便攜式心肺復蘇裝置的硬件電路設計

武文君，宋立為，賈建革，吳建剛，趙鵬，趙正男

總后勤部衛生部藥品儀器檢驗所，北京100071

便攜式心肺復蘇裝置的硬件電路設計

武文君，宋立為，賈建革，吳建剛，趙鵬，趙正男

總后勤部衛生部藥品儀器檢驗所，北京100071

為便于操作者在心肺復蘇的胸外按壓過程中較好地把握按壓深度和頻率，本文設計了一種便攜式心肺復蘇裝置。該裝置以微處理器進行控制單元，實時監測按壓力度，并根據所選擇的患者體型判斷按壓力度是否滿足要求，力度過大或過小都會進行聲、光報警提示。本裝置可以根據設定的按壓頻率進行聲音提示。本文有針對性地對其硬件電路、設計中遇到的問題以及相應的解決方法進行了詳細介紹。

心肺復蘇；胸外按壓；電路設計

0 前言

心肺復蘇對于胸外按壓的力度和頻率都有一定的要求，按壓力度過小則不能有效地促進血流循環，然而按壓力度過大又會造成患者骨折，進而導致更加嚴重的二次傷害。因此對實施心肺復蘇的人員有一很高的專業要求[1-2]。目前，我國大多數人都沒有接受過正規的心肺復蘇訓練。本課題研制了一種便攜式心肺復蘇裝置，用于輔助心肺復蘇時的胸外按壓操作。在胸外按壓過程中，主要用于實時提示施救者的按壓力度，并且在壓力過大或過小時給與警告。根據預先選擇的患者體型（偏瘦、中等、偏胖）實時判斷施救者的按壓力度狀況（未達到要求、達到要求、超過限定范圍）。施救者可以根據提示結果隨時改變自己的按壓力度，既保證了按壓力度達到有效心肺復蘇的要求，又防止了因按壓力度過大而造成骨折等二次傷害。同時，該裝置還用來提示施救者應該實施的按壓頻率（≥100次/min）。

1 系統硬件電路

硬件電路以微處理器為核心，外圍電路包括供電、復位、開關機、電壓自檢、壓力監測、體型選擇、聲光報警等。

1.1 供電電路

按壓裝置的電源由9V電池作為供電電源，然后將其轉變為5V電壓供系統使用。為了減小電源的外界干擾提供更穩定的電壓，在電源部分加入了濾波電路和穩壓電路，見圖1。該電源模塊電路中晶體管Q1、Q2應盡量選擇性能參數相同的晶體管。其作用是穩定電池的輸出電流，控制電池電壓的輸出與否。同時，使用兩個對稱的晶體管可以增大共模抑制比從而減小外界的干擾。此外，在電源芯片的輸出端接入一個5V穩壓二極管，進一步控制系統中電壓的穩定性。

1.2 開關控制電路

裝置處于關閉狀態時，按下電源開關則能激活電源開始工作，而在工作狀態時按下該開關則通過控制斷開電源，從而關閉該整個系統。

圖1 部分硬件電路原理圖

如圖1所示，系統處于關機狀態時，按下開關S1后，則晶體管Q3導通，開關S1處為低電平狀態，晶體管Q1、Q2導通，從而使得整個電源電路導通，為整個系統供電。工作時，首先將X1所對應的端口置為高電平，從而使得晶體管Q4導通。當開關S1斷開（Q3截止）后晶體管Q4繼續導通，從而維持晶體管Q1、Q2的導通也就是使得電源繼續為整個電路供電。

在工作狀態時按下開關S1，晶體管Q3導通，外部中斷INT0管腳被置為低電平。系統檢測到外部中斷INT0低電平信號后迅速將X1管腳置為低電平即將晶體管Q4截止。則當開關S1斷開時晶體管Q1、Q2都被截止，電源電路斷開，最后使得整個裝置停止工作。

1.3 電壓自檢電路

如圖1所示，開機后首先將X2對應的管腳置為低電平。晶體管Q5發射極電壓為5V，當晶體管基極低于4.3V時晶體管Q5導通，X2端口被置為高電平，若檢測到該高電平信號則立即發出警報，提示操作者應該立即更換電池。該裝置的閾值電壓約為7V。反之如果電池電壓VCC>7V則系統不發出警告，即表示電池電壓正常。

1.4 其他電路

按壓力度監測電路是根據預先計劃的按壓力度分級，將壓力分為幾個特定的級別，當按壓力度達到某個特定的級別時就選通相應的特定電路，使得特定的I/O口置為低電平，系統根據檢測到的不同I/O端口的電平信號判斷按壓力度的大概范圍。復位、體型選擇、聲光報警等電路不再贅述。

2 實際應用中發現的問題及解決方法

2.1 大電容儲存能量對關機的影響

裝置通過微處理器的I/O口控制電子開關來實現軟關機功能，需在關機時控制關機的I/O口的電平必須用低電平。但在使用電子開關關閉系統時，因有濾波電容的存在，電容能夠存儲一定的電量，在斷開電源時系統的電壓不是立即變為0V，而是緩慢變低，當電壓低到一定電壓時，系統將進入復位狀態或不確定狀態，此時微處理器控制關機的I/O口也可能變回高電平，從而使電子開關重新接通。

解決方法：控制濾波電容中電容的大小，在能夠滿足濾波要求的基礎上應盡量減小濾除紋波電容的大小，從而盡可能減小電容儲能的影響。或者在軟件控制程序中加入一個適當的延時控制，等待電容存儲的電量降低到系統能工作的電壓范圍之外再徹底關機。

2.2 微處理器低電平的影響

微處理器輸出低電平對應的是一個邏輯電平0，而其電壓并非是0V。而該電壓有可能使晶體管導通，所以必須加入一個下拉電阻來降低此時的輸出電壓。同時，由于拉電流很小，為了保證正常工作時控制端口的高電壓能夠使三極管導通，需要恰當地選擇下拉電阻。如果阻值過大將達不到拉電流的目的，如果阻值過小則將無法實現開機功能。本電路中阻值在39～100kΩ為宜。

[1] 程立順.心肺復蘇的歷史現狀及最新進展[J].安徽醫學,2006, 27(6):546-549.

[2] Andrew J.Boyle,Andrew M.Wilson.Improvement in timing and effectiveness of external cardiac compressions with a new non-invasive device the CPR-Ezy[J].Resuscitation, 2002,54(1):63-67.

[3] 郭天祥.51單片機C語言教程[M].北京:電子工業出版社,2008: 3-146.

[4] 李剛,林凌,王焱.新概念單片機教程[M].天津:天津大學出版社,2004:1-25.

[5] Theano D Demestiha,Ioannis N Pantazopoulos,Theodoros T Xanthos.Use of the impedance threshold device in cardiopulmonary resuscitation[J].World Journal of Cardiology,2010,2(2):19-26.

[6] 崔建,尚瑞雯,范立平,等.心肺復蘇機與徒手心肺復蘇臨床療效的研究[J].中國循證心血管醫學雜志,2009,2(4):299-300,302.

[7] 姜昌浩,丁國強,朱延華,等.心肺復蘇指示儀在心肺復蘇中的應用[J].新醫學,2011,43(9):581-583.

Hardware Circuit Design of A Portable Cardiopulmonary Resuscitation Device

WU Wen-jun, SONG Li-wei, JIA Jian-ge, WU Jian-gang, ZHAO Peng, ZHAO Zheng-nan
Institute for Drug and Instrument Control of Health Department GLD of PLA, Beijing 100071, China

A new portable cardiopulmonary resuscitation (CPR) device is designed for the correct depth and optimal timing during the external cardiac compression. The control unit of this device is made up of a microprocessor, detecting the real-time compression force. If the force is too large or too low, the device will give an alarm with audible beep and visible flashing light. The device can also give an audible beats. The hardware circuit, the problem and its solutions are introduced in detail.

cardiopulmonary resuscitation (CPR); External cardiac compression; circuit design

R459.7

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.01.030

1674-1633(2012)01-0089-02

2011-10-01

作者郵箱：taishine@163.com