（机械电子工程专业论文）心肺复苏模拟人控制系统的设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 自2 0 世纪6 0 年代以来，心肺复苏已成为全球最为推崇且普及最为广泛的急救技术。 当溺水、触电、窒息、吸入有毒气体等意外事故发生时，由于缺少专业的心肺复苏人员不 能及时采取正确的救治方法，患者更容易出现危机或死亡。如何更科学地指导广大人民群 众学习心肺复苏技术已经成为当今医学界普遍关注的问题。但是随着医疗体制的改革和病 人自我保护意识的增强，将真正的患者作为实习“道具 ，容易引起医疗纠纷，病人及家 属往往拒绝学生实习，加之现在学生数量多，典型病例少，使得医疗与教学之间的矛盾日 益突出。因此，开发一套心肺复苏模拟入控制系统来模拟真人进行心肺复苏技术培训有着 极大的现实意义和使用价值。 本文根据最新国际心肺复苏指南标准，研究并设计了一种基于双c p u 的心肺复苏模拟 人控制系统。论文首先对心肺复苏重要性、心肺复苏以及模拟人的发展状况进行了综述， 概括了心肺复苏模拟人控制系统的实际意义。其次，根据系统的设计要求和性能指标，提 出系统的总体设计方案。接着，详细阐述了系统的各硬件模块。硬件部分主要包括光电检 测模块、语音模块、状态显示模块、数码显示模块、液晶显示模块、打印接口模块、独立 按键模块和模拟人瞳孔与颈动脉的接口电路模块。然后，从软件设计方面阐述了各功能模 块的具体实现。程序设计采用模块化设计的思想，使用c 5 1 语言进行系统软件的编写。这 样，不仅使得软件的设计易于理解、维护，而且便于产品的完善和升级。最后，对基于双 单片机a t 8 9 s 5 2 为核心的心肺复苏模拟人控制系统进行了系统调试。经系统测试验证，该 心肺复苏模拟人控制系统完成了所预期的全部功能。 使用本课题开发的这套心肺复苏模拟人控制系统进行教学培训，与传统教学方式相 比，改变了“光说不练 的弊端，使得进行心肺复苏技能培训人员的理论知识得到更进一 步的实践。由于该系统具有成本低、携带方便、性价比高、运行可靠、功能强大等特点， 因此，具有较好的推广价值。 关键词：心肺复苏，模拟人，控制系统，a t 8 9 s 5 2 单片机 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t c p r ( c a r d i o p u l m o n a r yr e s u s c i t a t i o n ) h a sb e c o m et h ew o r l d sm o s tr e s p e c t e da n dm o s t w i d e l y p o p u l a rf i r s t - a i dt e c h n i q u es i n c e1 9 6 0 s b e c a u s eo ft h el a c ko fs p e c i a l i z e dc p rp e r s o n n e l t os u p p l yp r o m p t l yc o r r e c tt r e a t m e n tm e t h o d ，m a n yp a t i e n ma r eo nc d s i so ri nd e a t hw h e n d r o w n i n g ，e l e c t r o c u t i o n ，s u f f o c a t i o n ，i n h a l a t i o no ft o x i cg a sa c c i d e n ta n ds oo n h o wt om o r e s c i e n t i f i c a l l yg u i d et h eb r o a dm a s s e so fp e o p l et o l e a r nc p rt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h e c o m m o nc o n c e r no ft h em e d i c a lp r o f e s s i o n h o w e v e r , 丽t ht h em e d i c a ls y s t e mr e f o r ma n d p a t i e n t ss e l f - p r o t e c t i o nc o n s c i o u s n e s si n c r e a s e d ，i ti sd i f f i c u l tt ol e tt h er e a lp a t i e n mb e c o m e p r a c t i c e ”p r o p s ”t h i si sp r o n et om e d i c a lm a l p r a c t i c ea n do f t e nr e f u s e db yp a t i e n t sa n dt h e i r f a m i l i e s p l u sn o w a d a y st h en u m b e ro fs t u d e n t si sm o r eb u tt y p i c a lc a s e sl e s s ，t h ec o n f l i c t b e t w e e nh e a l t hc a r ea n dt e a c h i n gi si n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t t h e r e f o r e ，i tm a k e sg r e a tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c ea n dv a l u et od e v e l o pac p rs i m u l a t i o nm a n i k i nc o n t r o ls y s t e mt os i m u l a t er e a l h u m a nc p r t r a i n i n g t h ec p rs i m u l a t i o nm a n i k i nc o n t r o ls y s t e mw a ss t u d i e da n dd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e l a s t e di n t e r n a t i o n a lc p r s t a n d a r d f i 础y ，t h ei m p o r t a n c eo fc p ra n dt h ed e v e l o p m e n to fc p r a n dt h es i m u l a t i o nm a n i k i nw e r er e v i e w e d ，a n dt h ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo ft h ed e s i g no ft h e c p rs i m u l a t i o nm a n i k i nc o n t r o ls y s t e mw a ss u m m a r i z e d s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h es y s t e m s d e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ，t h eg e n e r a ld e s i g ns c h e m eo ft h es y s t e mw a s p r o p o s e d t h e n ，t h ev a r i o u sh a r d w a r em o d u l e s ，i n c l u d i n go p t i c a ld e t e c t i o nm o d u l e ，v o i c e m o d u l e ，t h es t a t u sd i s p l a ym o d u l e ，t h ed i g i t a ld i s p l a ym o d u l e ，l c dm o d u l e ，t h ep r i n ti n t e r f a c e m o d u l e ，i n d e p e n d e n tk e ym o d u l ea n dt h ei n t e r f a c ec i r c u i tm o d u l eo ft h em a n i k i n sp u p i la n d c a r o t i d , w e r ed e s c r i b e di nd e t a i l a n dt h e n t h er e a l i z a t i o no fe a c hf u n c t i o n a lm o d u l ew a s d e s c r i b e df r o ms o f t w a r ed e s i g n p r o g r a m m i n gw a sa c c o r d i n gt ot h em o d u l a rd e s i g n ，u s i n gc 5 1 a st h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g e i tn o to n l ym a d et h es o f t w a r ed e s i g ne a s yt ou n d e r s t a n da n d m a i n t a i n ，b u ta l s of a c i l i t a t et h ep r o d u c t si m p r o v e m e n ta n du p g r a d i n g f i n a l l y , t h ec p rs y s t e m ， w i t hd u a lc o r ec p uo fa t 8 9 s 5 2 ，w a sd e b u g g e d b ym e a n so fp r o o ft e s t ，t h ec p rm a n i k i n c o n t r o ls y s t e mc o u l dc o m p l e t ea l lt h ed e s i r e df e a t u r e s t e a c h i n ga n dt r a i n i n gp e o p l eb yt h ec p rs i m u l a t i o nm a n i k i nc o n t r o ls y s t e md e v e l o p e do n 江苏大学硕士学位论文 t h i sp a p e re l i m i n a t e dt h ed i s a d v a n t a g e so f av o i c ea n dn o t h i n gm o r e a n dg o tf u r t h e rp r a c t i c e f o rt h e i rt h e o r yo fs k i l lt r a i n i n g s i n c ei tw a sl o w - c o s t ，p o r t a b l e ，c o s t - e f f e c t i v e ，r e l i a b l e ，p o w e r f u l ， a n ds o0 1 1 ，t h i ss y s t e mh a dag o o dv a l u eo fe x t e n s i o n k e y w o r d s ：c p r ，s i m u l a t i o nm a n i k i n ，c o n t r o ls y s t e m ，a t 8 9 s 5 2m i c r o c o n t r o l l e r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保好。 一虢触虢蜘亿 秒【b 年6 月彳日 陋。耳日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：弛张嚣 日期：沙卜年月e 1 江苏大学硕士学位论文 1 1心肺复苏重要性 第一章绪论 自2 0 世纪6 0 年代以来，心肺复苏已成为全球最为推崇且普及最为广泛的急救技术。 在美国，每年约有1 0 0 万人患心血管疾病，约5 0 万人死于心脏骤停【1 1 。在任何突发情况的 急救中再没有比抢救心跳、呼吸骤停伤员更为紧迫重要了。 在日常生活中，健康人由于突发引起的心脏骤停，如触电、溺水、气管异物、某些药 物中毒、高空作业、旅游意外、交通事故、自然灾害、心脏病急症猝死、冠心病、心律失 常等多种心血管疾病等所造成心脏骤停 2 - 4 1 ，如立即采取及时有效的心肺复苏，存活率将达 7 0 8 0 。如在心脏骤停4m i n 内进行，成功率可达到3 2 ，而如迟延4m i n 以上，成功 率则仅为1 7 5 1 ，而1 0 m i n 以上进行复苏者，存活的可能性几乎为零【6 1 ；然而即使在城市 社区的急救网络健全、受理急救电话迅速，救护车服务系统反应灵敏的情况下，从接到电 话至救护车或者专业人员到达现场一般均需十分钟甚至更长的时间。因此，第一目击者是 否会使用心肺复苏技术对于抢救生命来说非常重要，并且第一目击者的c p r 基本技能掌握 情况也将大大影响心脏骤停患者的存活机率。特别是对护士、医生、警察、消防人员、强 电操作人员等特殊人群，更是尤为重要。如：在医院里，护士与住院患者接触最为密切， 常常是第一个到达现场，因此护士掌握c p r 的程度是急救能否成功关键因素之一 7 - 8 1 。 如何科学地指导广大人民群众学习心肺复苏技术已经成为当今医学界普遍关注的问 题。但是随着医疗体制的改革和病人自我保护意识的增强，若将真正的患者作为实习“道 具，不但病人及家属往往会拒绝学生实习，而且容易引起医疗纠纷；加之现在学生数量 多，典型病例少，使得医疗与教学之间的矛盾日益突出。因此，开发一套心肺复苏模拟人 控制系统来模拟真人进行心肺复苏技术培训有着极大的现实意义和使用价值。 使用本课题开发的这套心肺复苏模拟人控制系统进行教学培训，不但可以培训出一批 心肺复苏专业人员外，还可以大力发展群众性的心肺复苏技术培训。 1 2 国际心肺复苏指南概述 所谓心肺复苏( c a r d i op u l m o n a r yr e s u s c i t a t i o n ，c p r ) ，就是针对心跳和呼吸骤停所采 取的“救命技术 。 1 江苏太学硕士学位论文 患者发生心脏骤停以后，几秒钟内就会变得毫无意识身体各部位肌肉m 紧绷变为松 弛。根掘豳际c p r 最新标准，要使忠者恢复心跳，需进行心肺复苏需要以下几个步骤，如 圈1 - 1 所示。 检测刊g 着i 、 无大自臆盛搏憩慰 详估蠹识擅打1 2 0 一，誊蒜嚣擦 锗? 燃篇警 艘置心青赉贽 进行人i 砰吸 * 行接3 。衣：最气2 汰，如此辑g e i 恢复。脯 酾婺 拄准按压位置进行脾抖按压 瀚 榆a 颈动辣和呼吸 囤1 一l o 肺复苏简易抹作滴月e 覆其示意图 f i 9 1 - 1t h es i m p l e p r o c e s s e sa n d t h es c h e m a t i c o f c p r 1 、确定有无意识 急救者到达患者身旁时，应快速削断患者是否有意识，可通过轻拍、摇动并大声呼叫 等不会造成患者身体伤害的动作，税其有无反应，紧接着检测有无呼吸及大动脉搏动。若 患者无任何反应，即可判定心跳停止，拨打急救号码1 2 0 后，立即开始c p r 。 2 、口对口人工呼吸 无论患者有无外伤，在进行c p r 之前，因先将患者平躺仰卧在较硬的平面匕，如患者 处于弯曲或俯卧位，因将其翻转成仰卧姿势。然后，急救者先用一只手的拇指、食指捏住 患者双侧鼻f l ，另一只手深入下颈托起往后仰7 0 - 9 0 度，使患者t 道放开，便于人丁呼吸。 深吸一口气，用口对准病人的口唇，平稳的吹气，吹气不能太急太多，仪需脚廓略有隆起 即可。成人吹气最应为：7 0 0 m 1 1 0 0 0 m ，且每次呼吸时j 持续1 秒以上。这个度一定要好 好把握，若吹。t 量太多或太急，不仅不会进步提高携带氧气效果，相反地会使脾内压增 加致回心血量减少，出现心血排出量f 降的不良效果，并- 能引起肖扩张：若吹气量过 2 江苏大学硕士学位论文 小，则起不到什么急救效果。吹气后，急救人员的口唇离开，并松开捏鼻的两指，使气体 呼出。 虽然经过人工呼吸传染疾病的可能性不是很大，但是出于患者可能患有某种传染病的 角度以及卫生和心理的角度，可用塑料面罩或者类似的护膜进行人工呼吸。但是在没有这 些工具的时候，不要犹豫，应立即实行急救。 3 、胸外心脏按压 国际心肺复苏指南规定，胸外心脏按压的部位位于胸骨与胸椎之间。与人工呼吸一样， 胸外心脏按压在患者平躺仰卧在坚硬的平面的前提下才能进行。对于非专业医疗救护人员 来说，直接通过目视找准按压位置有一定的难度。最方便可靠的方式是，救助人员在伤病 者的肩旁，伸出靠近伤病者的下肢的手部，以中指顺肋骨下缘向上滑动到剑突下( 胸骨最 下端) ，这时食指和中指与胸骨长轴垂直，食指上方的胸骨的正中区即为按压斟1 0 l 。找准 按压的正确位置后，双手交叉叠在一起，手臂垂直于患者胸部。按压幅度应为4 - 5 c m ：不 可过大或过小，按压过小可能起不到急救的效果，按压过大可能会压溃患者的胸骨。每次 按压后必须解除压力，使胸部回到正常位置。同时心脏按压频率不可忽快、忽慢，成人按 压频率1 0 0 次分。 4 、操作顺序 最新心肺复苏指南推荐按压通气比为3 0 ：2 ，即每进行3 0 次胸外心脏按压再给予2 次有效的人工呼吸。每隔4 5 分钟对患者检查一次脉搏和呼吸，检查时间大约5 秒，循环 反复执行，直至患者恢复心跳。注意，第一次先对患者进行2 次有效吹气后，再进行胸外 心脏按压。 1 3 心肺复苏发展状况 1 3 1 国外 近2 0 年来，西方发达国家在心肺复苏领域取得了很大的进展，并在专业急救机构的 设置、急救网络的形成、急救呼救的应答、现场抢救的组织、急救专业人员及志愿人员的 培训方面制定了一系列规范化的标准。美国于1 9 6 6 年、1 9 7 3 年、1 9 8 5 年、1 9 9 8 年陆续举 行了全国性会议，讨论修改并制定了新的心肺复苏标准和指南，并在2 0 0 0 年由美国删美 国心脏协会) 牵头编写了适合于全世界各国的国际复苏指南2 0 0 0 ，于2 0 0 5 年对该指南 进行了再次修订。根据指南的要求，美国开始对医务人员进行规范化培训，并在社会人群 3 江苏大学硕士学位论文 中大力推广普及，取得了令人瞩目的成绩。至目前为止，美国已有4 5 0 0 万人接受了c p r 培训，正规受训的人数约2 5 0 0 万，通过现场急救人员的急救，每年可挽救1 0 万。2 0 万人 的生命。 在西方以c p r 为主的急救知识及技能的普及推广程度，往往成为该城市社区文明程度 的一个标志。对社会人员大力开展急救培训，可使更多的第一目击者，在目击现场对心跳 呼吸骤停的患者采取及时有效的现场急救措施，使患者的抢救成功率及生存率大大提高。 与急救关系最密切的公安、消防、建筑、电力、体育、旅游、保险、服务等行业以及从事 红十字会、老年保健、教学等社会工作者均是c p r 要培训和普及的主要对象。一旦他们掌 握了c p r 的急救知识及技能，就可以在紧急情况下现场实施心肺复苏，为医务人员的进一 步救护打下良好的基础。在国外，许多意外事件均是警察最先到达现场，因此，c p r 培训 也是警察必备的功课。 据调查统计，在美国的堪萨斯市，由于在各个社区装备了心肺复苏系统，突发性心脏 骤停病人的成活率从3 提高到了1 0 ，足足提高了3 3 倍【9 】 1 3 2 国内 我国推广c p r 知识是从2 0 世纪8 0 年代开始。1 9 8 3 年9 月中国红十字会和北京心肺 血管中心联合引进美国心脏学会心肺复苏技术，在北京举办心肺复苏首个师资培训班。 1 9 8 6 年5 月中国红十字会委托江苏举办了我国南方1 2 省的心肺复苏师资训练班，从而对 我国c p r 的推广普及起了进一步的推动作用。 c p r 能否取得满意的效果，关键在于能否及时、正确地实施现场心肺复苏。而要实施 现场救治和提高现场心肺复苏的水平，则必须面向广大群众大力普及心肺复苏的基本知 识，使社会上不同阶层、不同人群、不同场合中均有人了解c p r 的基础知识和掌握c p r 的正确操作方法。在这一方面江苏省走在了全国的前列。1 9 8 6 年8 月江苏省红十字会向江 苏省公安厅、交通厅、商用厅和卫生厅联合发出了关于开展群众性救护训练的通知， 将c p r 列为其主要训练内容。江苏省红十字会在普及心肺复苏方面做了大量的工作，至 1 9 9 8 年年底，已有1 2 0 余万人次接受了江苏省红十字会正规的c p r 培训，如表1 - 1 所示【1 0 l 。 继江苏省开展推广普及c p r 培训以来，心肺复苏培训工作在全国各地相继展开。中国 国家卫生部、公安部、铁道部、交通部、商业部、中国民航总局、国家旅游局和中国红十 字会总会于1 9 8 7 年2 月联合发出了“关于开展群众性卫生救护训练的通知 。同年6 月， 红十字会总会、煤炭工业部、石油工业部、地质矿产部联合发出了相同内容的通知，通知 4 江苏大学硕士学位论文 中指出训练对象应是首先处于或最先到达出事现场的人员，如公安系统的交通、治安、消 防和派出所干警，铁路、公路和海上运输系统的列车员、船员、司售人员，民航系统的机 组人员，宾馆、饭店和商店的服务人员，营业人员，营业人员及旅游系统的司机、导游等 袁1 - 1 江苏省红十字会普噩c p r 人数 年份人数年份人数 1 9 8 41 0 1 71 9 9 28 0 2 9 2 1 9 8 5 9 3 2 8 1 9 9 31 0 1 5 6 6 1 9 8 6 1 2 7 6 61 9 9 41 5 9 7 1 2 1 9 8 7 1 9 3 0 31 9 9 51 1 2 8 4 l 1 9 8 82 1 7 8 11 9 9 61 2 7 0 2 4 1 9 8 9 4 0 5 7 21 9 9 71 5 1 3 0 3 1 9 9 06 3 9 3 71 9 9 82 4 6 5 4 1 1 9 9 17 8 0 7 4总计1 2 2 6 0 7 1 1 4 模拟人发展状况 随着社会的发展和科技的进步，一切社会活动以人为本的理念越来越为人们所关注。 模拟人的研究正是以人为本的典型例子之一。欧美等国家从2 0 世纪4 0 年代就开始了对模 拟人的研究，具有代表性的为美国第一安全技术公司( f i r s t t e c h n o l o g y s a f e t y s y s t e m ) 、荷 兰v o l v o 公司和荷兰t n o 公司。从世界上第一个模拟人s i e r r as a m 到目前较新型的t h o r , 模拟人的研究得到了不断的发展川。图1 - 2 为模拟人的一些典型案例。 a b c 田1 - 2 模椒人的一些典型案啻6 f i g l - 2 , 3 0 1 1 1 e t y p i 叫c a 辎o f t h es i m u l a t i o n m a n i k i n n ：针是模拟人，b ：汽车碰撞模拟人，c ：航天模拟人) 江苏大学硕士学位论文 在工业领域，模拟人是现代高速运载工具如汽车、高速列车、飞机及航天器等的第一 批乘客，是各项危险试验如汽车碰撞试验、飞机弹射座椅研制试验、跳伞试验、直升飞机 着地试验等的人体替身，是设计制造和评价乘员的操作性、安全性及生命保障系统的可靠 性的依据【1 2 。1 4 j 。我国“神舟三号飞船上装载就是模拟人。它采用物理化学的方法模拟人 体代谢，模拟人体耗氧、产热等代谢指标。“模拟人 的形体、质心、重量分布、关节活 动度、“肌肉”弹性等均与真人十分相似，为航天员进入太空提供可靠的依据【1 5 】。 在医学领域，仿真人体模型是医院的第一个病人，是模拟实验的工具，是万死不辞的 替身。2 0 0 1 年6 月，哈弗医学院将美国医学教育科技公司( m e d i c a le d u c a t i o nt e c h n l ) 生 产的现代模拟人应用于医学教学：革命性地改变了医学的现状【1 6 1 。医疗培训模拟人技术是 一门利用模拟技术创设高仿真模拟病人和临床情景来代替真实病人进行临床医学教学实 践的医疗培训技术。它改变了传统医疗培训“光说不练 的弊端，使技能培训的理论知识 得到更进一步的实践。目前，该技术已应用在医疗领域，为培训者提供逼真的医疗环境， 通过在模拟人身上进行医疗技术操作，可有效地提高医疗培训者的技能掌握程度以及熟练 程度。本课题研究的对象，正属于医疗培训模拟人技术范畴。 1 5 课题研究的意义及主要内容 1 5 1 课题研究的意义 1 、在我国，多数临床医学护士仅在学校学习过c p r 技术，且练习机会相对较少，毕 业后更是很少有机会参加心肺复苏急救培训。因此，迫切需要寻找一种经济、方便、有效 的心肺复苏培训方法。本课题开发的这套心肺复苏模拟人控制系统，较好地地解决了这个 难题。 2 、在一些发达国家平均每三个成年人中，有两人以上掌握心肺复苏技术。但在我国 心肺复苏技术尚未普及，当发生溺水、触电、窒息、吸入有毒气体等意外事故发生时，由 于缺少专业的心肺复苏人员，或者没有及时采取正确的救治方法，而使患者出现危机或死 亡。因此可以通过采取心肺复苏模拟人这种教学培训方式，除了可以方便的培训出一批 心肺复苏专业人员外，还可以大力发展群众性的心肺复苏技术的培训f 1 7 1 。 3 、国外的假人( 模拟人) 基本都是按照欧美人的身体特点和力学特性设计的。我国 的假人( 模拟人) 研制尚处于起步阶段，关于假人的研究基本上为理论性的【1 8 1 。 4 、我国现阶段使用的心肺复苏医疗模拟人很大一部分是从西方发达国家引进，但是 6 江苏大学硕士学位论文 国外的心肺复苏模拟人价格昂贵，而且我国的心肺复苏模拟人控制技术与国际上还有较大 差距f 1 9 1 ，因此，对心肺复苏模拟人控制系统的研究与开发对于提高我国先进模拟人控制系 统的技术有着十分重要的意义。 1 5 2 课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容是设计一套高效、可靠、维护方便、性价比高的心肺复苏模拟 人控制系统，使得心肺复苏模拟人具有数据统计、语音提示、图形显示、打印文字等功能。 其主要工作包含如下几个方面： 1 、研究国际心肺复苏指南的具体内容以及各项注意点，并对心肺复苏模拟人控制系 统需要实现的功能进行了探索，最终选定基于双c p u 的控制体系结构d 2 、研究并设计模拟人内部的呼吸机构、按压机构、瞳孔等机械构件。 3 、完成心肺复苏模拟人电气控制系统的软硬件设计。 4 、完成整个系统的整机调试，确保整个系统具有较好的心肺复苏培训效果。 7 江苏走学硕士学位论文 第二章心肺复苏系统的总体设计 本课题所研究的心肺复苏模拟人控制系统可作如下定义：使进行注塑成型后的模拟人 身体具有与真人近似的触感和外形并在模拟人体内装有适当的机械构件：通过将电气控 名4 系统与装配好的模拟人进行对接以后，受训者便可对模拟人进行心肺复苏实验。 心肺复苏模拟人系统是一个有机的整体，主要由模拟人机械构件和电气控制两大部分 组成，如图2 - i 所示。由控制系统的检测模块把受训者对模拟人机械构件的按压和吹气的 两路物理信号转换为控制系统能处理的电信号，处理嚣随之对其作出反应，完成相关操作。 模拟人f j | f 分控制器部分 k 拟r 顿 i x * “i 】 1 to ，0 m u u j 、 0 】 【j ：“7 h a 1 8 9 s 数码r 月c语卉系统 图2 - i 系统框图茂主要机械机构 f i 9 2 - 1 m e s y s t e m b l o c k 出a 掣帅a n d 曲c m a i n m i c a ib o d y 2 1心肺复苏的机械结构 模拟人的机械结构如图2 - 2 中所示。关键部件主要是弹簧、光缆板、气囊、以及光电 传感器。 田2 2 模拟人实物田厦其内部机械结构 f i 9 2 - 2r e a l g “p ha n d i n t e r n a l m c c h a n l e a ls 廿u 咖啪o f s h u l a t i o n m a n i k i n 8 ，r 一| 盏盘 一 江苏大学硕士学住论文 2 1 1 心肺复苏呼吸系统机构 盈2 3 吹气 0 4 f i 9 2 - 3i n f l a t a b l e m e c h a n i s m l 轻质板，2 气囊，3 支架4 光电发射菅，5 光电接收管，6 光缆板，7 进气管，s 排气管 模拟人吹气过程如图2 - 3 所示，对模拟人进行口对口人工欧气操作时，呼出的气体从 进气管7 进入气囊2 ，气囊2 随即膨胀；光缆板6 与轻质板l 已被螺钉固定成一体气囊 2 的膨胀推动轻质板1 上移，光缆板6 在轻质板1 带动下上移：光缆板两侧放置的光电发 射管4 和光电接收管5 ( 共有两对发射管、接收管) ，随着光缆板6 的移动，光电接收管5 伴随高低电平的输出：采用这种光电传感器检测方式便可将光缆扳移动的距离转换成单片 机可以采集的脉冲量，从而判断吹气量是否合格。 2 1 2 心肺复苏胸外按压系统机构 模拟人的按压过程如图2 4 所示，对模拟人进行按压操作时，在外力作用下压板9 下移， 光缆板1 3 随同压板一同下移，同样地，通过光缆板两侧的光电传感器检测方式，判断按压 深度；外力消失后，在弹簧l o 和弹簧1 4 的弹力作用下，光缆扳和压扳回到初始位置。 i l i2 囤2 - 4 按压机构 f i 萨- 4 p r e s s m a c h a n i s r n 9 压板，1 0 大弹簧，1 1 光电发射菅，12 光缆板，13 光电接收管，1 4 小弹簧， 15 底板 江苏太学硕士擘位论文 213 模拟人瞳孔疑颈动脉机构 心跳骤停后的患者将表现出这样的现象：颈动脉停止、心跳停止、瞳孔散大。经过短 时间心肺复苏急救成功后，患者又将表现这样的现象：颈动脉连续跳动、心脏恢复心跳、 臆孔由原来的散大自动缩小后恢复正常大小。通过下述的结构，模拟人可以形象的表现这 螳现蒙。 + 2 4 v 衔铁 斤 亡卜 。撕 i i 图2 - 5 颈动脖搏动机构( 左：外观实物用，右：内部原理固) f i 9 2 - 5c a r o t i d p u l s e m e c h a n i s m ( l ：r e a l g r a p h o f t h ea p p c a l a l 磷，r ：i n t e m a ls c h e m a t i c d i a g r a n ) 为实现模拟真人颈动脉搏动的目的，系统采用电磁铁作为振动的动力。如图2 - 5 所示， 将两块颈动脉负载放于模拟人颈部两侧，其内部原理图与电磁继电器类似，当电磁铁两端 加卜2 4 v 电压时电磁铁有磁性，将衔铁吸来；断电时饿复原状，当为电磁铁两端提供一 定频率的脉冲电压后，电磁铁便按一定频率振动，从而形象的模拟了患者救活时颈动脉连 续搏动的现象。 图2 - 6 瞳孔正常 f i 9 2 ：6n o n r , a jp u p i l 同样地，利用电磁原理设计的瞳孔机构 圈2 7 瞳孔散太 f 1 9 2 - 7a b n o r m a lp e p 采用在模拟人眼睛两端加不同方向的电压时 瞳孔分别成喃孔正常和瞳孔散大状卷，很好地模拟了患者急救成功时后的瞳孔变化状态。 江苏大学硕士学位论文 2 1 4 模拟人肢体要求 模拟人的选用要符合人体生物力学特性、强度大、耐腐蚀的材料以外，外部造型和轮 廓、各关节活动范围以及触感应与真人尽量相似闭。本系统模拟人采用与人体肌肤颜色近 、 似的硅橡胶作为模拟人的外形注塑材料。 2 2电气控制系统工作原理 心肺复苏模拟人这款控制系统主要是为心肺复苏受训者练习、考核使用，提高受训者 心肺复苏技能而设计。要求控制系统具有工作安全系数高、控制方便、反应能力强、携带 方便等特点。 心肺复苏控制系统工作过程中主要通过对模拟人进行按压和吹气操作，检测按压和吹 气是否过大、是否正确、是否不足、以及是否按压位置正确，并通过l c d 、数码、打印机、 语音等方式来提醒并考核受训者的心肺复苏技能掌握情况。 根据系统的控制功能、成本、现场条件等因素，系统采用以双单片机a t 8 9 s 5 2 为核心 控制器，进行整个硬件控制系统的设计。如图2 1 所示，一片a t 8 9 s 5 2 用于对吹气和按压 这两路物理信号的检测和采集、按压和吹气的状态显示以及o c m l 2 8 6 4 5 的液晶驱动，另 一片a t 8 9 s 5 2 用于键盘检测、语音提示、数码显示、瞳孔和颈动脉动作以及打印操作，两 片单片机通过点对点串行通讯，互相协调工作来完成整个系统的运作。本系统具有如下特 点： 1 、采用双单片机为核心结构，不仅解决了i o 口过少问题，同时减轻了每个c p u 的 负担，提高了系统的处理能力。 2 、功能较为齐全，具有语音、打印、液晶显示、数码显示等功能。 3 、硬件结构和软件结构均采用模块型方式设计，调试方便可靠。 4 、系统抗干扰能力强、可靠性高。 2 3 系统功能 要使心肺复苏模拟人控制系统具有较好的培训效果，该系统应具有以下功能： 1 、对2 2 0 v 市电进行变压、整流、滤波、稳压等过程后，为系统各元器件提供所需的 电压。 1 1 江苏大学硕士学位论文 2 、为了在不同情况下对受训者进行考核，系统具有训练、单人、双人这三种方式。 3 、对模拟人进行人工呼吸或心脏按压时，l c d 动态显示心电波形图；状态柱形指示 灯显示按压幅度和吹气量大小；同时数码显示按压正确次数、按压错误次数。 4 、在单人和双人方式下，系统在2 次吹气有效后，按压与吹气比按照3 0 ：2 的顺序 进行操作。 5 、开机后，需要进行一些系统的参数设置，分别有“请选择工作方式”、“请选择工作 频率 等语音操作提示；在操作过程中，具有“按压过大 、“按压过小”、“按压位置正确、 “按压位置错误 、“吹气过小 、“吹气过大 、“吹气正确 、“急救成功 、“急救失败”等 语音提示 6 、模拟人能够实现瞳孔大小变化以及颈动脉搏动状态，并具有打印等功能。 2 4 本章小结 本章主要介绍了心肺复苏模拟人控制系统的总体设计。首先介绍了心肺复苏模拟人的 机械结构，随后介绍了心肺复苏模拟人的控制系统工作原理，最后介绍了整个心肺复苏模 拟人控制系统需要完成的功能。本章节为下一步的控制系统软硬件的设计提供理论依据。 江苏大学硕士学位论文 第三章控制系统硬件电路设计 心肺复苏控制电路要完成的功能就是：按照国际心肺复苏指南的要求，使受训者在对 模拟人进行操作时，整个系统具有信号检测、语音提示、数据显示、波形显示、打印输出 等功能。系统任务较多，需采用某种控制器来完成对多种外围芯片的控制并对数据进行采 集，下面对不同方案进行论述： 方案一：采用数字信号处理器( d s p ) d s p 集成度高，c p u 运行速度快，能完成许多复杂的控制和数据运算，功能方面能够 完全代替单片机。但其价格较高，对成批生产的产品而言，大大增加了成本。 方案二：采用具有3 2 位的a r m 微处理器 a r m 功能强大，使用流水线技术，使得处理和存储系统能连续工作，有效地提高了 处理器的效率，是一种带有操作系统的高端单片机。本课题中若采用a r m ，仅仅当成一 款单片机使用，大大浪费了a r m 的资源，而且a r m 较单片机而言价格较贵。 方案三：采用m c s 5 1 系列单片机 m c s 5 1 系列单片机价格低廉、开发环境完备、市场应用成熟，用此类单片机已经可 以完全满足课题的功能要求。 作为一种具有较好应用前景的产品而言，在充分满足其功能的前提下，应当尽量采用 成本较低的方式进行产品的系统设计。经研究，选用方案三，即采用5 1 单片机作为心肺 复苏模拟人控制系统的核心处理器。 3 1控制系统总体硬件结构 本文研究的心肺复苏模拟人控制系统是以a t m e l 公司生产的一款低功耗单片机 a t 8 9 s 5 2 为控制核心，如图3 - 1 所示，主要由以下几个模块组成。 ( 1 ) 光电检测模块 为了准确地检测按压深度和吹气量大小，系统采用光电传感器检测的方法；在按压时， 通过检测位置按钮是否被按下的方法来判断按压的位置是否正确。 ( 2 ) 语音模块 提示培训者如何设定各项参数以及对操作过程中各项心肺复苏动作正确与否进行提 示。 1 3 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 状态显示模块 形象的体现按压和吹气是处于何种状态，过大、过小，亦或是正确。 ( 4 ) 数码显示驱动模块 显示按压和吹气过程中正确和错误的次数以及显示单人急救和双人急救模式下的操作 时间。 ( 5 ) 液晶显示模块 主要完成模拟人心电波形图的显示。 ( 6 ) 成绩打印模块 有效地记录每个受训者的心肺复苏技能掌握情况。 ( 7 ) 键盘模块 采用独立键盘模式对系统进行操作模式和操作频率等参数的设置，以及实现系统的复 位、打印等操作。 ( 8 ) 瞳孔和颈动脉模块 模拟人的瞳孔和颈动脉需要2 4 v 供电，m c u 其余外围电路需要+ 5 v 供电；通过继电 器操作的方式，不仅可以实现对模拟人瞳孔和颈动脉的控制，而且可以起到保护控制系统 的作用。 呼吸柱形状态显示l1 按压柱形状态显示 ( 7 4 h c 5 9 5 )i ( 7 4 h c 5 9 5 ) a t 8 9 s 5 2 ( 甲机) 1 1 1 1 )m 哪t 】 a t 8 9 s 5 2 ( 乙机) s p i 数码l e d 显示li 语音系统 ( 皿7 2 7 9 )1 1 ( i s d l 7 6 0 ) 图3 - 1 电- i t 制系统框图 f i 9 3 - is y s t e mb l o c kd i a g r a mo ft h ee l e c t r i c a lc o n t r o l 1 4 液晶显示 ( l c d1 2 8 6 4 ) 脉动和瞳 孔系统 测二测一一 = d 雌一啦一一辨一张姗 一一一一一嗍一 压二气一一键二f e 5 按二吹一一 = 0 江苏大学硕士学位论文 3 2 盯8 9 s 5 2 单片机简介 a t 8 9 s 5 2 是一种低功耗、高性能的c m o s8 位单片机，是a t m e l 公司生产的a t 8 9 系列单片机的一款标准型控制器。把8 0 5 1 内核与其f l a s h 专利存储技术相结合，与m c s 5 1 指令完全兼容，具有较高的性价比1 2 1 1 。其内部结构如图3 。2 所示： v o o p o 7p 2 0 一l ， 图3 - 2a t 8 9 s 5 2 内部结构图 f i 9 3 - 2i n t e m a ls t r u c t u r eg r a p ho f a t 8 9 s 5 2 a t 8 9 s 5 2 具有如下特点：4 0 个引脚，内含8 kb y t e si s p 的f l a s h ，2 5 6b y t e sr a m ，3 2 位并行i o 口，一个8 位的算术逻辑单元a l u ，2 个数据指针，三个1 6 位定时器计数器， 6 个中断源二级中断结构，一个全双工串行口，4 5 5 5 v 的工作电压，看门狗定时器，以 及片内晶振及时钟电路【2 2 l 。 3 3 控制系统的l o 资源分配 一个完整的单片机系统的设计是相当复杂的。硬件设计方面，设计者不仅要对微机系 统本身进行设计，还要根据具体的应用添加外围设备的接口电路和驱动电路。本系统以 a t 8 9 s 5 2 单片机为核心对整个系统进行设计，包括c p u 模块的的设计，i 0 口的分配，各 功能模块的设计，以及电源设计等等。在具体的硬件系统功能框图完成后，根据原理图绘 1 5 江苏大学硕士学位论文 制p c b ，完成整个模拟人系统的设计。 系统c p u 模块采用两片单片机a t 8 9 s 5 2 控制，利用双单片机串行通信，较好地解决 了i 0 口过少问题。由于两块单片机之间距离较短，可以在同一块p c b 板上将两块a t 8 9 s 5 2 的串行接口直接相连，将一方的t x d 与另一方的r x d 引脚连接，从而可以省略常的 m a x 2 3 2 芯片，降低成本。在串行通信中，一个很重要的指标就是表示数据传输速率的波 特率的设置。一般情况下，5 1 单片机的异步通信中，波特率为5 0 b i t s 1 1 5 0 0 b i t s ，该系统 采用常用的9 6 0 0 b i t s 。在双机串行通信中，必须使通信双方具有一致的波特率。 甲机加口分配如下： ( 1 ) p 1 0 p 1 5 管脚分配给两片7 4 h c 5 9 5 使用，驱动4 0 个l e d 灯。 ( 2 ) p 3 0 、p 3 1 分别使用第二功能，分配给r x d 和t x d 用来实现双单片机点对点 通信。 ( 3 )