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原文传递一种真实人体呼吸过程的模拟装置及模拟方法

专利名称：	一种真实人体呼吸过程的模拟装置及模拟方法
摘要：	本发明公开了一种真实人体呼吸过程的模拟装置及模拟方法，包括：电源驱动模块，用于为所述模拟装置中需供电的部件供电；参数调节模块，用于输入呼吸频率及呼吸量的调节信号；嵌入式微控制模块，用于根据参数调节模块输入的调节信号调节输出的PWM控制信号及继电器控制信号，用于输出实时的呼吸频率和呼吸量；PWM控制模块，用于输出气泵电机的控制信号；显示器，用于接收并显示嵌入式微控制模块输出的实时呼吸频率和呼吸量；气泵，用于根据气泵电机的转速及转向实现预定呼吸频率及呼吸量的真实人体呼吸过程模拟。本发明的装置，可对人体呼吸特征进行模拟；可用于模拟检测颗粒污染物环境下，人体微环境及呼吸道内颗粒污染物吸入暴露浓度。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	西安建筑科技大学
发明人：	刘雅琳;刘硕;范彦超;刘荔;王怡
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-28T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-10T00:00:00+0800
申请号：	CN201910575036.5
公开号：	CN110221029A
代理机构：	西安通大专利代理有限责任公司
代理人：	安彦彦
分类号：	G01N33/00(2006.01);G;G01;G01N;G01N33
申请人地址：	710055 陕西省西安市碑林区雁塔路13号
主权项：	1.一种真实人体呼吸过程的模拟装置，其特征在于，包括：电源驱动模块(2)，用于为所述模拟装置中需供电的部件供电；参数调节模块，用于输入呼吸频率及呼吸量的调节信号；嵌入式微控制模块(1)，用于根据参数调节模块输入的调节信号调节输出的PWM控制信号及继电器(10)控制信号，同时用于输出实时的呼吸频率和呼吸量； PWM控制模块(3)，用于根据嵌入式微控制模块(1)输出的PWM控制信号输出气泵电机的控制信号，调节气泵电机的转速及转向；显示器(7)，用于接收并显示嵌入式微控制模块(1)输出的实时呼吸频率和呼吸量；气泵(4)，用于根据气泵电机的转速及转向实现预定呼吸频率及呼吸量的真实人体呼吸过程模拟；所述气泵(4)连通有吸气管和呼气管，吸气管上设置有第一电磁阀(5)，呼气管上设置有第二电磁阀(6)；继电器(10)，用于根据嵌入式微控制模块(1)输出的继电器(10)控制信号实现第一电磁阀(5)和第二电磁阀(6)的通断；其中，第一电磁阀(5)连通时，第二电磁阀(6)断开；第二电磁阀(6)连通时，第一电磁阀(5)断开。 2.根据权利要求1所述的一种真实人体呼吸过程的模拟装置，其特征在于，所述电源驱动模块(2)包括：适配器和降压模块；所述适配器用于连接外部电压；所述适配器输出24V电压供给降压模块、参数调节模块、气泵电机、第一电磁阀(5)和第二电磁阀(6)；降压模块输出3.3V电压供给嵌入式微控制模块(1)、显示器(7)和继电器(10)。 3.根据权利要求1所述的一种真实人体呼吸过程的模拟装置，其特征在于，嵌入式微控制模块(1)包括：微处理器STM32单片机及其控制驱动电路；控制驱动电路分别与PWM控制模块(3)、显示器(7)和参数调节模块相连接；用于驱动显示器(7)，用于驱动参数调节模块中的调节按键，也用于控制信号的输出。 4.根据权利要求3所述的一种真实人体呼吸过程的模拟装置，其特征在于，单片机为STM32F103单片机，采用Cortex-M3内核，内置的定时器可产生多路PWM输出以及多个可操作双向GPIO端口；其通过GPIO引脚与参数调节模块中的调节按键、PWM控制模块(3)中的PWM信号接收端子和GPIO控制端子、显示器(7)的数据信号输入端以及继电器(10)相连接。 5.根据权利要求1所述的一种真实人体呼吸过程的模拟装置，其特征在于，参数调节模块包括参数调节板(9)；参数调节板(9)的调节按键包括：呼吸频率加按键a、呼吸频率减按键b、呼吸量加按键c、呼吸量减按键d、运行/停止按键e和模拟装置总开关f；呼吸频率加按键a和呼吸频率减按键b向嵌入式微控制模块(1)发送呼吸频率增加或减少命令；呼吸量加按键c和呼吸量减按键d向嵌入式微控制模块(1)发送呼吸量增加或减少命令；嵌入式微控制模块(1)根据接收的按键命令调节输出给PWM控制模块(3)的PWM控制信号。 6.根据权利要求5所述的一种真实人体呼吸过程的模拟装置，其特征在于，嵌入式微控制模块(1)根据接收的按键命令调节输出给PWM控制模块(3)的PWM控制信号的具体步骤包括：步骤1，按键按下时，信号反馈至嵌入式微控制模块(1)，使两个GPIO口按照控制逻辑表输出相应的高电平或低电平；同时，使PWM控制信号由微控制器的输出端口输出至PWM控制模块(3)；其中，控制逻辑表为：步骤2，通过PWM控制模块(3)进行光耦隔离和信号放大，用于使PWM信号和逻辑控制信号稳定且不受驱动电路干扰，从而控制气泵电机的转速和转向来实现呼吸量与呼吸频率的调节。 7.根据权利要求5所述的一种真实人体呼吸过程的模拟装置，其特征在于，呼吸频率调节的范围为10-20次/min，每次按键增加或减少的呼吸频率为0.5次/min；呼吸量调节的范围为6-12L/min，每次按键增加或减少的呼吸量为0.5L/min。 8.根据权利要求1所述的一种真实人体呼吸过程的模拟装置，其特征在于，PWM控制模块(3)包括：L298N直流电机驱动电路、光耦隔离电路、欠压过流保护电路；其中，L298N直流电机驱动电路用于将嵌入式微控制模块(1)输出的信号进行放大，从而控制电机的调速及正反转；光耦隔离电路用于消除L298N直流电机驱动电路对嵌入式微控制模块(1)输入信号的干扰；欠压过流保护电路用于防止瞬时大电流烧毁模块。 9.根据权利要求1至8中任一项所述的一种真实人体呼吸过程的模拟装置，其特征在于，还包括：集成箱；嵌入式控制模块、电源驱动模块(2)、PWM控制模块(3)、气泵(4)、第一电磁阀(5)及第二电磁阀(6)均固定安装在可开闭的集成箱内；显示器(7)及参数调节模块均固定安装在集成箱的外壁上。 10.一种真实人体呼吸过程的模拟方法，其特征在于，基于权利要求1所述的模拟装置，包括以下步骤： S1，通过参数调节模块输入呼吸频率及呼吸量的调节信号； S2，通过嵌入式微控制模块(1)根据参数调节模块输入的调节信号调节输出的PWM控制信号及继电器(10)控制信号，同时用于输出实时的呼吸频率和呼吸量； S3，通过PWM控制模块(3)根据嵌入式微控制模块(1)输出的PWM控制信号输出气泵电机的控制信号，调节气泵电机的转速及转向； S4，通过显示器(7)接收并显示嵌入式微控制模块(1)输出的实时呼吸频率和呼吸量； S5，通过气泵(4)根据气泵电机的转速及转向实现预定呼吸频率及呼吸量的真实人体呼吸过程模拟；在模拟过程中，通过继电器(10)根据嵌入式微控制模块(1)输出的继电器(10)控制信号实现第一电磁阀(5)和第二电磁阀(6)的通断；其中，第一电磁阀(5)连通时，第二电磁阀(6)断开；第二电磁阀(6)连通时，第一电磁阀(5)断开。
所属类别：	发明专利