技术领域
[0001] 本
发明属于呼吸模拟技术领域以及呼吸暴露研究技术领域，涉及一种真实人体呼吸过程的模拟装置及模拟方法。
背景技术
[0002] 随着社会经济的不断发展，世界上不少国家的空气
质量问题日趋严重，严重危害人体健康；其中，
呼吸系统疾病的发病率居高不下且有愈演愈烈之势。
[0003] 人是环境的主体，人不仅可以是环境中污染物传播的受体，也可能是污染源；人体
散热也会对人体周围流场以及污染物的传播产生影响，故在进行相关研究时必须有人的参与。但在一些环境相关领域的研究过程中，利用真人进行实验研究从健康安全等
角度考虑是不可取的，例如，在进行呼吸模拟及呼吸暴露的研究过程中。
[0004] 综上，亟需开发一种用来代替真人的模拟人体正常呼吸过程的装置，以评估呼吸暴露
水平。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种真实人体呼吸过程的模拟装置及模拟方法，以解决上述存在的技术问题。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。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] 一种真实人体呼吸过程的模拟装置，包括：
[0008] 电源驱动模
块，用于为所述模拟装置中需供电的部件供电；
[0009] 参数调节模块，用于输入呼吸
频率及呼吸量的调节
信号；
[0010] 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，同时用于输出实时的呼吸频率和呼吸量；
[0011] PWM
控制模块，用于根据嵌入式微控制模块输出的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；
[0012] 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；
[0013] 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；所述气泵连通有吸气管和呼气管，吸气管上设置有第一电磁
阀，呼气管上设置有第二
电磁阀；
[0014] 继电器，用于根据嵌入式微控制模块输出的继电器控制信号实现第一电磁阀和第二电磁阀的通断；其中，第一电磁阀连通时，第二电磁阀断开；第二电磁阀连通时，第一电磁阀断开。
[0015] 本发明的进一步改进在于，所述电源驱动模块包括：适配器和降压模块；
[0016] 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、第一电磁阀和第二电磁阀；
[0017] 降压模块输出3.3V电压供给嵌入式微控制模块、显示器和继电器。
[0018] 本发明的进一步改进在于，嵌入式微控制模块包括：
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、显示器和参数调节模块相连接；用于驱动显示器，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。
[0019] 本发明的进一步改进在于，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控制模块中的PWM信号接收
端子和GPIO控制端子、显示器的数据信号输入端以及继电器相连接。
[0020] 本发明的进一步改进在于，参数调节模块包括参数调节板；
[0021] 参数调节板的调节按键包括：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；
[0022] 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发送呼吸频率增加或减少命令；
[0023] 呼吸量加按键c和呼吸量减按键d向嵌入式微控制模块发送呼吸量增加或减少命令；
[0024] 嵌入式微控制模块根据接收的按键命令调节输出给PWM控制模块的PWM控制信号。
[0025] 本发明的进一步改进在于，嵌入式微控制模块根据接收的按键命令调节输出给PWM控制模块的PWM控制信号的具体步骤包括：
[0026] 步骤1，按键按下时，信号反馈至嵌入式微控制模块，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；其中，控制逻辑表为：
[0027]IN1 IN2 ENA 输出结果
0 0 X
刹车1 1 X 悬空
1 0 PWM 正转调速
0 1 PWM 反转调速
1 0 1 全速正转
0 1 1 全速反转
[0028] ；
[0029] 步骤2，通过PWM控制模块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。
[0030] 本发明的进一步改进在于，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。
[0031] 本发明的进一步改进在于，PWM控制模块包括：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
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。
[0032] 本发明的进一步改进在于，还包括：集成箱；
[0033] 嵌入式控制模块、电源驱动模块、PWM控制模块、气泵、第一电磁阀及第二电磁阀均固定安装在可开闭的集成箱内；
[0034] 显示器及参数调节模块均固定安装在集成箱的外壁上。
[0035] 一种真实人体呼吸过程的模拟方法，基于本发明上述的模拟装置，包括以下步骤：
[0036] S1，通过参数调节模块输入呼吸频率及呼吸量的调节信号；
[0037] S2，通过嵌入式微控制模块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，同时用于输出实时的呼吸频率和呼吸量；
[0038] S3，通过PWM控制模块根据嵌入式微控制模块输出的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；
[0039] S4，通过显示器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；
[0040] S5，通过气泵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，通过继电器根据嵌入式微控制模块输出的继电器控制信号实现第一电磁阀和第二电磁阀的通断；其中，第一电磁阀连通时，第二电磁阀断开；第二电磁阀连通时，第一电磁阀断开。
[0041] 与
现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0042] 本发明的装置是一种基于微控制系统的呼吸模拟装置，其通过对呼吸频率及呼吸量的精确控制，实现对人体呼吸特征的模拟；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；检测结果可为判断颗粒污染物环境对真实人体呼吸道的影响提供较可靠的数据
基础和理论指导。具体的，本发明的呼吸模拟装置能模拟真实人体呼吸的特点，能满足真实人体的呼吸频率和呼吸量，其呼吸的气体流量符合正弦规律曲线，这样能代替原始恒定流量的方式，可更加真实的反应人体呼吸过程，从而能真实的反应人体吸入空气过程，反应人体呼吸区的污染物暴露水平；另外也能更加真实的反应人体呼吸污染物传播规律。本发明的装置运用了高性能的
微控制器及先进的PWM控制技术，控制气泵的正反转及调速来实现人体的呼吸过程，其控制调节
精度高，
稳定性好，响应快。
[0043] 本发明的人体呼吸模拟方法基于本发明的人体呼吸模拟装置，能够克服使用原有的人体呼吸装置所带来的实验误差，可提高实验工况对真实工况的真实反应程度，能准确的反应人体呼吸区污染暴露水平以及人体呼吸污染物的传播规律，可在解决环境中污染物传播问题，提高空气质量中发挥重要作用。
附图说明
[0044] 图1是本发明
实施例的一种基于微控制系统的真实人体呼吸过程模拟装置的整体结构示意图；
[0045] 图2是本发明实施例的一种基于微控制系统的真实人体呼吸过程模拟装置中电源模块的供电示意图；
[0046] 图3是本发明实施例的一种基于微控制系统的真实人体呼吸过程模拟装置中检测与控制信号系统原理示意图；
[0047] 图4是本发明实施例中PWM控制模块的电路示意图；
[0048] 在图1至图3中，1、嵌入式微控制模块；2、电源驱动模块；3、PWM控制模块；4、气泵；5、第一电磁阀；6、第二电磁阀；7、显示器；9、参数调节板；10、继电器。
具体实施方式
[0049] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0050] 请参阅图1，本发明实施例的一种基于微控制系统的真实人体呼吸过程模拟装置，包括：嵌入式微控制模块1、电源驱动模块2、PWM控制模块3、气泵4、显示器7和参数调节板9。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；控制驱动电路与PWM控制模块3、显示器7和参数调节板9相连接，用于驱动显示器7以及参数调节板9中的调节按键a、b、c、d、e、f，也用于协调各模块组件、检测反馈信号及对其的处理、控制信号的输出。具体的，嵌入式微控制模块1包括STM32单片机、复位电路、晶振电路及GPIO端口输出电路；单片机为STM32F103单片机，采用Cortex-M3内核，内置的定时器可产生多达4路的PWM输出，以及数量可观的可操作双向GPIO端口，同时满足本发明中的显示器、PWM输出、调节按键和继电器的驱动和控制需求；嵌入式微控制模块用于整个装置的程序运行控制，包括输出逻辑信号、控制继电器、驱动显示器并给其传输实时参数数据、输出原始PWM信号脉冲、对参数调节板的调节做出反馈。微处理器与外围电路间采用光耦隔离电路进行连接，用于消除强电带来的干扰，挺高传输信号的稳定性。
[0051] 电源驱动模块2与嵌入式微控制模块1、PWM控制模块3、气泵4、第一电磁阀5、第二电磁阀6、显示器7和参数调节板9连接，用于为各模块组件提供与之工作电气特性匹配的电源输入，即用于向嵌入式微控制模块、PWM控制模块、气泵、第一电磁阀、第二电磁阀、显示器和参数调节板提供与之工作电气特性匹配的电源输入。
[0052] PWM控制模块3与嵌入式微控制模块1和气泵4连接，用于将嵌入式微控制模块1输出的原始PWM信号进行转换，从而实现气泵电机的刹车、正反转和调速。
[0053] 气泵4与电源驱动模块2、PWM控制模块3、第一电磁阀5、第二电磁阀6和输出组件相连接，用于作为呼气和吸气的动
力源，输出软管A实现呼气，软管B实现吸气。
[0054] 显示器7与嵌入式微控制模块1和电源驱动模块2连接，由嵌入式微控制模块驱动和显示数据输入，用于显示MCU实时呼吸参数的值以及通过参数调节板调节呼吸参数时，参数的实时变化。
[0055] 参数调节板9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和装置总开关f；参数调节板9与嵌入式微控制模块1和电源驱动模块2连接，用于对呼吸频率和呼吸量进行调节，并将其反馈至嵌入式微控制模块1。具体的，利用参数调节板中的按键，可对呼吸频率和呼吸量这两个人体呼吸的重要参数进行调节，也可实现装置的运行与停止，此时气泵电机处于悬空状态，调节反馈至嵌入式微控制模块，经STM32单片机的处理，调节信号输出至各运行组件，实现参数的调节与装置的运行。
[0056] 请参阅图2，本发明的实施例中，电源驱动模块2的输入电源由适配器转换为24V直流稳压电源，对于气泵4、第一电磁阀5、第二电磁阀6以及参数调节板9，可直接由24V稳压电源供电；而对于嵌入式微控制模块1、显示器7和继电器10，则由电源驱动模块2内置的降压模块降压至3.3V，方可对上述模块组件供电。
[0057] 请参阅图3，嵌入式微控制模块1是整个装置控制系统的核心，作为信号接收、处理及控制信号的释放。具体地，嵌入式微控制模块1中的STM32单片机通过GPIO引脚与参数调节板9中的a、b、c、d、e、f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。
[0058] 参数调节板9的呼吸频率加按键a、呼吸频率减按键b通过GPIO口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，且调节过程通过显示器7实时显示，使调节过程更为直观。参数调节板9的呼吸量加按键c、呼吸量减按键d通过GPIO口向嵌入式微控制模块1发送呼吸量增加或减少命令，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，且调节过程通过显示器7实时显示。根据控制需求编译程序嵌入STM32单片机，该程序实现显示器7的
硬件驱动及实时显示控制数据传输，由MCU的串口接收引脚接收数据，传输至LCD屏，实现实时监控。具体的，将编译好的程序烧录至STM32单片机，程序包括对参数调节板按键反馈的判断与处理代码、LCD显示器的驱动及实时数据显示代码、PWM脉冲信号的产生和气泵电机逻辑控制代码以及GPIO端口的操作代码，从而使得整个装置的所有运行组件有序的工作。
[0059] 嵌入式微控制模块根据接收的按键命令调节输出给PWM控制模块的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，通过预先烧录的控制程序(已经公开)，使相应的两个GPIO口输出相应的高电平或低电平，具体的控制逻辑参见表1，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；步骤2，通过PWM控制模块进行光耦隔离和信号放大，确保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。
[0060] 例如，控制程序描述：利用模块化的思想编写程序，与STM32F103单片机连接的外接硬件为按键、显示器、继电器，用到单片机内置的功能有定时器、TIM4的CH2通道发生PWM信号、串口通信。模块化地编写按键扫描反馈程序、LCD显示器初始化驱动程序、PWM初始化发生程序、串口初始化程序、定时器初始化程序、延时初始化函数、中断配置、系统初始化程序。主函数内首先进行系统初始化、延时初始化、中断配置、串口初始化、按键初始化、LCD
液晶显示器初始化、PWM初始化。通过串口向LCD发送显示初始呼吸频率(10次/min)、呼吸量(12L/min)及运行状态(停止)的字符串；然后进行按键扫描，通过判断相应的按键是否按下从而来执行与之相对应的命令：呼吸频率加减键通过控制继电器的断开吸合间隔时间来调节呼吸频率的大小；呼吸量加减键通过调节输出PWM信号的占空比来调节呼吸量的加减。通过按键调节的结果实时通过串口发送至LCD液晶显示器实现
可视化操作。
[0061] PWM控制模块包括：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控制模块GPIO输出的信号进行放大，从而控制电机的调速及正反转，具体控制逻辑参见表1；光耦隔离电路用于消除电机驱动电路对嵌入式控制模块输入信号的干扰；欠压过流保护电路可防止瞬时大电流烧毁模块。具体电路可如图4所示。
[0062] 本发明的工作原理：
[0063] 本发明的实施例中，对气泵的控制方式主要是PWM技术，即对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替
正弦波或所需要的
波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路
输出电压的大小，也可改变输出频率。当呼吸频率和呼吸量通过参数调节板进行调节时，按键通过GPIO口反馈至STM32单片机，调节命令在嵌入程序中进行判断，从GPIO口输出不同脉冲宽度的PWM信号，通过改变PWM的占空比来调节气泵的电机转速，从而实现呼吸量的大小调节；而通过程序改变PWM脉冲的循环次数，来实现呼吸频率大小的调节。PWM脉冲信号的定义由呼吸频率、呼吸量以及对气泵电机的逻辑控制共同决定，呼吸频率决定了气泵电机正反转的周期，呼吸量决定了气泵电机正反转的转速，以及气泵电机的刹车、悬空的控制均通过相应的PWM信号脉冲来实现。
[0064] 经嵌入式控制模块1输出的PWM脉冲信号用GPIO引脚发送至PWM控制模块3，进行PWM信号的升压调节，并控制PWM控制模块3中的逆变电路开关器件的开启与闭合，输出一系列幅值相等的周期性电压脉冲来控制气泵4，其具体的控制逻辑参见表1。
[0065] 经嵌入式控制模块1的GPIO来控制的继电器10，进而控制第一电磁阀5和第二电磁阀6的导通与关闭，配合气泵PWM控制模块3来实现从输出组件中的软管A出气，软管B进气。当第一电磁阀5导通、第二电磁阀6关闭且控制气泵4的电机正转时，软管A进行呼气；而当第二电磁阀6导通、第一电磁阀5关闭且控制气泵4的电机反转时，软管B进行吸气。此即为一个呼吸周期，如此循环来模拟人的呼吸。
[0066] 表1.气泵电机控制信号逻辑示意图
[0067]IN1 IN2 ENA 输出结果
0 0 X 刹车
1 1 X 悬空
1 0 PWM 正转调速
0 1 PWM 反转调速
1 0 1 全速正转
0 1 1 全速反转
[0068] 优选的，本发明实施例中的嵌入式控制模块1、电源驱动模块2、PWM控制模块3、气泵4、电磁阀5及电磁阀6均固定置于一个经定制的可开启
铁皮箱内；显示器7、参数调节板9均置于铁皮箱
门上，便于直观地进行调节和控制；输出组件中的呼气软管A和吸气软管B经铁皮箱门伸出且延长50cm，更方便进行试验。本实施例人体呼吸模拟装置只需220V转24V的适配器即可正常工作，小巧玲珑，方便安装和移动。
[0069] 综上所述，本发明的呼吸模拟装置能模拟真实人体呼吸的特点，能满足真实人体的呼吸频率和呼吸量，其呼吸的气体流量符合正弦规律曲线，这样能代替原始恒定流量的方式，更加真实的反应人体呼吸过程，从而能真实的反应人体吸入空气过程，反应人体呼吸区的污染物暴露水平；另外也能更加真实的反应人体呼吸污染物传播规律。本本发明的装置运用了高性能的微控制器及先进的PWM控制技术，控制气泵的正反转及调速来实现人体的呼吸过程，其控制调节精度高，稳定性好，响应快。通过本装置进行人体呼吸模拟，克服了使用原有的人体呼吸装置所带来的实验误差。提高了实验工况对真实工况的真实反应程度，能准确的反应人体呼吸区污染暴露水平，以及人体呼吸污染物的传播规律，为解决环境中污染物传播问题，提高空气质量发挥重要作用。
[0070] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行
修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在
申请待批的本发明的
权利要求保护范围之内。
