馮璐璐，倪 原，劉朝輝，郭恩峰

（1. 西安工業(yè)大學(xué)，陜西省西安市 710032；2. 第四軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院，陜西省西安市 710032）

1 引言

打鼾是一種嚴(yán)重影響人體健康的睡眠疾病，屬于“阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征” (Obstructive Sleep Apnea Hypopnea Syndrome,OSAHS)，是心血管疾病、呼吸道疾病等多種疾病的誘因同時(shí)也嚴(yán)重影響睡眠。得不到及時(shí)治療的小孩容易誘發(fā)記憶力減退、注意力不集中。中年人容易引起腦缺氧、腎臟損害、免疫功能下降等多種疾病。老年人更容易導(dǎo)致高血壓、冠心病、血管性癡呆，甚至睡眠中死亡。由此可見對于打鼾的減輕與治療的研究是非常有必要的。

本設(shè)計(jì)利用變頻旋磁熱輻射作用于人體頸部，可以在短時(shí)間內(nèi)促進(jìn)氣道周圍組織分解代謝增強(qiáng)，張力增強(qiáng)，彈性增加，從而解除氣道狹窄，使呼吸通暢，進(jìn)而改善或治療打鼾。

2 設(shè)計(jì)原理

引起打鼾的原因有很多，主要有鼻部異常、心血管病變、呼吸暫停、舌頭肥大、身材肥胖等，其中肥胖是引起打鼾的最主要的原因之一。由于肥胖者的氣道通常要比正常人狹窄，白天清醒的時(shí)候，咽喉部肌肉收縮時(shí)氣道保持開放，因而不會(huì)使氣道受到堵塞。但是晚上睡眠時(shí)神經(jīng)興奮性下降，肌肉松弛，咽部組織堵塞，使上氣道塌陷，當(dāng)氣流通過狹窄部位時(shí)，會(huì)產(chǎn)生渦流并引起震動(dòng)，陣陣鼾聲也就產(chǎn)生了。

由于人體發(fā)射的遠(yuǎn)紅外線波長在9.6微米左右，在治療時(shí)所選擇的紅外波長在8～15微米，可以和人體表面峰值匹配產(chǎn)生共振。使體內(nèi)熱能提高，細(xì)胞活化，因此促進(jìn)脂肪組織代謝，燃燒分解，將多余脂肪消耗掉，有效減少脂肪厚度。

旋磁可在人體體表局部產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)變化的磁場，當(dāng)磁場強(qiáng)度在800到1000高斯時(shí)可促進(jìn)皮下組織血液循環(huán)，增強(qiáng)人體細(xì)胞膜的通透性，提高紅血球的攜氧量，減輕血液的粘稠度，良性改善血液理化指標(biāo)；促進(jìn)皮下脂肪的快速分解，減少脂肪厚度。在遠(yuǎn)紅外線和旋轉(zhuǎn)磁的共同作用下，能有效降低脂肪厚度，睡眠時(shí)當(dāng)神經(jīng)興奮下降咽部組織就不會(huì)堵塞，打鼾也就的得到了減輕或治療。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)介紹

系統(tǒng)主要由C8051F020單片機(jī)、電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器、磁頭、遠(yuǎn)紅外管、遠(yuǎn)紅外驅(qū)動(dòng)控制器、溫度傳感器、生理檢測裝置等組成。單片機(jī)的DAC控制磁頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速可變的旋磁，單片機(jī)發(fā)出的PWM信號控制遠(yuǎn)紅外管加熱，通過實(shí)時(shí)溫度傳感器采集溫度將溫度控制在要求范圍內(nèi)。為了檢測治療效果，定期檢測人體的溫度、肺功能等信號。

結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)框圖

3.2 主控芯片

設(shè)計(jì)用的是混合信號系統(tǒng)級芯片C8051F020，高速/流水結(jié)構(gòu)的CIP-51內(nèi)核（可達(dá)25MIPS），該芯片據(jù)有64個(gè)I/o引腳；2個(gè)帶有PGA和模擬多路開關(guān)的12位的ADC和8位的DAC；可實(shí)現(xiàn)SPI、SMBus/I2C和兩個(gè)UART串行接口；5個(gè)通用的16位定時(shí)器；5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器可以產(chǎn)生PWM信號；片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。充分滿足了本設(shè)計(jì)的需要,外部不需加入芯片就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能,并可使整個(gè)系統(tǒng)體積減小、功耗降低、穩(wěn)定性增加和成本得到控制。

3.3 旋轉(zhuǎn)磁場控制電路

電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)磁頭的轉(zhuǎn)動(dòng)形成旋磁，驅(qū)動(dòng)電路采用高效率的PWM脈寬調(diào)速法，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變磁場的旋轉(zhuǎn)速度。治療要求的磁場強(qiáng)度是800~1000高斯，用5個(gè)直徑為9mm厚度為3mm的磁片即可滿足。通過程序控制單片機(jī)DAC的輸出電壓改變下圖中電壓比較器的參考電壓，進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)速度范圍0~3000轉(zhuǎn)/min。圖2是電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖。

圖中運(yùn)放U1A和U1B產(chǎn)生三角波，U1C為U1B提供基礎(chǔ)電壓。U1D是電壓比較器，其反相輸入端由兩個(gè)電阻和一個(gè)電位器組成參考電壓，同相端是三角波輸入，通過改變電位器的值來改變參考電壓，進(jìn)而改變方波的占空比調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。若要單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，單片機(jī)的DAC輸出為U1D提供參考電壓，根據(jù)參考電壓的不同即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。為了驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電壓比較器后加了功率開關(guān)管實(shí)現(xiàn)電流放大，功率開關(guān)管P60NF06，VDSS為60V，ID為60A，RDS(on)為0.016Ω。防止感性元件（電機(jī)）產(chǎn)生的負(fù)感應(yīng)電動(dòng)勢對三極管的沖擊，在電機(jī)兩端加IN4007穩(wěn)壓二極管。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

3.4 遠(yuǎn)紅外控制電路

遠(yuǎn)紅外控制電路包括兩部分遠(yuǎn)紅外加熱驅(qū)動(dòng)電路和溫度采集電路，在遠(yuǎn)紅外加熱的同時(shí)，實(shí)時(shí)采集遠(yuǎn)紅外加熱器表面的溫度，當(dāng)表面溫度大于等于最高溫度時(shí)，改變PWM占空比，停止加熱，當(dāng)溫度低于最低溫度時(shí)繼續(xù)加熱。檢測溫度范圍0~100℃，控制精度±0.5℃。

3.4.1 遠(yuǎn)紅外加熱驅(qū)動(dòng)電路

2、機(jī)具種類較多，更新較快，既有的教學(xué)器具未必能及時(shí)跟上教學(xué)最前沿。無人植保機(jī)、自動(dòng)駕駛插秧機(jī)以及國三國四發(fā)動(dòng)機(jī)等先進(jìn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備，部分培訓(xùn)單位還沒有配備。如果培訓(xùn)單位需要教授這部分內(nèi)容，有教學(xué)需求時(shí)需要聯(lián)系廠家、維修點(diǎn)或者外地的高等院校，并不方便，人員和經(jīng)費(fèi)開支較大。由于校內(nèi)教師平時(shí)也不容易接觸到具體實(shí)物，他們往往對機(jī)器的理解并不深刻。即便是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械，因?yàn)榉N類繁多，農(nóng)機(jī)培訓(xùn)單位也不可能全部配齊。

遠(yuǎn)紅外加熱器是一種12V供電的遠(yuǎn)紅外陶瓷材料，該材料節(jié)能、升溫速度快且穩(wěn)定、無害；發(fā)出的紅外波長在1.5～25um，與人體發(fā)出的遠(yuǎn)紅外波相比配，可滿足治療需求。單片機(jī)發(fā)出的PWM信號控制功率管工作，改變紅外輻射器的加熱溫度，同時(shí)用PT1000鉑電阻溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度，形成反饋，將溫度控制在一定的范圍內(nèi)。

圖3 遠(yuǎn)紅外加熱驅(qū)動(dòng)電路

電路中加了光電隔離，防止前后級電路互相干擾。遠(yuǎn)紅外加熱驅(qū)動(dòng)電路中使用硅半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管高速功率開關(guān)2SK3070來驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)紅外加熱器，VDSS為40V，ID為75A，RDS(on)為4.5 mΩ，導(dǎo)通電壓為4V，滿足設(shè)計(jì)需求。

3.4.2 溫度檢測電路

溫度檢測電路的電源輸入為5V, 經(jīng)過MC1403輸出2.5V精準(zhǔn)電壓。流經(jīng) Pt 的電流是恒定的，當(dāng)溫度變化時(shí)，溫度傳感器的電阻值相應(yīng)變化，其上電壓值隨著阻值的變化而變化。電流反映到下一級運(yùn)放負(fù)輸入端，輸出通過增益調(diào)節(jié)電位器RW反饋到運(yùn)放的反相輸入端，優(yōu)點(diǎn)是帶寬增加和輸出阻抗降低。圖4是溫度檢測電路圖。

設(shè)計(jì)中使用的傳感器是金屬鉑熱電阻PT1000，具有電阻溫度系數(shù)大，感應(yīng)靈敏；電阻率高，元件尺寸小；電阻值隨溫度變化而變化基本呈線性關(guān)系；在測溫范圍內(nèi)，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，長期復(fù)現(xiàn)性好，測量精度高。

3.5 生理信號采集

為了檢測治療效果，對人體做一定時(shí)間的治療后需要評價(jià)治療效果。所以需要檢測人體的體溫、肺功能信號。

3.5.1 肺功能檢測電路

人體的呼吸頻率范圍0.05Hz~20Hz，正常人靜止?fàn)顟B(tài)下在1Hz左右，呼吸強(qiáng)度是0~150rpm。肺功能的檢測其實(shí)就是檢測人體的呼吸信號，根據(jù)呼吸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理，用差壓式孔板流量傳感器測量人體的呼氣肺活量、用力肺活量等，綜合評估這些參數(shù)，能有效反映肺臟、氣管、支氣管等呼吸道器官的狀態(tài)及其調(diào)節(jié)功能。

圖4 溫度檢測電路

圖中sensor接入傳感器，人在吹吸氣過程中，通過傳感器獲得與氣流信號相對應(yīng)的電壓差信號，經(jīng)過電壓跟隨器U1A和U1B進(jìn)入放大電路，這樣可以提高輸入阻抗和降低輸出阻抗。U2A為低通放大器，在吸氣時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)信號，U2A在抬高電壓的基礎(chǔ)上加上R5和R7使比較器有了滯后作用，消除輸出雜波。

3.5.2 人體溫度檢測電路

人體溫度檢測電路與前面的溫度檢測電路相同，只是檢測的范圍不同。人體的體溫測量范圍為0~50℃，測量精度為±0.1℃。溫度檢測輸出信號電壓對應(yīng)鉑電阻關(guān)系圖如下表：

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4 軟件設(shè)計(jì)

軟件是系統(tǒng)有效工作的核心，總體流程圖如圖6。

軟件主要完成三個(gè)功能包括讀取鍵盤、LED顯示和信號的采集。鍵盤需要6個(gè)按鍵，包括開始、結(jié)束、上下左右鍵，主要實(shí)現(xiàn)對溫度、時(shí)間的設(shè)置。有6個(gè)LED，兩個(gè)顯示加熱的最高溫度值，四個(gè)顯示治療時(shí)間。左右鍵用來選擇所要設(shè)置的LED位，上下鍵用來實(shí)現(xiàn)數(shù)值的加減。信號的采集利用單片機(jī)自帶的12為AD轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送單片機(jī)處理。

圖5 肺功能參數(shù)測試電路原理圖

圖6 軟件流程圖

5 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

經(jīng)測試，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制范圍為0~3000轉(zhuǎn)/min，溫度檢測電路測量的溫度變化范圍是0~100℃，測量精度為±0.1℃，遠(yuǎn)紅外加熱器溫控精度為±0.5℃，達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。肺功能模塊傳感器的最大輸出信號峰-峰值為50mv，頻率為0.05Hz~20Hz，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)使輸出信號峰-峰值在3.6V左右，改變放大倍數(shù)的同時(shí)應(yīng)調(diào)整直流基準(zhǔn)電位，一般確定在2.0~2.2V。

治療儀開機(jī)初始化后，根據(jù)病人的情況設(shè)定治療的時(shí)間、溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速，并LED實(shí)時(shí)顯示。治療時(shí)間根據(jù)不同的人設(shè)置不同，設(shè)置范圍0~200分鐘，一個(gè)療程一般在30分鐘左右。

[1]李超勇.遠(yuǎn)紅外對人體的治療與保健作用[J]. 家用電器.2002, 1:42

[2]岡本裕生.圖解繼電器與可編程控制器[M].科學(xué)出版社.2007

[3]許光旭, 田武. 遠(yuǎn)紅外對人體的影響與臨床應(yīng)用述評[J]. 中華醫(yī)學(xué)會(huì)第九次全國物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)學(xué)學(xué)拳會(huì)議

[4]李成龍. 打鼾對人體有什么危害[J].科學(xué)與健康，2009，3

[5]王建，楊紅春，樓中平.永磁旋轉(zhuǎn)磁場加快運(yùn)動(dòng)后血乳酸消除速度[J].體育科學(xué)，2007，11(23)