基于分数阶PID控制器的家用无创呼吸机的研制
发布时间：2021-06-22 12:48
家用呼吸机是一种可在家庭日常生活中使用的便携式呼吸机,采用经面罩无创性正压机械通气的方式,在患者因睡眠出现呼吸道塌陷和阻塞时,提供合适的压力撑开气道,保证呼吸顺畅,对于阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（OSAHS）具有良好的治疗效果。国内对于家用呼吸机的研究起步较晚,缺乏核心技术,高端呼吸机市场被国外品牌垄断。因此,本课题根据相关标准和技术指标,对家用呼吸机的核心算法进行研究,并结合分数阶PID控制技术、物联网技术,设计了一款基于分数阶PID控制器的家用呼吸机。本文介绍了家用呼吸机的发展历史和研究现状,分析了呼吸机的基本原理、通气方式和组成结构,并参考呼吸机相关标准,确定了家用呼吸机的主要技术参数和技术指标,从而制定出家用呼吸机的总体设计方案,以及各模块的功能要求。本文研究的家用呼吸机以Cortex-M4微控制器STM32F407为核心,基于μC/OS-Ⅱ实时操作系统,进行了呼吸机控制系统和智能报警系统的设计,实现了呼吸识别与处理、数据存储与通信、人机交互、智能报警等功能。本文创新性地使用分数阶PID控制器进行呼吸机气道压力的控制。呼吸机使用无刷直流电机作为风机,带动周围空气进入呼吸机气...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１家用呼吸机的基本结构图??
数据存储模块、数据通信模块以及可选的湿化器组成；呼吸机报警系统由蜂鸣器、??液晶显示屏和ＬＥＤ显示灯组成报警模块。??呼吸机控制系统的总体结构，如图３－１所示。微控制器通过风机驱动模块控??制无刷直流电机，电机运行带动外界空气进入呼吸机，流经节流装置时，压力传??感器和差压传感器可测得呼吸机的气道压力值与流量值，之后空气经过湿化器加??温加湿，通过呼吸软管和面罩进入患者呼吸道。??▼?▼?▼?Ｔ??风机驱动?｜压力｜｜差压?｜温度控制?｜面罩脱落??模块?传感器传感器?电路?检测??Ｉ?Ｉ????４?ｉ?Ｉ?Ｔ?Ｔ??微控制器?ＳＴＭ３２Ｆ４０７ＺＧＴ６??，ｔｉ，?，?ｔｉ，?，?ｎ?，?ｉ??人机交互Ｉ?｜数据存储?数据通信??＼ｍ?｜?ｉＳ?｜?歸觀??图３－１呼吸机控制系统的总体结构图??微控制器ＳＴＭ３２Ｆ４０７上移植了?ｎＣ／ＯＳ－ＩＩ实时操作系统，通过多任务调度，??完成压力控制、呼吸识别与处理、数据存储、人机交互和数据通信等功能。??系统的压力控制采用分数阶ＨＤ控制器
ＭＣ３３０３５芯片［２９］，制动电路使用电阻进行能耗制动。??（１）无刷直流电机驱动电路??无刷直流电机驱动电路，如图３?－３所示。??１２Ｖ?ＭＣ３３０３５?２ｉＶ??〇??????？???（—ＶＣ?ＣＴ???????＇—ｖｃｃ?ＢＴ???＿＿?Ｒ７?Ｒ９?Ｒ１１??－－ｃ，?ａｔ?ｒ＾—＼??ｒ＾ｉ??￣?????ＧＮＤ?Ｒ８?ＲＩＯ?Ｒ１２??＇Ｉ￣＇?１?ＩＩ￣Ｉ?ｔ—Ｈ?Ｍ￣Ｉ?Ｉ￣??－－?Ｃ２?Ｃ３?Ｃ４??＾ｉ?卜?ｒ—卜?ｒ—Ｉ卜??７１?—〇Ｅ?ａ?ｈ［〇５￣?ａ?ｇｒ〇３￣?ｎ?ｇ?〇５??丨?丨?ｓａ?＾＼ｒ?Ｌ?丨?Ｌ?丨????ＳＢ??（?Ｍ?Ｊ????给定?ｓｃ??＼?Ｊ－????电压?ＥＡ＋?、乂?Ｉ?ｊ??＿＾?＾?＾???ＲＥＦ?Ｒ３?Ｒ１３?Ｒ１４?Ｒ１５??ＡＢ??１?Ｉ??Ｉ?Ｉ￣＇—?４￣￣Ｉ?Ｉ￣＂￣?１１?￣Ｉ?ｉ￣＇?—??Ｒ１?ＢＢ??１?１?１??Ｒ５??Ｒ２?ＣＳ＋?ａ?１Ａ?－??中?Ｃ５?Ｒ１６??图３－３无刷直流电机驱动电路图??１４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]使用二叉堆设计基于.NET的泛型优先级队列[J]. 黄明志. 现代计算机(专业版). 2018(36)
[2]基于STM32F407ZGT6的智能镜子设计[J]. 肖培,胡天立,曹源,祝蓓,李璇. 科技创新与应用. 2017(13)
[3]持续气道正压通气治疗OSAHS的临床研究现状[J]. 崔小川,张希龙. 中国中西医结合耳鼻咽喉科杂志. 2016(04)
[4]芯片上的网络 TI SimpleLink Wi-Fi让联网如此简单[J]. 陈颖莹. 电子技术应用. 2014(07)
[5]呼吸监护室呼吸机相关性肺炎病原体的变迁及其影响因素分析[J]. 陈旭燕. 解放军医学杂志. 2014(06)
[6]呼吸机现状及发展趋势[J]. 谢俊祥,张琳. 中国医疗器械信息. 2014(02)
[7]呼吸机原理与常见故障分析[J]. 郑沁春. 海峡科学. 2012(06)
[8]基于ARM7内核的UCOS-Ⅱ移植研究[J]. 陶锐,李洋,曹海燕. 企业技术开发. 2012(05)
[9]持续气道正压无创呼吸机控制系统的研制[J]. 陈正龙,胡兆燕,周贵. 中国生物医学工程学报. 2011(02)
[10]呼吸机通气模式新进展[J]. 钟琳,于湘友. 临床麻醉学杂志. 2010(04)
博士论文
[1]分数阶PID控制器及参数不确定分数阶系统稳定域分析[D]. 梁涛年.西安电子科技大学 2011
硕士论文
[1]基于物联网技术的家用呼吸机的研制[D]. 杜敏宁.山东大学 2018
[2]基于FPGA的分数阶PIλDμ控制器研究与实现[D]. 李桂阳.安徽理工大学 2017
[3]基于μC/OS-Ⅱ和嵌入式Linux的家用呼吸机的研制[D]. 武亚文.山东大学 2016
[4]基于远程数字传输技术的智能家用呼吸机的研制[D]. 周绪贵.山东大学 2015
[5]微型四旋翼无人机的搭建与姿态控制[D]. 徐芳俊.华东理工大学 2015
[6]睡眠呼吸暂停综合征的监测与治疗关键算法研究[D]. 孙薇.南方医科大学 2014
[7]自动调压无创呼吸机研制[D]. 贾守强.北方工业大学 2013
[8]基于ARM处理器与UCOS-Ⅱ操作系统的智能产量计设计研究[D]. 李登.华中科技大学 2013
[9]实时操作系统μC/OS-Ⅱ任务调度机制的分析与改进[D]. 杨露.南京邮电大学 2011
[10]嵌入式操作系统μC/OS-II的移植及文件系统设计[D]. 张继珂.南京航空航天大学 2011
本文编号：3242864
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１家用呼吸机的基本结构图??
数据存储模块、数据通信模块以及可选的湿化器组成；呼吸机报警系统由蜂鸣器、??液晶显示屏和ＬＥＤ显示灯组成报警模块。??呼吸机控制系统的总体结构，如图３－１所示。微控制器通过风机驱动模块控??制无刷直流电机，电机运行带动外界空气进入呼吸机，流经节流装置时，压力传??感器和差压传感器可测得呼吸机的气道压力值与流量值，之后空气经过湿化器加??温加湿，通过呼吸软管和面罩进入患者呼吸道。??▼?▼?▼?Ｔ??风机驱动?｜压力｜｜差压?｜温度控制?｜面罩脱落??模块?传感器传感器?电路?检测??Ｉ?Ｉ????４?ｉ?Ｉ?Ｔ?Ｔ??微控制器?ＳＴＭ３２Ｆ４０７ＺＧＴ６??，ｔｉ，?，?ｔｉ，?，?ｎ?，?ｉ??人机交互Ｉ?｜数据存储?数据通信??＼ｍ?｜?ｉＳ?｜?歸觀??图３－１呼吸机控制系统的总体结构图??微控制器ＳＴＭ３２Ｆ４０７上移植了?ｎＣ／ＯＳ－ＩＩ实时操作系统，通过多任务调度，??完成压力控制、呼吸识别与处理、数据存储、人机交互和数据通信等功能。??系统的压力控制采用分数阶ＨＤ控制器
ＭＣ３３０３５芯片［２９］，制动电路使用电阻进行能耗制动。??（１）无刷直流电机驱动电路??无刷直流电机驱动电路，如图３?－３所示。??１２Ｖ?ＭＣ３３０３５?２ｉＶ??〇??????？???（—ＶＣ?ＣＴ???????＇—ｖｃｃ?ＢＴ???＿＿?Ｒ７?Ｒ９?Ｒ１１??－－ｃ，?ａｔ?ｒ＾—＼??ｒ＾ｉ??￣?????ＧＮＤ?Ｒ８?ＲＩＯ?Ｒ１２??＇Ｉ￣＇?１?ＩＩ￣Ｉ?ｔ—Ｈ?Ｍ￣Ｉ?Ｉ￣??－－?Ｃ２?Ｃ３?Ｃ４??＾ｉ?卜?ｒ—卜?ｒ—Ｉ卜??７１?—〇Ｅ?ａ?ｈ［〇５￣?ａ?ｇｒ〇３￣?ｎ?ｇ?〇５??丨?丨?ｓａ?＾＼ｒ?Ｌ?丨?Ｌ?丨????ＳＢ??（?Ｍ?Ｊ????给定?ｓｃ??＼?Ｊ－????电压?ＥＡ＋?、乂?Ｉ?ｊ??＿＾?＾?＾???ＲＥＦ?Ｒ３?Ｒ１３?Ｒ１４?Ｒ１５??ＡＢ??１?Ｉ??Ｉ?Ｉ￣＇—?４￣￣Ｉ?Ｉ￣＂￣?１１?￣Ｉ?ｉ￣＇?—??Ｒ１?ＢＢ??１?１?１??Ｒ５??Ｒ２?ＣＳ＋?ａ?１Ａ?－??中?Ｃ５?Ｒ１６??图３－３无刷直流电机驱动电路图??１４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]使用二叉堆设计基于.NET的泛型优先级队列[J]. 黄明志. 现代计算机(专业版). 2018(36)
[2]基于STM32F407ZGT6的智能镜子设计[J]. 肖培,胡天立,曹源,祝蓓,李璇. 科技创新与应用. 2017(13)
[3]持续气道正压通气治疗OSAHS的临床研究现状[J]. 崔小川,张希龙. 中国中西医结合耳鼻咽喉科杂志. 2016(04)
[4]芯片上的网络 TI SimpleLink Wi-Fi让联网如此简单[J]. 陈颖莹. 电子技术应用. 2014(07)
[5]呼吸监护室呼吸机相关性肺炎病原体的变迁及其影响因素分析[J]. 陈旭燕. 解放军医学杂志. 2014(06)
[6]呼吸机现状及发展趋势[J]. 谢俊祥,张琳. 中国医疗器械信息. 2014(02)
[7]呼吸机原理与常见故障分析[J]. 郑沁春. 海峡科学. 2012(06)
[8]基于ARM7内核的UCOS-Ⅱ移植研究[J]. 陶锐,李洋,曹海燕. 企业技术开发. 2012(05)
[9]持续气道正压无创呼吸机控制系统的研制[J]. 陈正龙,胡兆燕,周贵. 中国生物医学工程学报. 2011(02)
[10]呼吸机通气模式新进展[J]. 钟琳,于湘友. 临床麻醉学杂志. 2010(04)
博士论文
[1]分数阶PID控制器及参数不确定分数阶系统稳定域分析[D]. 梁涛年.西安电子科技大学 2011
硕士论文
[1]基于物联网技术的家用呼吸机的研制[D]. 杜敏宁.山东大学 2018
[2]基于FPGA的分数阶PIλDμ控制器研究与实现[D]. 李桂阳.安徽理工大学 2017
[3]基于μC/OS-Ⅱ和嵌入式Linux的家用呼吸机的研制[D]. 武亚文.山东大学 2016
[4]基于远程数字传输技术的智能家用呼吸机的研制[D]. 周绪贵.山东大学 2015
[5]微型四旋翼无人机的搭建与姿态控制[D]. 徐芳俊.华东理工大学 2015
[6]睡眠呼吸暂停综合征的监测与治疗关键算法研究[D]. 孙薇.南方医科大学 2014
[7]自动调压无创呼吸机研制[D]. 贾守强.北方工业大学 2013
[8]基于ARM处理器与UCOS-Ⅱ操作系统的智能产量计设计研究[D]. 李登.华中科技大学 2013
[9]实时操作系统μC/OS-Ⅱ任务调度机制的分析与改进[D]. 杨露.南京邮电大学 2011
[10]嵌入式操作系统μC/OS-II的移植及文件系统设计[D]. 张继珂.南京航空航天大学 2011
本文编号：3242864
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/yiqiyibiao/3242864.html
