一种基于ATmega48的多功能鼾症治疗仪的研制

罗思源，谭力龙，王延琦，兀光波，万 红，考希宾，姬丽静

（兵器工业卫生研究所，陕西 西安710065）

0 引言

睡觉打鼾是现代人，尤其是男士的一种常见病症，打鼾使呼吸气流受阻，呼吸暂停时间过长，有可能诱发缺氧性脑萎缩，甚至猝死，严重影响健康，也会对家人的睡眠造成影响。使用电子止鼾器可以避免手术药物疗法的副作用，是一种绿色的物理疗法［1］。目前市场销售上的电子止鼾器种类繁多，功能各异，治疗效果也参差不齐。以ATmega48V单片机为核心，充分利用AVR单片机的内部资源，并结合其低功耗的特点，研制出一种全新的集止鼾、记忆、唤醒功能于一体的低功耗的智能化电子止鼾器。与现有市场产品比较，该系统功耗低，其多功能及人性化设计使操作简单，方便中老年患者使用。

1 系统设计

电子止鼾器的设计原理是，当设备检测佩戴好后，通过按键调整好适合强度值时，仪器侦测鼾声后，输出所调强度匹配的直流电压对用户进行电击，终止打鼾。

系统选用ATmega48V单片机作为核心控制芯片，通过ATmega48V单片机内部的8路10位高精度AD转换器对鼾声信号的进行采集，以及对皮肤接触进行检测。当单片机内部ADC采集到鼾声信号后，通过高压输出电路输出高压脉冲刺激人体，终止打鼾。一周内每日打鼾次数可以使用AT-mega48V内256字节的EEPROM存储起来，以方便患者按疗程进行疗效评估。系统还包含作为可选的定时唤醒功能。整个系统使用ATmega48V内部的复位和振荡时钟，芯片工作主频为128kHz。使用DC／DC升压芯片LY1038B30将单节7号电池1.5V电压转换为3.0V，给系统供电。整个系统框图如图1所示。

图1 系统框图

当皮肤接触检测模块检测到人体皮肤佩戴好仪器后，止鼾器开始工作，鼾声信号检测模块完成对鼾声信号的检测功能，若有鼾声出现主控单片机控制引脚便会产生相应脉冲信号使高压输出电路产生高压脉冲刺激人体实现止鼾。按键，LCD显示以及LED指示灯则为系统提供了可视化操作平台，实现止鼾、唤醒、记忆的功能转换和参数调整。

系统工作条件是，环境温度范围为5～40℃；相对湿度范围为≤90%；电池为1节7号电池，额定电压1.5V。电源功耗情况如表1所示。

表1 电源功耗情况

2 硬件模块的具体实现

系统的硬件模块主要包含Atmega48主控模块、DC／DC升压电路模块、鼾声采集和接触检测模块和高压输出模块，下面分别予以介绍。

2.1 Atmega48主控电路的设计［2］

采用的ATmega48V是基于AVR增强型RISC结构的，8位低功耗CMOS微控制器，工作电压为1.8～5.5V，其丰富的内部资源可满足系统功能的需要。

ATmega48V单片机内部可选熔丝位的配置以及内部复位的使用，可使系统工作稳定并简化电路，节省元器件费用。片内集成8路10位高精度AD转化器足够满足系统对鼾声的侦测及皮肤接触的检测。芯片的PD口上放置4个按键用于系统功能选择，主要包含菜单功能、UP功能、DOWN功能和唤醒设置功能。芯片内部含有256字节的EEPROM其掉电存储，可以用于记录病人每日打鼾次数；芯片的23个通用IO可以直接驱动LED和液晶显示屏，配合芯片自带的EEPROM可以使用户随时记录和查阅自己的病情数据，完成对该止鼾器的疗效评估。此外，芯片内部还有3个独立预分频器和PWM功能的定时计数器，用于完成止鼾器的唤醒计时功能。

ATmega48V芯片有5种休眠模式：空闲模式、ADC噪音抑制模式、省电模式、掉电模式和Standby模式，多种模式的配合使用可以使整个系统处于极低功耗的状态，满足电池供电要求。

2.2 DC／DC升压LY1038系列芯片电路设计

DC／DC升压转换模块主要使用了深圳联益微电子公司的LY1038系列升压芯片，其低纹波及低噪声性能可以极大地改善周围电路对输出电压的干扰。其工作电压范围为0.9～6.5V，可以完成以±2.5%的精度输出2.0～7.0V电压，满足本系统的电池供电要求。

系统采用单节7号电池作为供电电源，通过选升压芯片将其1.5V电压转换为3.0V为系统供电。升压电路电路图应用原理如图2所示。

图2 电源升压电路原理

设计了如下实验：给止鼾器采用电池额定电压的90%供电，测量脉冲输出幅度、脉冲宽度和频率，与电池额定电压供电时的对应值比较；验证了电池电压波动－10%对止鼾器脉冲输出幅度、宽度和频率的影响在±10%范围内。

2.3 鼾声采集及接触检测电路设计

鼾声采集及接触检测的原理是，通过三极管的放大作用，完成对麦克风的微弱信号进行放大，利用三极管负反馈作用提高三极管放大的稳定性，从而减小信号失真。放大后的信号通过三极管的G3的开关作用得到可供单片机AD采集的方波信号。

鼾声检测电路的原理如图3所示，前级放大电路在负反馈电阻上并联电容C5（消振电容），是为了对高频信号产生并联电压负反馈，从而消除放大器的高频自激现象，使放大器工作稳定。而电容C3，C4则是起到隔直通交作用，滤除直流信号的影响。

图3 鼾声检测电路原理

2.4 高压输出电路设计

高压输出模块利用了电感的电磁储能原理，在电路导通的瞬间电感开始储能，在关断的瞬间，由于电感上的电流不能突变，强行关断会在关断处产生比较高的脉冲电压。系统中的高压输出电路如图4所示，单片机PB1口输出占空比可调的脉冲，控制三极管完成电感的能量传递。当控制信号为高电平时，控制三极管G4的导通，输入电源VCC对电感L2瞬间充电，完成电能到磁能的快速转换；当控制信号为低电平时，三极管G4关断，电感上原本储存的磁场能又转换成电场能，由于电感上的电流不能突变，则在G4的集电极会产生高电压，并通过旁路D2二极管给电容充电。一次充电能量有限，电路通过隔离二极管给电容的多次充电实现能量累积，可以把3V直流电压，经过多次电容储能后升压到200V以上，以达到最终在电容产生比较高的脉冲电压和具有相应的电能。当人体接触电极片（电极片为医用橡胶）时会对人体等能够产生刺激效果［3］。

图4 高压输出原理

根据以上原理，对图4所示电路的性能特进行了以下实验验证：实验系统的控制脉冲由AT－mega48V单片机产生，PB1＝1，电感充电储能，（由R L构成的一阶系统L＝0.22mL，其内阻为26Ω，则充电时间大约为0.7 L／R＝0.7×0.22／26ms＝5.9μs）考虑三极管的开关上升时间等影响，取电感充电脉冲宽度为60μs，PB1＝0关断G4，将电感给电容C10充电，取电感放电脉宽为20μs，充电频率为1.25kHz。

人体电阻因人而异，与人的体质、皮肤潮湿程度、年龄和性别有关，通常为1 000～2 000Ω。

a.在误差范围为±10%的1 000Ω负载阻抗下，测量输出电流，结果符合标准。

b.在误差范围为±10%的1 000Ω负载阻抗下，按用采样率不低于500kS／s的示波器测量，结果符合标准。

3 软件设计

系统软件设计平台选择AVR＿studio，它是一款免费的集成开发环境IDE，包括了AVR Assembler编译器、AVR Studio调试功能、AVR Prog串行、并行下载功能和JTAG ICE仿真等功能。

整个系统的运行过程为：当止鼾器开机供电时，首先液晶模块进行初始化工作，当皮肤未接触时，双色指示灯黄灯会处于闪烁状态，皮肤接触时变为红灯闪烁，当用户首次按下菜单键时，配合液晶显示可进行强度调节，与此同时输出高压，便于用户根据自身情况选择适合自己的电击强度，再次按下菜单键可以通过调出存在EEPROM一周内的电击次数记忆进行查阅，从而判断疗效，唤醒作为可选功能由用户自己选用，功能如同闹钟，由ATmega48V内部定时器完成对所设时间的定时功能，时间到则会对用户进行短暂电刺激以便唤醒用户。此外，多功能智能化的止鼾器平时会处于极低功耗状态，液晶的背光在打开30s会自动关闭，而在用户按下任意按键时又会重新点亮，使得系统节能环保延长电池寿命。当用户使用后未关机时，系统还在开机8h会自动关机，更加人性化。

依据程序的运行过程，系统的程序设计主体部分包括定时器中断部分、初始化部分以及主循环部分。初始化部分，完成各模块初始化工作，并将存储在EEPROM的记忆次数读取到缓存区内方便查阅调用和实时存储。定时器中断部分完成定时功能包括唤醒定时、关机定时、指示灯闪烁定时、背光定时等等；主循环部分则是进行按键扫描与液晶显示，以及对皮肤接触和鼾声侦测的AD采集以及电击脉冲输出部分和对EEPROM的实时存储。系统工作流程如图5所示。

图5 主程序流程

4 结束语

以ATmega48V为主控芯片，设计研制了一款全新的集止鼾、记忆、唤醒功能于一体的低功耗的智能化电子止鼾器，止鼾器充分利用了ATmega48V单片机的内部资源，具备多功能、智能化、低功耗等特点，在未来医疗器械市场上受到青睐。

［1］ 苏志锟.YY 0607-2007《医用电气设备第2部分：神经和肌肉刺激器安全专用要求》第8篇的检验技巧［J］.中国医疗器械信息，2009，15（8）：63-64.

［2］ ATmel公司.ATmega48／V Datasheet［Z］.2007.

［3］ 倪陈强.基于AT90S8535的智能止鼾器的研究［J］.医疗装备，2007，20（11）：8-10.