关键词：
无创呼吸机
FiO2控制
模糊串级控制
PID算法
多任务设计
摘要：
随着社会的进步和科技的发展,氧疗在医疗领域中的地位日益凸显,成为抢救与治疗不可或缺的手段。同时,慢性呼吸系统疾病的发病率在城市化加速和人口老龄化趋势的双重影响下持续攀升。无创呼吸机,作为无创通气的重要辅助设备,其在缓解疾病症状及氧疗方面的有效性已得到广泛认可。本文致力于研发一款基于FiO2自动控制的无创呼吸机,并围绕其展开深入研究。
首先,本文对无创呼吸机的基本理论进行了简要的叙述。第一,对呼吸机的通气模式进行了简单的介绍,并剖析各种模式的特点与适用场景。第二,介绍了无创呼吸机的主要控制参数,并探讨这些参数的合理设置方法。第三,介绍了无创呼吸机在氧疗方面的相关理论。第四,根据无创呼吸机的基本理论,提出了本课题所研究的无创呼吸机的主要功能需求。
其次,本文对无创呼吸机的气路结构和电路设计进行了介绍。第一,构建了无创呼吸机的整体硬件框架和气路结构。第二,针对微控制器、传感器、人机交互、电源管理以及比例阀混氧等关键模块进行了选型,并对相应的电路设计进行了介绍和说明。
再次,本文对无创呼吸机的FiO2自动控制算法进行了设计与研究。第一,从整体上介绍了FiO2控制的流程,并确定了使用模糊串级PID控制的整体控制方案。第二,从传统PID控制、串级PID控制以及模糊PID控制三个方面对PID控制算法进行了介绍。第三,对模糊串级PID控制器的设计流程进行了介绍,并从外环和内环两个环节对该算法进行了详细的设计与实现。
然后,本文对无创呼吸机的软件与人机交互的设计过程进行了阐述。第一,探讨了μC/OS-III实时操作系统的特性及其在本项目中的移植方法。第二,设计了无创呼吸机的多任务软件程序,涵盖了主控、自动混氧、监控报警以及数据存储等关键任务模块,并对每个模块的软件程序流程进行了阐述。第三,简要介绍了LVGL图形库,并在其基础上,开发了按键扫描程序、界面显示程序,以及整体的人机交互界面。
最后,为了全面评估所研发的无创呼吸机的性能,本文构建了多个测试平台。第一,搭建了硬件电路测试平台,对无创呼吸机的硬件部分进行了测试。第二,搭建无创呼吸机基本功能测试平台,验证了无创呼吸机的静态、动态压力控制以及呼吸频率控制等关键性能。第三,搭建无创呼吸机FiO2控制功能测试平台,对无创呼吸机的血氧检测功能、常规氧疗功能和FiO2自动控制功能进行了测试。第四,使用软件测试实验平台对无创呼吸机的软件及人机交互进行了测试。最终测试结果表明,本文所开发的无创呼吸机性能达到设计要求。
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