘇州科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

針對(duì)在平原地區(qū)模擬高原低氧環(huán)境訓(xùn)練的需求，提出了一種低氧呼吸訓(xùn)練裝置控制系統(tǒng)?；贚abVIEW平臺(tái)，對(duì)訓(xùn)練環(huán)境的氣壓、溫度和含氧量等參數(shù)進(jìn)行采集和運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄和顯示；采用位置式PID算法對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化進(jìn)行整合，進(jìn)一步提高了控制精度。結(jié)果表明，該裝置能夠模擬高原不同海拔低氧環(huán)境，實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

智能； 控制系統(tǒng)； 傳感器； PID算法； LabVIEW； 人機(jī)界面

0 引言

低氧呼吸訓(xùn)練能夠挖掘運(yùn)動(dòng)員的機(jī)體潛能，也可以對(duì)手術(shù)病人進(jìn)行術(shù)前適應(yīng)訓(xùn)練，從而降低病人的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。另外，高原作業(yè)者(如登山員、高原鐵路建設(shè)工人)可以通過(guò)低氧訓(xùn)練，適應(yīng)高原的惡劣環(huán)境[1-2]。本文設(shè)計(jì)的呼吸訓(xùn)練裝置是一種低氧訓(xùn)練或醫(yī)用的低氧供氣系統(tǒng)，能夠在平原模擬貧氧的高海拔山區(qū)環(huán)境。該裝置利用LabVIEW平臺(tái)作為上位機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)節(jié)采集的數(shù)據(jù)；采用單片機(jī)作為下位機(jī)，單片機(jī)和計(jì)算機(jī)采用串口雙向通信[3-5]。

本裝置是將加壓的清潔空氣通過(guò)膜分離單元過(guò)濾部分氧氣，得到貧氧空氣供訓(xùn)練者使用，是一種物理式的低氧發(fā)生系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)根據(jù)對(duì)訓(xùn)練環(huán)境的氣壓、溫度和含氧量等參數(shù)進(jìn)行采集和運(yùn)算，以穩(wěn)定輸出滿(mǎn)足不同海拔高度要求的產(chǎn)品氣供用戶(hù)使用。

1 低氧呼吸控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

首先，外部空氣通過(guò)初步過(guò)濾進(jìn)入空氣壓縮機(jī)進(jìn)行加壓；然后通過(guò)精細(xì)過(guò)濾，去除油、水蒸氣、細(xì)小灰塵等雜質(zhì)，進(jìn)行壓力控制，同時(shí)通過(guò)加熱器適當(dāng)提高氣體溫度，進(jìn)入膜分離單元進(jìn)行氮氧分離，得到貧氧富氮的空氣；最后輸出給呼吸面罩，供用戶(hù)使用。該裝置系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

當(dāng)用戶(hù)打開(kāi)面罩(或直接啟動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)關(guān))時(shí)，流量控制閥根據(jù)需要對(duì)輸出的氣體流量進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。

圖1 裝置系統(tǒng)工作原理圖

1.2 控制方案

控制方案采用單片機(jī)作為下位機(jī)，LabVIEW平臺(tái)作為上位機(jī)。單片機(jī)通過(guò)串口電路MAX232轉(zhuǎn)換之后，能夠和計(jì)算機(jī)進(jìn)行雙向通信。計(jì)算機(jī)既可以通過(guò)單片機(jī)接收采集的信息，又可以發(fā)送指令控制單片機(jī)調(diào)節(jié)溫度和壓力。該控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)的總控制電路包括溫度控制單元、壓力控制單元和串口電路三個(gè)主要部分。串口通信電路采用MAX232轉(zhuǎn)換之后，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。

1.3 壓力控制

采用PI比例積分調(diào)節(jié)電路控制外部繼電器的閉合，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力閥的控制。壓力控制電路中，R12連接ATMEGA16單片機(jī)的PC2端口，壓力傳感器分別連接ATM單片機(jī)的PA5和PA7端口。當(dāng)R12連接的單片機(jī)引腳通電時(shí)，控制電路接通。根據(jù)PI調(diào)節(jié)電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，控制外部壓力閥繼電器的閉合，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)氣體管道中壓力的精確調(diào)節(jié)和控制。壓力控制回路如圖3所示。

圖3 壓力控制回路

圖3中，采用壓力控制回路能夠及時(shí)調(diào)整參數(shù)，傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)的壓力參數(shù)，通過(guò)單片機(jī)上傳到LabVIEW平臺(tái)。經(jīng)過(guò)LabVIEW參數(shù)的運(yùn)算，發(fā)出對(duì)壓力控制的調(diào)整指令。通過(guò)單片機(jī)把指令傳送到執(zhí)行元件壓力傳送器，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的回路控制。

1.4 溫度控制

系統(tǒng)采用兩個(gè)DS18B20溫度傳感器，分別連接在單片機(jī)的PB5和PB7引腳上。傳感器的VCC引腳接+5 V，GND接地。DQ通信接口引腳， 因此該傳感器只需要一根連線就可以和單片機(jī)通信。單片機(jī)通過(guò)通信接口，連接傳感器讀取數(shù)據(jù)。該傳感器的精度滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)溫度采集的準(zhǔn)確性需求。溫度控制回路如圖4所示。

圖4 溫度控制回路

溫度加熱電路采用脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)技術(shù)。當(dāng)U5接通時(shí)，加熱電路接通。連接的單片機(jī)引腳通電，U5中的發(fā)光二極管導(dǎo)通，在一旁的光敏電阻接收到光線，則光敏電阻導(dǎo)通。此時(shí)加熱電路接通，并且加熱絲開(kāi)始工作。利用U5可以實(shí)現(xiàn)光電隔離保護(hù)電路的作用。加熱電路是高壓電路，而控制電路是低壓電路。采用U5實(shí)現(xiàn)電路的隔離，可起到保護(hù)作用。

2 LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主界面主要分為四個(gè)部分：顯示區(qū)、設(shè)定區(qū)、記錄區(qū)和警報(bào)區(qū)。

利用波形圖表顯示控件時(shí)刻監(jiān)控含氧量的變化趨勢(shì)，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊歷史記錄按鈕，可以將檢測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)寫(xiě)入表格，以便后期的科學(xué)研究和數(shù)據(jù)查詢(xún)。點(diǎn)擊查詢(xún)數(shù)據(jù)按鈕，可以自動(dòng)調(diào)出已經(jīng)記錄的數(shù)據(jù)，并且能夠生成波形圖表，以便操作者直觀地觀察數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。

PID控制單元是嵌入在主面板的子VI，能夠獨(dú)立運(yùn)行。本軟件的設(shè)計(jì)以壓力PID控制為例，采用精確的PID控制算法，以獨(dú)立的VI程序?qū)Σ杉臏囟刃畔⑦M(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并利用實(shí)際值和預(yù)設(shè)理論值的偏差對(duì)壓力進(jìn)行精確、有效的調(diào)節(jié)。

2.2 模擬海拔高度設(shè)定

基于LabVIEW平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了模擬海拔高度的模塊。用戶(hù)可以方便地設(shè)定所需海拔高度，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出相應(yīng)的氣壓、含氧量和溫度等參數(shù)。

系統(tǒng)需要確定模擬海拔高度的氣壓、氧氣含量和溫度等環(huán)境參數(shù)。平原地區(qū)的平均大氣壓一般為101 kPa。

高海拔地區(qū)的氣壓計(jì)算公式如下：

(1)

式中：P0為標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓值，P0=101 kPa；P為要求的大氣壓強(qiáng)；H為模擬的海拔高度。

氧氣含量也可以通過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(P0-6.2)×CO2=(P-6.2)×20.9%

(2)

式中：P0為標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓值，P0=101 kPa；P為要求的大氣壓強(qiáng)；CO2為要求的氧氣含量值。

3 壓力PID控制

基于比例-積分-微分(PID)算法的控制器是目前應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)用控制器之一，其在航天、冶金、機(jī)械等行業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛[6-8]。

PID控制器的原理是計(jì)算實(shí)際測(cè)量值與設(shè)定的需求值之間的偏差e，進(jìn)行相應(yīng)的PID運(yùn)算后將結(jié)果轉(zhuǎn)化成輸出控制信號(hào)，進(jìn)一步施加到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。其優(yōu)勢(shì)是控制精度較高，對(duì)外界數(shù)據(jù)的變化量反應(yīng)迅速、控制準(zhǔn)確有效。

PID的函數(shù)表達(dá)式為：

(3)

轉(zhuǎn)換成傳遞函數(shù)為：

(4)

式中：Kp為比例環(huán)節(jié)的系數(shù)；Ti為積分環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)；Td為微分環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。

設(shè)u(k)為第k次采樣時(shí)刻控制器的輸出值，采用位置式PID算法的公式為：

式中:k為采樣的次數(shù)；e為偏差值；u為輸出；Kp、Ki、Kd分別為需要在界面設(shè)定的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。

本控制系統(tǒng)主要通過(guò)LabVIEW軟件平臺(tái)，采用LabVIEW內(nèi)部函數(shù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)算法的運(yùn)算和調(diào)節(jié)。在軟件編程上，通過(guò)采集每個(gè)時(shí)間段上的數(shù)據(jù)并和設(shè)定值進(jìn)行比較，計(jì)算出偏差值。通過(guò)LabVIEW循環(huán)結(jié)構(gòu)中的移位寄存器，記錄每次比較的偏差值，代入下一循環(huán)進(jìn)行參數(shù)的運(yùn)算。

系統(tǒng)壓力PID控制效果如圖5所示。

圖5 壓力PID控制效果示意圖

程序設(shè)計(jì)中，將位置式PID計(jì)算公式編程寫(xiě)入程序的數(shù)據(jù)流中，實(shí)現(xiàn)及時(shí)調(diào)整和修正運(yùn)行參數(shù)的目的。同時(shí)，通過(guò)循環(huán)結(jié)構(gòu)中的移位寄存器，將累計(jì)的偏差e和累計(jì)積分保存到下一個(gè)循環(huán)中，實(shí)現(xiàn)了公式中e(k)-e(k-1)和累計(jì)積分的運(yùn)算。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從低氧呼吸訓(xùn)練領(lǐng)域的市場(chǎng)需求出發(fā)。設(shè)計(jì)了一種用于低氧呼吸訓(xùn)練或低氧保健醫(yī)療的智能化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)基于LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)環(huán)境，運(yùn)用G語(yǔ)言的圖形化編程，對(duì)管道空氣的氣壓、溫度和含氧量等參數(shù)進(jìn)行采集和運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)；通過(guò)單片機(jī)控制技術(shù)，以及PID算法的應(yīng)用，提高了系統(tǒng)參數(shù)的控制精度。該低氧呼吸裝置控制系統(tǒng)能夠模擬不同海拔高度的高原空氣環(huán)境，一方面，可幫助高原作業(yè)者通過(guò)訓(xùn)練來(lái)適應(yīng)嚴(yán)重的高原反應(yīng)；另一方面，可以給平原地區(qū)運(yùn)動(dòng)員提供貧氧的訓(xùn)練環(huán)境，以激勵(lì)和提升人體機(jī)體潛能，取得了較好的訓(xùn)練效果。

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Design of Automatic Monitoring and Control System for Intelligent Hypoxic Breathing Training Device

XUE Jiapeng，JIANG Quansheng，JIANG Mingming，DING Guiyang

(School of Mechanical Engineering,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215009，China)

Aiming at the demands for simulating the high altitude hypoxia environment training in the plain area,the design scheme of control system for the hypoxic breathing training device is put forward.Based on LabVIEW platform,the atmospheric pressure,temperature and oxygen content and other parameters of the training environment are collected and operated,to achieve real-time recording and displaying of the training data; the variation of system parameters is integrated by using positional PID algorithm,and the control precision is improved in further.The results show that the device can simulate hypoxia environment of plateau at different altitudes,and realize automatic regulation and control of system parameters,it has good applicable values.

Intelligence; Control system; PID algorithm; LabVIEW; Human-computer interface

蘇州科技學(xué)院科研基金資助項(xiàng)目(XKZ201408)

薛加鵬(1995—)，男，在讀本科生，主要從事機(jī)電設(shè)備自動(dòng)控制方向的研究。E-mail：297060663@qq.com。 蔣全勝(通信作者)，男，博士，副教授，主要從事機(jī)電設(shè)備自動(dòng)控制與信號(hào)處理、故障診斷等方向的研究。E-mail：qschiang@163.com。

TH7；TP272

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702007

修改稿收到日期:2016-08-15