Page 86 - 《中国医疗器械杂志》2025年第2期

Chinese Journal of Medical Instrumentation 2025 年 第49卷 第2期

设 计 与 制 造

至上位机，完成氧气浓度信号采样。氧气浓度信 为±0.1%，响应时间为100 ms）采集呼吸气的二氧
号采集电路如图4所示。 化碳浓度信号；然后，二氧化碳传感器输出串口

2.3.3 二氧化碳浓度信号采集电路 （ UART）数字信号，通过电平转换和缓冲电路后
为实现受试者呼吸气的二氧化碳浓度信号采 传至主控模块；最后，由主控模块将其数字信号上
集，首先，选用基于非分散红外原理的数字式二氧 传至上位机，完成二氧化碳浓度信号的采样。二氧
化碳传感器（测量范围为0%~10% CO ，测量精度 化碳浓度信号采集电路如图5所示。
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图4 氧气浓度信号采集电路
Fig.4 Oxygen concentration signal acquisition circuit

首 先 ， 选 用 具 有 内 置 电 流 源 的 24位 ADC
（ MS5194T），由Pt1000铂电阻、高精度电阻和ADC
内置电流源组成串联网络；然后，通过ADC检测
铂电阻、高精度电阻各自的差分电压，并结合基尔
图5 二氧化碳浓度信号采集电路 霍夫电压定律得到铂电阻的阻值，查表转换得到
Fig.5 Carbon dioxide concentration signal acquisition circuit
盒内实时的温度信号；接着，主控模块输出多种脉
2.3.4 恒温控制电路 冲宽度调制（pulse width modulation, PWM）信号，
在呼吸气收集过程中，存在水蒸气冷凝的风 依次通过基于光耦芯片（TLP152）的栅极驱动器
险。冷凝现象的发生不仅会影响传感器的测量精 和基于MOS管的BUCK型DCDC电路，实现对加热
度，严重时甚至可能导致传感器永久性损坏。为 风扇的加热电压及功率的控制；最后，基于盒内
实现有效的防冷凝效果，本文设计了基于 PID 反馈 温度观测和加热风扇的控制情况，结合PID反馈控
控制算法的恒温控制系统。 制算法实现恒温控制。恒温控制电路如图6所示。

图6 恒温控制电路
Fig.6 Constant temperature control circuit

2.4 软件设计 试准备工作；其次，对流量与浓度信号进行采集，
基于气路结构与硬件平台的设计，为实现结果计 并实施数据处理；最后，进行指标的计算与展示。
算与展示，本文运用Visual Studio 2022 IDE 开发工具， 软件测试流程如图7所示。

设计了基于Windows呈现基础（Windows presentation 2.4.1 测试准备
foundation, WPF）框架的逐口气法人体能量代谢检 在开始测试前，需完成系统初始化并等待系统
测系统软件。其具体实现流程如下：首先，开展测 预热结束，预热对象包括二氧化碳传感器和恒温

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