专利名称：一种潜水员空气潜水水下呼吸频率和心率的检测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于医疗技术领域，具体涉及一种潜水员空气潜水水下呼吸频率和心率的检测装置。
背景技术：
在海上援潜救生、海洋资源勘探开发、水下施工作业等中，潜水作业已成为重要的手段。在潜水作业时，水温、水压、水流等水下环境因素以及供氧系统常对潜水员的生理系统产生影响，稍有不慎极易发生潜水作业事故。为了确保潜水安全，除了全面了解潜水作用地环境信息和确保潜水装备可靠性外，若能在潜水作业时实时监控和/或记录潜水员的生理指标(尤其是呼吸频率、心率情况)，将会有利保障潜水员的生命安全，极大地避免潜水作业事故的发生。但现有呼吸频率和心率检测仪器均难以满足水下检测的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种方便可靠的潜水员水下呼吸频率和心率的检测装置，能满足水下环境因素、潜水员的舒适程度和仪器应易于装配的要求，实现在潜水作业时实时监控和记录潜水员的呼吸频率和心率指标。为此，本发明公开了一种潜水员空气潜水水下呼吸频率和心率的检测装置，其特征在于其包括呼吸传感器、呼吸检测前置放大电路、心率传感器、心率检测前置放大电路、 低通滤波器、二级放大器、微处理器、存储器和电源，所述呼吸传感器通过呼吸检测前置放大电路、所述心率传感器通过心率检测前置放大电路分别与低通滤波器连接，低通滤波器、 二级放大器、微处理器依次连接，存储器连接微处理器，电源分别与呼吸传感器、呼吸检测电路、心率传感器、心率检测电路、低通滤波器、二级放大器、微处理器、存储器连接供电。在一些实施例中，所述呼吸传感器为绝压式硅压阻电桥式传感器，其中优选规格为0 2MPa的超小型压力传感器；在一些实施例中，所述呼吸检测前置放大电路固定于耐压盒内，所述耐压盒通过 MlO螺纹和防水橡胶垫圈，安装在一级减压器的低压出口上。在一些实施例中，所述心率传感器为红外传感器，其包含红外心率检测仪和红外探头，红外心率检测仪绑定在潜水员的小臂或小腿上，红外探头缠在手指或脚趾上，通过线缆连在心率检测仪上。在一实施例中，所述呼吸检测前置放大电路为AD620差分放大电路；在一实施例中，所述心率检测前置放大电路为LM3M集成运放的光电流放大电路；在一些实施例中，所述微处理器为C8051F340单片机；在一实施例中，所述低通滤波器为二阶巴特沃斯低通滤波器，其转折频率为7Hz。在一实施例中，所述电源为锂电池；
在一实施例中，所述锂电池通过充电与电量测量电路与微处理器连接，通过一线通讯协议与微处理器通信，由微处理器读出锂电池当前电压与剩余电量等参数。在一些实施例中，所述存储器为TF卡，方便更换，较使用闪存芯片可靠性更高。为了记录数据开始采集的时间，在一些实施例中，所述检测装置还含有万年历芯片，万年历芯片以1 通信协议与微处理器连接，直接由锂电池供电，不经过电源开关，以保证芯片不会失电，保持正确的时钟与日历。为在一些实施例中，所述检测装置还含有通讯模块，与微处理器连接，以便能实时监控潜水员的呼吸频率和心率指标。本发明所述检测装置具有结构简单、功耗低，速度快等特点，能够实时测量人体的呼吸、心率参数，能满足水下环境因素、潜水员的舒适程度和仪器应易于装配的要求，实现在潜水作业时实时监控和/或记录潜水员的呼吸频率和心率指标，为监控与回顾潜水员在水下时的生理状态和诊断治疗提供支持。
图1本发明所述检测装置--实施例的结构示意图。
图2本发明所述检测装置--实施例的呼吸检测前置放大电路。
图3本发明所述检测装置--实施例的心率检测前置放大电路。
图4本发明所述检测装置--实施例的低通滤波与二级放大电路。
图5本发明所述检测装置--实施例的TF卡与C8051F340的接口电路。
图6本发明所述检测装置--实施例的充电管理与电量测量电路。
图7本发明所述检测装置--实施例的电压转换电路。
图8本发明所述检测装置--实施例的数字与模拟电路隔离。
图9本发明所述检测装置--实施例的万年历电路。
图10本发明所述检测装置-一实施例的微处理器电路。
图11本发明所述检测装置-一实施例的系统流程图。
具体实施例方式以下结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。一种潜水员空气潜水水下呼吸频率和心率检测装置，其特征在于其包括呼吸传感器、呼吸检测前置放大电路、心率传感器、心率检测前置放大电路、低通滤波器、二级放大器、微处理器、存储器和电源，所述呼吸传感器通过呼吸检测前置放大电路、所述心率传感器通过心率检测前置放大电路分别与低通滤波器连接，低通滤波器、二级放大器、微处理器依次连接，存储器连接微处理器，电源分别与呼吸传感器、呼吸检测电路、心率传感器、心率检测电路、低通滤波器、二级放大器、微处理器、存储器连接供电；所述检测装置还含有万年历芯片，万年历芯片以1 通信协议与微处理器连接，直接由锂电池供电；(如图1所示)
所述呼吸传感器为绝压式硅压阻电桥式传感器，其中优选规格为0 2MPa的超小型压力传感器；所述呼吸检测电路固定于耐压盒内，所述耐压盒为铜质圆筒形，通过MlO螺纹和防水橡胶垫圈，安装在一级减压器的低压出口上。潜水气瓶打开后，潜水员不吸气时中压一般保持在IMPa左右，呼吸会导致中压下降0. 2 0. 3MPa。考虑到压强测量范围要留有余量，选用sekuo公司的超小型压力传感器 SP-8，规格为0 2MPa。该传感器具有精度高，价格低的特点，此前一般用于汽车轮胎内气压测量。所述心率传感器为红外传感器，其包含红外心率检测仪和红外探头，红外心率检测仪绑定在潜水员的小臂或小腿上，红外探头缠在手指或脚趾上，通过线缆连在心率检测仪上。红外传感器选用一般用于医院血氧仪上的血氧探头。呼吸检测前置放大电路如图2SP-8本质上是个电桥，桥臂电阻随压强变化而变化。本发明采用仪表放大器 AD620来检测电桥输出的差分信号。AD620具有功耗低、精度高等特点，适合便携式的检测设备使用。AD620的增益公式为G= G9.4kQ/R35)+l，只用一个外接电阻即可准确地设定
增 ο本发明采用单电源供电。因此，需给AD620的5脚REF提供2.5V基准电压。本发明采用AD705构成电压跟随器来生成2. 5V基准源。心率检测前置放大电路心率检测前置放大电路见图3。JK4为心率传感器接口。5V电源通过R32点亮红外发射管。四运放芯片LM324的C运放构成电压跟随器，8脚输出2.5V基准源。因为运放的“虚断-虚短”特性，LM324的2、3脚电位也为2. 5V，红外接收管此时处于短路工作状态， 其短路电流全部流过IM的反馈电阻R33，故红外接收管ηΑ级的电流变化会导致1脚mV级的电压变化。需说明的是，一、必须将红外探头的屏蔽线与电路板模拟地相连，可有效减少电磁干扰。二、通常还有检测红外接收管的光电压随红外线强弱变化而变化的检测方式。经试验，检测短路电流的方式较灵敏，易于调试。低通滤波与二级放大为抑制噪声干扰，在进行A/D采样之前，还需要对信号进行滤波，本文采用二阶巴特沃斯低通滤波器，设计出转折频率为7Hz。滤波后还需进行二级放大，以增大信号变化幅度。具体电路如图4。TF卡电路为使数据采集系统能记录较长时间的被测物理量，数据存储器应具有较大的容量和较低的功耗。同时为与现场环境下的采样频率相匹配，对数据存储器的读写速度也有相应要求。本发明采用KingMon公司生产的TF卡(容量2G)，TF卡具有高容量、高性能和安全性高等特点，其工作电压为2.7 3. 6V。本发明设计TF卡工作在SPI模式。TF卡与 C8051F340的接口电路如图5所示。供电与电量测量电路本发明是便携式的，因此选用单节锂电池供电，容量是MOO毫安时，充足电时电压是3. 7V。为了能给锂电池充电和精确测量锂电池剩余电量，本发明采用DS2770设计了锂电池充电与电量测量电路，见图6。没有工作时，仪器由USB接口供电，DS2770按照一定的程序给锂电池充电。通过测量0. 1欧的精密电阻R12两端电压，得到电池电流，进而求得锂电池剩余电量。DS2770通过一线通讯协议与C8051F340 通信，由C8051F340读出锂电池当前电压与剩余电量等参数。本发明需要两路电压3.3V和5V，以满足不同芯片的工作要求，且要求供电电流不低于20mA。锂电池电压为3. 7V，通过LTC1754-3. 3V进行DC-DC转换得到3. 3V，通过 LTC1754-5V进行DC-DC转换得到5V，如图7。另外，本发明分数字电路和模拟电路两部分。为了减少数字部分对模拟电路的干扰，应用磁珠严格隔离模拟电路和数字电路的电源和地。见图8.万年历电路为了能记录数据开始采集的时间，本发明设计了万年历模块。万年历芯片为 PCF8563T，直接由锂电池供电，不经过电源开关，以保证芯片不会失电，保持正确的时钟与日历。PCF8563T与C8051F340的通信协议为I2C。电路见图9。微处理器本发明的处理器是低功耗C8051F340单片机，广泛使用在便携式的设备中。 C8051F340采用CIP-51内核，速度达25MIPS ；有多个16位通用定时器及电压比较器；在片内集成了多路ADC，使得片外功能器件得以最大程度的减少，缩短了系统研发周期。采用内置的A/D模块进行呼吸压力、心率的采样。见图10。系统软件设计硬件系统的软件设计主要包括单片机初始化、万年历芯片初始化、TF卡初始化、 USB初始化、呼吸或心率信号采样、电量读取程序、USB通讯程序等模块。系统流程图如图 11。单片机初始化时设置单片机时钟为48Mhz，四分频为12Mhz作为单片机的系统时钟。定时器T2作为A/D的启动时钟。定时时间为50ms，2个计数共IOOms进行一次A/D转换，20次转换对文件进行一次写操作。本系统采用FAT32格式管理TF卡上的文件，因此TF 卡在放入检测仪前需用读卡器在计算机上快速格式化为FAT32格式。本发明的范围不受所述具体实施方案的限制，所述实施方案只作为阐明本发明各个方面的单个例子，本发明范围内还包括功能等同的方法和组分。实际上，除了本文所述的内容外，本领域技术人员参照上文的描述和附图可以容易地掌握对本发明的多种改进。所述改进也落入所附权利要求书的范围之内。上文提及的每篇参考文献皆全文列入本文作为参考。
权利要求
1.一种潜水员空气潜水水下呼吸频率和心率的检测装置，其特征在于其包括呼吸传感器、呼吸检测前置放大电路、心率传感器、心率检测前置放大电路、低通滤波器、二级放大器、微处理器、存储器和电源，所述呼吸传感器通过呼吸检测前置放大电路、所述心率传感器通过心率检测前置放大电路分别与低通滤波器连接，低通滤波器、二级放大器、微处理器依次连接，存储器连接微处理器，电源分别与呼吸传感器、呼吸检测电路、心率传感器、心率检测电路、低通滤波器、二级放大器、微处理器、存储器连接供电。
2.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述呼吸传感器为绝压式硅压阻电桥式传感器。
3.如权利要求2所述的检测装置，其特征在于所述绝压式硅压阻电桥式传感器为规格为0 2MPa的超小型压力传感器。
4.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述呼吸检测前置放大电路固定于耐压盒内，所述耐压盒通过MlO螺纹和防水橡胶垫圈，安装在一级减压器的低压出口上。
5.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述心率传感器为红外传感器，其包含红外心率检测仪和红外探头。
6.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述微处理器为C8051F340单片机。
7.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述低通滤波器为二阶巴特沃斯低通滤波器，其转折频率为7Hz。
8.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述电源为锂电池。
9.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述存储器为TF卡。
10.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述检测装置还含有通讯模块，其与微处理器连接。
全文摘要
本发明属于医疗技术领域，具体涉及一种潜水员空气潜水水下呼吸频率和心率的检测装置。本发明公开了一种潜水员空气潜水水下呼吸频率和心率的检测装置，其特征在于其包括呼吸传感器、呼吸检测前置放大电路、心率传感器、心率检测前置放大电路、低通滤波器、二级放大器、微处理器、存储器和电源，所述呼吸传感器通过呼吸检测前置放大电路、所述心率传感器通过心率检测前置放大电路分别与低通滤波器连接，低通滤波器、二级放大器、微处理器依次连接，存储器连接微处理器，电源分别与呼吸传感器、呼吸检测电路、心率传感器、心率检测电路、低通滤波器、二级放大器、微处理器、存储器连接供电。
文档编号A61B5/08GK102210588SQ20111015942
公开日2011年10月12日 申请日期2011年6月14日 优先权日2011年6月14日
发明者付国举, 包晓辰, 姚健, 孟淼, 方以群, 李慈, 范维, 陈杰, 顾靖华, 马骏 申请人:中国人民解放军海军医学研究所