Прибор для измерения частоты дыхания
Несмотря на то, что данный прибор разрабатывался специально для регистрации и измерения частоты дыхания, используемый в нем принцип анализа колебаний температуры, может найти применение в самых различных биологических направлениях где необходим четкий контроль за возникновением перепада температур. Такой прибор способен зарегистрировать даже незначительные (менее одного градуса) скачки температуры и сформировать соответствующие сигналы для контроля и дальнейшего анализа. В этой статье описывается лишь один из возможных вариантов применения прибора для контроля дыхания.
Важным критерием оценки состояния сердечно сосудистой системы (ССС) и организма в целом является взаимосвязь межу электрической активностью сердца и легочным дыханием. Наиболее простой, и информативный метод выявления этой взаимосвязи заключается в одновременной регистрации таких параметров, как частота сердечных сокращений (ЧСС) и частота дыхания (ЧД). Вопросу регистрации и измерения ЧСС, в радиолюбительской литературе уже уделялось некоторое внимание см. например [1], [2], [3]. Существует так же большое количество готовых и относительно недорогих промышленных устройств для измерения ЧСС. Сложнее обстоит дело с регистрацией и измерением ЧД. В литературе достаточно сложно найти материалы по этой тематике, промышленные же приборы для измерения ЧД обычно идут только в составе дорогостоящего медицинского оборудования. В данной статье рассматривается устройство, которое может использоваться для регистрации частоты дыхания у человека и животных. Заложенный здесь принцип, состоит в анализе разницы температур между вдыхаемым и выдыхаемым воздухом. Это накладывает некоторые ограничения на область применения прибора, так как для правильного его функционирования необходимо, что бы температура вдыхаемого воздуха была меньше температуры выдыхаемого - как минимум на 1°С. Однако, учитывая, что температура воздуха редко поднимается до столь высокого значения, данный фактор, как правило, не приводит к каким либо ограничениям в использовании устройства. Обычно при регистрации ЧД у человека надежное функционирование прибора сохраняется при температуре окружающего воздуха до 36°С.
На рисунке 1 изображена схема прибора, способного при указанных условиях регистрировать ЧД от двух раз в секунду и ниже. В качестве датчика здесь используется полупроводниковый диод IN4148, имеющий достаточно малую температурную инерционность. При использовании малогабаритной диодной сборки КД907Б, верхний предел частоты может быть повышен до 10 в секунду. Это позволит использовать прибор для регистрации ЧД не только у человека, но и у некоторых «быстродышащих» животных. Как известно напряжение на переходе полупроводникового диода в прямом включении практически линейно уменьшается при увеличении температуры. Изменение составляет около 0,03% на 1°С, иными словами диод имеет отрицательный температурный коэффициент нестабильности (ТКН) 1мВ на °С. Возможно также использование в качестве термодатчика малоинерционных термопар, однако построение входного узла при этом придется несколько изменить см. например [4] .
Напряжение снимаемое с термодатчика VD1 усиливается узлом на OУ DA1.1 и элементах R1-R6, С1 и с 8 вывода указанного ОУ, через диоды VD2, VD3 поступает на входы ОУ DA1.2, DA1.3 работающих в режиме компараторов. Узел на ОУ DA1.2 служит для выделения колебаний напряжения при вдохе, а узел на ОУ DA1.3 – на выдохе. Рассмотрение принципа работы устройства удобно начать с описания узла на ОУ DA1.3. В начальном состоянии, когда напряжение на 8 выводе ОУ DA1.1 не изменяется компаратор DA1.3 находится в единичном состоянии, т.к. напряжение на его прямом входе (выв. 5) несколько превышает напряжение - на инверсном (выв. 6). Как только напряжение на выходе ОУ DA1.1 начинает увеличиваться, напряжение на инверсном выводе ОУ DA1.3 становится больше напряжения на его прямом выводе и компаратор переключается в противоположное состояние. Скорость нарастания напряжения, на которую среагирует компаратор DA1.3, определяется сопротивлением резистора R10 и емкостью конденсатора C2, при уменьшении его емкости чувствительность прибора будет снижаться. Узел на ОУ DA1.2 работает аналогично, но реагирует на начало уменьшения напряжения поступающего в 8 вывода ОУ DA1.1. В начальном состоянии компаратор DA1.2 также находится в единичном состоянии. При уменьшении напряжения поступающего на его прямой вход (выв. 3) он переключается в противоположное состояние т. к. напряжение на его инверсном выводе (выв. 2) благодаря конденсатору C3, снижается медленнее и становится при этом больше напряжения на прямом входе. Необходимость дополнительного начального смещения напряжения (к нулю) на инверсном выводе ОУ DA1.2, потребовала введения резистора R9 и соответственно увеличения емкости конденсатора C3. Цепочки на элементах VD4, R12, C10, VD5, R13, C11 осуществляют защиту входов триггера DD2.1 от отрицательного напряжения с выходов ОУ DA1.2 и DA1.3 и фильтрации помех. Светодиоды HL1 и HL2, подключенные к выходам триггера DD1.1, служат для индикации состояний начала вдоха и выхода соответственно. С 5 вывода триггера DD1.1, сигнал поступает на вход одновибратора выполненного на триггере DD1.2, который формирует короткий импульс, по положительному перепаду на своем входе С (выв. 11). Светодиод HL3, индицирует этот импульс, с прямого выхода DD1.2 (выв. 9) снимаются положительные импульсы, соответствующие частоте дыхания. Динамическая головка BA1 со встроенным генератором служит для формирования звукового сигнала в момент прихода импульса.
В устройстве могут быть использованы постоянные резисторы МЛТ, подстроечные – СП5-2, конденсаторы С2, С3, С12, С15, С16 – оксидные К50-35 или их малогабаритные зарубежные аналоги, остальные – керамические. Учитывая, что при определенных условиях проводники соединяющие датчик температуры с прибором могут прийти в соприкосновение с организмом человека или животных, во избежание поражения их электрическим током, при изготовлении трансформатора следует уделить достаточное внимание качеству изоляции, можно рекомендовать использовать готовые трансформаторы повышенной электробезопастности серии ТП. Напряжения на вторичной обмотке трансформатора 2/12В при токе до 0.5А, диодный мостик RS107 заменим на отечественный КЦ407 или аналогичный. В качестве датчика температуры можно использовать практически любой малогабаритный кремниевый диод например отечественный КД522А. Как уже отмечалось выше, если предполагается использование прибора для регистрации частоты дыхания большей двух раз в секунду, желательно использовать малогабаритный диод КД907Б или малоинерционные термопары. Датчик температуры необходимо расположить таким образом, чтобы он находился в потоке проходящего воздуха, лучше всего для этой цели использовать специальную дыхательную маску. В простейшем случае датчик можно закрепить посредством лейкопластыря на расстоянии нескольких миллиметров от носа в потоке проходящего воздуха. В качестве индикатора HL4 можно применить практически любой динамический четырехразрядный индикатор с общими анодами. Следует заметить, что при использовании яркого индикатора, в данной схеме можно обойтись без микросхемы электронных ключей DA3. Для этого сигнал на выводах портов А0-А7 контроллера DA2 следует проинвертировать подачей логического нуля на вывод 12 (порт D2) и соединить через резисторы в несколько десятков ом выходы 32-39, контроллера с соответствующими сегментами индикатора HL4.
После сборки прибора, вначале необходимо прошить микроконтроллер DA2. Для этого через разъем XS1 к схеме следует подключить к схеме программатор и записать в контроллер программу находящуюся в прилагаемом файле. Фьюзы контроллера настраивают на работу от кварцевого генератора частотой 8Мгц, включают детектор снижения напряжения (BOD) и устанавливают напряжение контроля – 4,3В. Полная конфигурация фьюзов в программе CodeVisionAVR показана на рисунке 2. После прошивки на индикаторе должны на несколько секунд засветиться все сегменты, что будет свидетельствовать о работоспособности контроллерной части устройства.
Налаживание прибора начинают с установки требуемого коэффициента усиления ОУ DA1.1, подстроечным резистором R4, колебание напряжения на его выходе этого ОУ при дыхании должно быть примерно в пределах 1,2-1,6В. Калибровку усилителя при минимальной температуре производят подстроечным резистором R2. В случае необходимости, можно также изменить соотношение чувствительности прибора, межу вдохом и выдохом, подбором резистора R9 при этом изменяют чувствительность устройства ко вдоху. При правильной настройке, во время регистрации, желтый и зеленый светодиоды должны перемигиваться при смене фаз дыхания, красный – вспыхивать в такт со вдохом, а в динамике BA1 раздаваться звуковой сигнал. Измерение ЧД производится прибором автоматически с пересчетом измеренного интервала времени между вдохами в количество вдохов в минуту, с отображением десятых и сотых долей. На индикаторе HL4 при этом отображается разделительная точка, а в правом разряде этого индикатора точка должна мигать в такт с приходящими импульсами. При частоте дыхания выше двух раз в секунду потребуется также в несколько раз уменьшить емкость конденсатора C12. Максимальная частота обновления информации на индикаторе один раз в секунду.
Рекомендуемая литература:
- В. Ефремов. Малогабаритный биопульсомер – Радио, 1994, № 4, с. 30 - 32.
- Б. Котляков.Компьютерный кардиограф. – Схемотехника, 2002, №9, с. 36, 37
- В. Тушнов.Компьютерный кардиограф. – Схемотехника, 2002, №11, с. 42, 43
- В. Тушнов. Термостабилизатор с широким интервалом – Радио, 2002, № 2, с. 31, 32.
18 апреля 2011 г.
Автор публикации Тушнов Вячеслав Евгеньевич
г. Луганск