基于STM32的脉冲式供氧调节器控制系统设计

基于STM32的脉冲式供氧调节器控制系统设计

胡发灵王梦蕾牛同锋崔兵彦

1.湖北航天化学技术研究所；2.应急救生与安全防护湖北省重点实验室

摘要：随着战斗机性能的提高，对飞机供氧系统的要求也越来越苛刻，脉冲式供氧模式是目前用氧效能最高的供氧模式，成为未来高空飞行的趋势所向。脉冲式氧气调节器作为脉冲供氧过程中最核心的零部件，其控制系统的可靠性至关重要。本文针对脉冲供氧器的呼吸原理，提出脉冲式氧气调节器控制过程的技术需求，通过精准的呼吸供氧流程设计，实现精度高，响应速度快，体积小，更易于精确控制的供氧调节功能。并通过低压舱高空模拟试验，验证了该供氧流程的合理可行性。

关键词：供氧系统；氧气调节器；肺式供氧；呼吸模拟；比例电磁阀；压差传感器

Abstract：Withtheimprovementoftheperformanceoffighters，therequirementsforaircraftoxygensupplysystemsarebecomingmoreandmoredemanding.Thepulsedoxygensupplymodeiscurrentlythemostefficientoxygensupplymode，whichisthetrendoffuturehigh-altitudeflight.Asthecorecomponentofthepulseoxygensupplyprocess，thepulsedoxygenregulatoriscriticaltothereliabilityofitscontrolsystem.Inthispaper，basedonthebreathingprincipleofpulseoxygenator，thetechnicalrequirementsofthepulseoxygenregulatorcontrolprocessareproposed.Throughtheprecisebreathingoxygensupplyprocessdesign，theoxygensupplycanbeadjustedwithhighprecision，fastresponse，smallvolumeandeasiercontrolfeatures.Thereasonablefeasibilityoftheoxygensupplyprocesshasbeenverifiedbyhigh-altitudesimulationtestoflow-pressurechamber.

引言

随着现代航空技术的迅速发展和各国对航空航天领域的激烈争夺，人们对战斗机的作战性能提出了更高要求，而供氧系统作为飞行员供氧防护装备，大家对它提出越来越苛刻的要求。氧气调节器是飞机氧气系统的核心控制装置，它能按照要求调节和控制氧气的压力、流量和浓度[1]。传统的氧气调节器都是机械式的，机械式氧气调节器经过发展和应用，目前技术较成熟和稳定，如美国CRU系列、英国NGL公司的MK系列等，但是随着科学技术的发展和高性能战斗机对供氧系统提出越来越苛刻的要求，特别是随着分子筛制氧技术的进步，使飞机高速远程飞行成为现实，但其富氧压力可能低到0.08MPa，传统机械式的氧气调节器其最低入口压力0.38MPa已不适应这种技术。相比之下，电子式氧气调节器调节精度更高，响应速度更快，体积微小，更易于精确控制的实现。基于以上优点，电子式氧气调节器将是未来航空供氧发展的主流。

电子式脉冲供氧调节器作为新型的供氧调节方式，具有更加智能化的供氧特点，能够根据海拔高度的变化和人体呼吸节奏，自动调节供氧量，提高用氧效率，从而达到高效供氧省氧的目的，并进一步降低供氧装备的体积和重量。目前，国外已经将其应用于航空、探险和医疗急救等领域，国内也开始逐步引进和研发这类供氧装备，进一步拓展到航空航天飞行、单兵高原作战，高原旅游等军民两用领域[2]。

在脉冲式供氧调节器的设计中，控制规律的摸索和控制器本身的设计占据了主导地位，强大的控制算法和高效的驱动电路将大大提高整个供氧调节器的工作能力，实现传统氧调器无法做到的快速、精确、低入口压力和大供气量。在我国电控供氧的技术运用还基本空白[3]。本文针对人体的呼吸原理，提出脉冲式供氧调节器控制过程的技术要求，采用STM32为核心的控制单元，通过硬件电路设计和软件控制流程设计，实现脉冲供氧的控制功能。并通过低压舱高空模拟试验，验证了该供氧流程的合理可行性。

1呼吸规律控制

1.1呼吸供氧原理

人体正常呼吸时，呼和吸的气量随频率而变化。通常情况下，一个呼吸周期T=2s~4s，吸气时间约为，呼气时间约为[4]。在吸气阶段的前0.5s内，吸气量最大，因此，在吸气的前0.5s供氧是最有效的。采用鼻吸管呼吸时，人体对气体的吸入和呼出产生的压力随时间的变化关系基本上呈正弦函数关系[5]，如图1曲线所示。当人正常吸气时，鼻吸管内的压力呈相对负压状态，而呼气时压力则呈相对正压的状态[6，7]。

1.2脉冲供氧控制原理

脉冲供氧的控制原理正是充分利用到吸气阶段的前0.5s内高效用氧原理，在检测到吸气状态的负压信号时，开启供氧，仅供吸气的前一阶段，满足人体呼吸需求，然后等待下一个吸气的负压信号，其原理如图1方形图所示。

采用脉冲供氧的控制原理，即实现了供氧效能的最大化，也满足了节省氧气的目的，使得供氧设备的使用时间提高五倍以上。

图1呼吸规律曲线

2脉冲供氧调节器控制系统设计

2.1控制系统结构

以微控制器为主体的控制电路是脉冲供氧调节器的核心部件，它能够将传感器采集到的信号进行处理，按照控制程序的要求向执行机构输出控制信号，从而实现电子式氧气调节器在各个飞行高度上的功能。控制电路大体上可以分为三个部分，其框架图如图2所示。

图2电子式氧气调节器控制系统原理框图

电子式氧气调节器控制系统主要由微控制处理器、吸气传感器、高度传感器、声提示/报警装置、光提示/报警装置、比例电磁阀及控制手柄等组成，电子式氧气调节器控制系统原理图如图3所示。各部分主要功能如下：

1）微控制处理器：数据采集和处理，控制整个系统的运行；

2）压差传感器：检测呼吸腔与外界环境的压力差；

3）高度传感器：检测外界环境气压，从而得到工作环境高度（座舱高度）；

4）比例电磁阀：控制供气速率；

5）控制手柄：氧气调节器开机启动；

6）声提示/报警装置：电子式氧气调节器工作出现故障时进行报警；

7）光提示/报警装置：提示电子式氧气调节器的工作状态或工作出现故障时进行报警。

图3电子式氧气调节器控制系统原理图

2.2控制系统供氧工作流程设计

脉冲式供氧调节器供氧时的控制时序如图4所示，图4中黑色虚线表示未供氧情况下的压差传感器检测到的压力差；黑色粗线表示按规律供氧情况下的压差传感器检测到的压力差。具体检测和控制流程如下：

1）时刻（a）吸气开始呼吸腔内形成负压，与外界环境产生压力差，压差传感器传感器电位降低。

2）为防止传感器信号波动干扰设定呼供氧阈值，时刻（b）压差值降低到供氧阈值，控制系统判定产生吸气动作，控制系统控制比例电磁阀开启并控制其开度开始向呼吸腔内供氧。

3）由于吸气前期吸气速度较大，供氧速度小于吸气速度，呼吸腔内负压持续增大，时刻（c）压差达到最大值，即最大吸气阻力值。随后吸气速度变小，压差值降低。

4）时刻（d）压差传感器检测到呼吸腔内压差值为0Pa，控制系统判定为吸气结束，控制系统控制比例电磁阀关闭停止供氧，吸气供氧结束。

5）控制系统持续检测压差值，判定下次吸气重复上述流程。

图4供氧工作时序图

3脉冲供氧调节器电路设计

脉冲供氧调节器的电路主要包括三个单元：传感器的信号采集系统输入，单片机控制单元控制算法计算，比例电磁阀及声光报警单元的输出。各单元的电路连通后，通过单片机控制程序实现电子氧气调节器的调控功能。

3.1传感器信号采集

压差传感器选用SMI公司的SM5852-015W，SM5852-015W为硅微结构压差传感器，具有放大、充分校准、多阶压力修正和温度补偿功能，并集成信号调节ASIC技术，经过放大、高精确性、校准过的压差信号可以通过数字接口和模拟输出，大大简化了使用。

压差传感器SM5852-015W检测呼吸腔内压差值，输出信号为模拟电压信号，将模拟信号输入微控制处理器将模拟信号转换为数字信号，进而计算得到压差值。其电路原理图如图5所示。

图5压差传感器SM5852-015W电路原理图

高度传感器采用BOSCH公司的BMP180，BMP180是一款高精度、小体积、低能耗的压力传感器，可以应用在移动设备中，绝对精度最低可以达到3Pa，并且耗电极低，只有3μA，通过IIC总线直接与各种微处理器相连。

高度传感器BMP180检测环境气压值，传感器内部通过A/D转换、温度补偿输出信号为数字信号，高度传感器BMP180通过IIC通信协议与微控制处理器通信，将气压值输入微控制器，进而计算得到环境高度。其电路原理图如图6所示。

图6高度传感器BMP180电路原理图

3.2信号处理和控制模块

微控制处理器是控制系统的核心器件，用于处理传感器数据及系统流程控制。微控制处理器采用ST公司的STM32系列，STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。

整个电路通过降压电路将高电压（12V）降低为低电压（3.3V）供微控制处理器使用。微控制处理器根据传感器数据，控制比例电磁阀、蜂鸣器、发光二极管的开闭。其电路原理图如图7所示。

图7主控制系统电路原理图

3.3比例电磁阀驱动

比例电磁阀采用美国Parker公司的MAXHP微型比例阀电磁阀，MAXHP是一个微型高流量比例电磁阀，在0.3MPa压力下，可达到200L/min最大流量能力，同时消耗功率不到2W，功耗比同类微型其它比例阀功率降低25%，该阀提供了高可控范围内的流量。该阀门的驱动压力为12V，而电路其他结构只需3.3V电压，为此，电路引入降压模块，将高电压（12V）降低为低电压（3.3V）供微控制处理器使用。微控制处理器根据传感器数据，控制比例电磁阀、蜂鸣器、发光二极管的开闭。

微控制处理器通过微型比例阀电磁阀MAXHP的开度控制供氧流量的大小。比例电磁阀的开度和作用在其两端的电压成线性关系，微控制处理器产生高速PWM信号输出至比例电磁阀的控制端控制比例电磁阀两端的电压，从而根据需要调整比例电磁阀的开度和供氧流量，其驱动电路原理图如图8所示。

图8微型比例阀电磁阀控制原理图

4脉冲供氧调节器控制流程设计

脉冲供氧调节器各电路单元之间通过单片机实现连接，并通过控制程序实现调控功能，具体流程如下：

图9控制程序流程图

系统开机信号启动后，单片机开启电路自检测功能，自检合格后，进入正常工作状态。单片机根据检测到的压差传感器的呼吸信号决定电磁阀开启，并根据高度传感器检测到的海拔高度，测算比例电磁阀的开度，当单片机再次检测到呼吸信号的压差达到临界值以下，关闭电磁阀，一次完整的供氧活动结束。

5试验结果

将脉冲式供氧调节器与呼吸面罩连接后，佩带在呼吸机头模上，将头模的呼吸频率设置为f=20次/min，放置于低气压箱，模拟不同海拔高度大气环境下飞行员正常呼吸，开展测试，检测面罩内的吸气阻力随海拔高度的变化情况。试验采集了四套样机的呼吸模拟实验，检测结果如下表1所示：

表1呼吸模拟测试数据表

根据GJB1013-90[8]规定，20L/min呼吸频率下，呼吸器具吸气压力峰值绝对值不大于640Pa，将检测数据绘制成曲线如下图10所示：

图10测试结果对比曲线

6结论分析

通过图8曲线可以得出以下结论：

1）整个呼吸过程中，地面呼吸阻力最大，因为此时氧气调节阀尚未开启，没有供氧活动下的呼吸阻力主要来自面罩；

2）在3000—6000m高空环境中，吸气阻力趋于平稳。在6000-8000m段出现阻力增大，后又开始减小。这是由于从5000m以后，开始在面罩内形成安全余压，导致压差传感器检测到与5000m以前同样的呼吸压差信号需要飞行员更大的肺通气量，呼吸阻力自然增大。8000m以上必须提供纯氧，因此在8000m以前，电子氧气调节器就已经提前关闭空气活门，为面罩提供纯氧。随着吸气阻力的增加，电子氧气调节器加大氧气阀门开度，增加供氧量，进而减小阻力。

上述实验结论与供氧流程设计的结果相一致，说明电子式氧气调节器能够按照呼吸规律的变化自动调节供氧量，满足人体呼吸需求。测试曲线显示调节器能够保证万米以内的吸气阻力在GJB1013-90要求的范围以内，甚至不到一半，大大减小了高空环境稀薄空气带来的呼吸困难问题，改善效果明显。

参考文献：

[1]肖华军.航空供氧防护装备生理学[M].军事医学科学出版社，2005.

[2]刘国辉，肖华军，王桂友，etal.电子脉冲式供氧装备供氧防护性能实验评价[J].科学技术与工程，2014，14（4）：26-32.

[3]俞笑，孙兵，林贵平，等.ATmega128单片机在电子式氧气调节器上的应用[J].微计算机应用，2009，30（12）：50-56.

[4]http：//www.portableoxygen.org/conserversandcannulas.html

[5]贺少恒，程西云.呼吸机压力控制通气吸气策略仿真研究[J].计算机与现代化，2010（9）.

[6]郝连旺，宋涛.呼吸信号检测方法的研究[J].微纳电子技术，2007，44（7）：12-16.

[7]朱兴喜，彭红，戚仕涛，etal.呼吸同步供氧装置的研制[J].中国医疗设备，2002，17（9）：4-6.

[8]GJB1013-90，航空供氧装备呼吸阻力容许界限[S].