以 ＰＩＣ１６Ｆ８８６單片機為處理器和超聲波檢測技術(shù)為核心，以 ＭＰＬＡＢ編寫系統(tǒng)軟件，設(shè)計醫(yī)用超聲波氧氣流量計。本系統(tǒng)主要由ＰＩＣ單片機模塊、信號切換電路、模擬放大電路、濾波電路和電壓比較電路組成。將氧氣通過定長的管道，單片機給超聲換能器發(fā)送激勵信號，測出超聲波順逆流的渡越時間和氧氣溫度。基于最小二乘法曲面擬合算法，構(gòu)建氧氣流量與溫度和時間差的函數(shù)關(guān)系式，完成對氧氣流量的測量。測量結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，精度高，具有很高的工程使用價值。

1.引言

氧氣是人類賴以生存的基礎(chǔ)，也是輔助治療的必須品。醫(yī)用氧氣主要用于缺氧預(yù)防和治療，氧保健和氧療在康復(fù)醫(yī)學(xué)、保健醫(yī)學(xué)、預(yù)防醫(yī)學(xué)等方面都有其獨特的作用。

現(xiàn)在不少醫(yī)院依然使用浮子式流量計監(jiān)測氧氣流量，而浮子式流量計具有不能量化流量大小、誤差大、不易控制等問題。這就迫切需要開發(fā)新型醫(yī)用氧氣流量計，以滿足醫(yī)療檢測的需求。氣體流量檢測技術(shù)主要有：熱式質(zhì)量流量檢測、氣體渦輪流量檢測、容積式流量檢測、超聲波相控氣流檢測等，這些技術(shù)都有誤差比較大，易受干擾，穩(wěn)定性不好，易發(fā)生漂移等缺點。

面對當(dāng)前實際現(xiàn)狀與需求，本文提出以超聲波檢測技術(shù)為核心的基于最小二乘法曲面擬合算法的氧氣流量計，與傳統(tǒng)的超聲波流量計將流量與時間差算法簡單線性化相比，本系統(tǒng)也測出氣體溫度，對氣體流量進(jìn)行溫度補償。通過實際測量其具有使用時間長，穩(wěn)定性高，體積小，安全可靠，價格便宜等特點，同時也滿足當(dāng)前氧氣流量高精度的要求。

2.超聲氧氣流量計的原理

２．１超聲波測量原理

醫(yī)用超聲氧氣流量計是通過測量超聲波在定長（Ｌ）定直徑（Ｄ）管道內(nèi)順流和逆流的時間而算出氧氣流速，從而得出氧氣流量。對于不同的氣體流速有：

２．２ 氧氣流量測量過程

檢測氣體流量時，氣體從定長管道的一端流向另一端，超聲波在順流和逆流中傳播時間不同。當(dāng)換能器A發(fā)射單脈沖超聲波時，換能器Ｂ接收超聲信號。由于換能器收到的信號非常弱，只有幾十毫伏的電壓，需通過信號放大再進(jìn)行比較。本文提出使用ＡＤ８２２3放大器，將小信號放大.考慮到設(shè)計成本和器件占用空間，使用無源濾波電路，濾去直流信號和雜波。再將濾波后的放大信號通過ＬＭ３９３比較器，將比較器的輸出端與ＰＩＣ單片機的捕獲端相連接。

設(shè)定上升沿捕獲，通過定時器測量出超聲波在管道中的傳播時間。同樣的流程測出從B到A的時間。在每次測量時間時，單片機都會通過ＤＳ１８Ｂ２０溫度傳感器測量溫度數(shù)據(jù)。圖１為硬件原理圖。

2.3氧氣流量與溫度、時間差關(guān)系式

在這里，氧氣流量與時間差、溫度T有關(guān)，利用德國高精度Ｇ６０８氣體流量計測出標(biāo)準(zhǔn)氧氣流量，由ＰＩＣ單片機算出時間差ｔＤＳ１８Ｂ２0測出溫度T，其函數(shù)關(guān)系為：

3.關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1硬件設(shè)計

3.1.1放大電路模塊

在設(shè)計放大電路時，考慮采用差分放大電路，可以放大差模信號的同時抑制共模信號。將ＡＤ８２２３的基準(zhǔn)電壓設(shè)為２．５，正相端和反相輸入端都加載２．５Ｖ電壓后再放大，此目的是為后面的過零比較檢測做準(zhǔn)備。2.5V的基準(zhǔn)電壓為采用ＬＭ３５８設(shè)計的電壓跟隨器所產(chǎn)生，放大電路如圖２所示。

３．１．２ 比較電路模塊將放大后的信號通過濾波電路，濾掉直流信號和雜波，然后將信號通過ＬＭ３９３電壓比較器。設(shè)定一個基準(zhǔn)比較電壓（小于５Ｖ），當(dāng)正弦波電壓高于基準(zhǔn)電壓時，ＬＭ３９３輸出 ５Ｖ 高電平；當(dāng)正弦波低于基準(zhǔn)電壓時，ＬＭ３９３輸出基準(zhǔn)比較電壓。如圖３所示。

３．２超聲氧氣體濃度計的軟件設(shè)計

下位機軟件是在 ＭＰＬＡＢ環(huán)境下用 Ｃ語言編程，上位機標(biāo)定數(shù)據(jù)采集界面基于 ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ語言編譯，通過ＲＳ２３２串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。ＶＢ語言可視化強，數(shù)據(jù)相關(guān)的計算、擬合保存都由上位機處理。ＰＩＣ單片機部分負(fù)責(zé)完成溫度Ｔ、時差ｔ采集。在數(shù)據(jù)采集過程中，由于不知硬件焊接是否有問題，數(shù)據(jù)傳輸是否正常。在數(shù)據(jù)顯示時，設(shè)定狀態(tài)標(biāo)志位，如 “０”、“１”、“２”等以判斷當(dāng)前測量處于什么狀態(tài)，如 “０”表示當(dāng)前一切正常，“１”表示硬件無響應(yīng) ，“２”表示數(shù)據(jù)收發(fā)不正常 ，這為檢修和數(shù)據(jù)的處理提供了便利。圖４為上位機數(shù)據(jù)采集標(biāo)定流程圖。

４.誤差分析

４．１誤差分析

誤差分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。系統(tǒng)誤差是有規(guī)律的，通過測量大量數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出系統(tǒng)誤差值加以修正。偶然誤差：是由很多未知環(huán)境因數(shù)或不可精確測量因數(shù)造成的，如：氣流噪聲、流場、電磁波等因數(shù)，同時軟件算法精確度、硬件電路的不穩(wěn)定等，都會對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。

４．２ 誤差處理

數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)處理方法：由于擾動或干擾，會有較大的異常數(shù)據(jù)存在，這會降低最小二乘法擬合精度，從而降低了流量計的測量精度。所以必須去除誤差較大的異常數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)使用拉伊達(dá)準(zhǔn)則去除粗大誤差，對于某一測量列中｜ｖｉ｜＝｜ｘｉ－ｘ｜＞３σ之外的概率為０．２７％，認(rèn)為是不可能事件，故當(dāng)測量值的｜ｖｉ｜＞３σ時，可認(rèn)為與之對應(yīng)的ｘｉ 包含粗大誤差，就用一臨近的準(zhǔn)確值來代替，如圖５的異常點被空心點替代。其中σ可用貝塞爾（Ｂｅｓｓｅｌ）公式計算的Ｓ值代替。

４．３測試結(jié)果

通過測量大量數(shù)據(jù)，以去除系統(tǒng)誤差。在不去除數(shù)據(jù)中的較大的時間和溫度誤差數(shù)據(jù)，擬合系數(shù)，測量流量。標(biāo)準(zhǔn)流量與未處理過的時間和溫度所對應(yīng)的實測氧氣流量關(guān)系圖如圖６所示。

運用拉伊達(dá)準(zhǔn)則除去時間和溫度數(shù)據(jù)中的較大的誤差數(shù)據(jù)，用附近準(zhǔn)確數(shù)據(jù)替換較大誤差數(shù)據(jù)，擬合系數(shù)，測量流量。標(biāo)準(zhǔn)流量與經(jīng)過處理過的時間和溫度所對應(yīng)的實測氧氣流量關(guān)系圖如圖７所示。

從圖６和圖７的對比可以看到，在標(biāo)定采集完時間數(shù)據(jù)后，可以使用拉伊達(dá)準(zhǔn)則除去數(shù)據(jù)中的較大誤差數(shù)據(jù)，再進(jìn)行擬合，以求得ａ０、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５ 準(zhǔn)確值，這樣可以降低由于各種擾動帶來的測量誤差，提高測量的精度，以符合醫(yī)療上對氧氣測量要求。

５.結(jié) 論

本文給出了醫(yī)用超聲氧流量計的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計圖，并對測量的數(shù)據(jù)用拉伊達(dá)準(zhǔn)則進(jìn)行了處理，以降低擾動對測量結(jié)果的影響，證明了基于最小二乘法的超聲波氧流量計的設(shè)計合理性。該系統(tǒng)通過了實驗室的檢測和實際測量，符合預(yù)期目標(biāo)，并且該產(chǎn)品安全、可靠，價格便宜，精度高，具有很大的優(yōu)越性。