以 ＰＩＣ１６Ｆ８８６单片机为处理器和超声波检测技术为核心，以 ＭＰＬＡＢ编写系统软件，设计医用超声波氧气流量计。本系统主要由ＰＩＣ单片机模块、信号切换电路、模拟放大电路、滤波电路和电压比较电路组成。将氧气通过定长的管道，单片机给超声换能器发送激励信号，测出超声波顺逆流的渡越时间和氧气温度。基于最小二乘法曲面拟合算法，构建氧气流量与温度和时间差的函数关系式，完成对氧气流量的测量。测量结果表明该系统稳定可靠，精度高，具有很高的工程使用价值。

1.引言

氧气是人类赖以生存的基础，也是辅助治疗的必须品。医用氧气主要用于缺氧预防和治疗，氧保健和氧疗在康复医学、保健医学、预防医学等方面都有其独特的作用。

现在不少医院依然使用浮子式流量计监测氧气流量，而浮子式流量计具有不能量化流量大小、误差大、不易控制等问题。这就迫切需要开发新型医用氧气流量计，以满足医疗检测的需求。气体流量检测技术主要有：热式质量流量检测、气体涡轮流量检测、容积式流量检测、超声波相控气流检测等，这些技术都有误差比较大，易受干扰，稳定性不好，易发生漂移等缺点。

面对当前实际现状与需求，本文提出以超声波检测技术为核心的基于最小二乘法曲面拟合算法的氧气流量计，与传统的超声波流量计将流量与时间差算法简单线性化相比，本系统也测出气体温度，对气体流量进行温度补偿。通过实际测量其具有使用时间长，稳定性高，体积小，安全可靠，价格便宜等特点，同时也满足当前氧气流量高精度的要求。

2.超声氧气流量计的原理

２．１超声波测量原理

医用超声氧气流量计是通过测量超声波在定长（Ｌ）定直径（Ｄ）管道内顺流和逆流的时间而算出氧气流速，从而得出氧气流量。对于不同的气体流速有：

２．２ 氧气流量测量过程

检测气体流量时，气体从定长管道的一端流向另一端，超声波在顺流和逆流中传播时间不同。当换能器A发射单脉冲超声波时，换能器Ｂ接收超声信号。由于换能器收到的信号非常弱，只有几十毫伏的电压，需通过信号放大再进行比较。本文提出使用ＡＤ８２２3放大器，将小信号放大.考虑到设计成本和器件占用空间，使用无源滤波电路，滤去直流信号和杂波。再将滤波后的放大信号通过ＬＭ３９３比较器，将比较器的输出端与ＰＩＣ单片机的捕获端相连接。

设定上升沿捕获，通过定时器测量出超声波在管道中的传播时间。同样的流程测出从B到A的时间。在每次测量时间时，单片机都会通过ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器测量温度数据。图１为硬件原理图。

2.3氧气流量与温度、时间差关系式

在这里，氧气流量与时间差、温度T有关，利用德国高精度Ｇ６０８气体流量计测出标准氧气流量，由ＰＩＣ单片机算出时间差ｔＤＳ１８Ｂ２0测出温度T，其函数关系为：

3.关键技术研究

3.1硬件设计

3.1.1放大电路模块

在设计放大电路时，考虑采用差分放大电路，可以放大差模信号的同时抑制共模信号。将ＡＤ８２２３的基准电压设为２．５，正相端和反相输入端都加载２．５Ｖ电压后再放大，此目的是为后面的过零比较检测做准备。2.5V的基准电压为采用ＬＭ３５８设计的电压跟随器所产生，放大电路如图２所示。

３．１．２ 比较电路模块将放大后的信号通过滤波电路，滤掉直流信号和杂波，然后将信号通过ＬＭ３９３电压比较器。设定一个基准比较电压（小于５Ｖ），当正弦波电压高于基准电压时，ＬＭ３９３输出 ５Ｖ 高电平；当正弦波低于基准电压时，ＬＭ３９３输出基准比较电压。如图３所示。

３．２超声氧气体浓度计的软件设计

下位机软件是在 ＭＰＬＡＢ环境下用 Ｃ语言编程，上位机标定数据采集界面基于 ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ语言编译，通过ＲＳ２３２串口通信进行数据收发。ＶＢ语言可视化强，数据相关的计算、拟合保存都由上位机处理。ＰＩＣ单片机部分负责完成温度Ｔ、时差ｔ采集。在数据采集过程中，由于不知硬件焊接是否有问题，数据传输是否正常。在数据显示时，设定状态标志位，如 “０”、“１”、“２”等以判断当前测量处于什么状态，如 “０”表示当前一切正常，“１”表示硬件无响应 ，“２”表示数据收发不正常 ，这为检修和数据的处理提供了便利。图４为上位机数据采集标定流程图。

４.误差分析

４．１误差分析

误差分为系统误差和偶然误差。系统误差是有规律的，通过测量大量数据与实际数据进行对比，得出系统误差值加以修正。偶然误差：是由很多未知环境因数或不可精确测量因数造成的，如：气流噪声、流场、电磁波等因数，同时软件算法精确度、硬件电路的不稳定等，都会对实验结果产生影响。

４．２ 误差处理

数据中的异常数据处理方法：由于扰动或干扰，会有较大的异常数据存在，这会降低最小二乘法拟合精度，从而降低了流量计的测量精度。所以必须去除误差较大的异常数据。本系统使用拉伊达准则去除粗大误差，对于某一测量列中｜ｖｉ｜＝｜ｘｉ－ｘ｜＞３σ之外的概率为０．２７％，认为是不可能事件，故当测量值的｜ｖｉ｜＞３σ时，可认为与之对应的ｘｉ 包含粗大误差，就用一临近的准确值来代替，如图５的异常点被空心点替代。其中σ可用贝塞尔（Ｂｅｓｓｅｌ）公式计算的Ｓ值代替。

４．３测试结果

通过测量大量数据，以去除系统误差。在不去除数据中的较大的时间和温度误差数据，拟合系数，测量流量。标准流量与未处理过的时间和温度所对应的实测氧气流量关系图如图６所示。

运用拉伊达准则除去时间和温度数据中的较大的误差数据，用附近准确数据替换较大误差数据，拟合系数，测量流量。标准流量与经过处理过的时间和温度所对应的实测氧气流量关系图如图７所示。

从图６和图７的对比可以看到，在标定采集完时间数据后，可以使用拉伊达准则除去数据中的较大误差数据，再进行拟合，以求得ａ０、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５ 准确值，这样可以降低由于各种扰动带来的测量误差，提高测量的精度，以符合医疗上对氧气测量要求。

５.结 论

本文给出了医用超声氧流量计的硬件设计和软件设计图，并对测量的数据用拉伊达准则进行了处理，以降低扰动对测量结果的影响，证明了基于最小二乘法的超声波氧流量计的设计合理性。该系统通过了实验室的检测和实际测量，符合预期目标，并且该产品安全、可靠，价格便宜，精度高，具有很大的优越性。