CN109009131A - 电子肺活量测试仪及基于物联网的肺活量测试系统 - Google Patents

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CN109009131A CN201810708901.4A CN201810708901A CN109009131A CN 109009131 A CN109009131 A CN 109009131A CN 201810708901 A CN201810708901 A CN 201810708901A CN 109009131 A CN109009131 A CN 109009131A
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Abstract

本发明公开电子肺活量测试仪，其用于测量人体的肺活量，所述电子肺活量测试仪包括壳体组件、吹气组件、压差传感器、和电子控制装置；所述吹气组件包括吹气管，所述吹气管包括节流装置，所述节流装置具有节流孔；所述电子控制装置包括肺活量主控板，所述肺活量主控板包括主控电路、存储模块和流量测量电路；所述存储模块包括压差‑流量函数程序模块和肺活量计算模块，其中，所述压差‑流量函数是压差‑流量分段拟合函数；所述肺活量计算模块借助于所述压差‑流量函数程序模块能够通过积分计算得到总的肺活量值。本发明还公开基于物联网的肺活量测试系统。本发明的有益效果在于：大幅提高了肺活量的测量精度，方便使用者随时随地进行肺活量的测量。

Description

电子肺活量测试仪及基于物联网的肺活量测试系统
技术领域
本发明涉及测量吸入或呼出气体的体积——例如肺活量(A61B 5/091)的技术领域，尤其涉及电子肺活量测试仪。本发明还涉及基于物联网的肺活量测试系统。
背景技术
肺活量是指人体一次最大吸气后呼出的气体量，用来表示肺一次最大的机能通气量，是反映人体生长发育水平的主要指标之一。肺活量测试仪或肺活量计，一般是指用于测量肺活量的仪器。根据测试原理的不同，主要有容积测定型肺活量计和流速测定型肺活量计两大类。
压差式肺活量计是通过检测流经节流阀的气体的压力变化来计算流量。当连续流体在管道内运动，流经管道内部的节流装置时，其流束会在节流装置孔径处形成局部的缩径状态。缩径迫使流体的流速增大，静压快速降低。这种工况就会在节流装置上端和下端产生压降。流动介质的相对流速越大，那么在节流装置的上下游也会产生更大的压差。因此，可通过节流测量装置的压差，经一定转换来相对地衡量流经节流装置内流体流量的大小，这就是利用节流装置来具体测定管道内连续流动介质流量的基本原理。
当前国内电子式肺活量计的性能不高，有一部分原因是由于没有使用高性能的元器件，也有一部分原因是由于算法和硬件结构上的缺陷，本设计将在硬件和软件上进行深入研究，提高电子肺活量测试仪测量精度。
专利文献CN205126236U公开一种肺活量测试仪，包括测试主体，还包括主机，所述测试主体包括外壳、位于外壳内部吹气管、安装在外壳上端开口处与吹气管密封连接的吹气嘴；所述主机包括机壳，机壳转动连接在测试主体的下端，机壳内设置有微处理器、主板和数模转换器，数模转换器和微处理器分别与主板电连接，机壳上设有显示器和扬声器，扬声器和显示器与主板电连接；所述吹气管内设有用于感知气压变化的感应器，该感应器与数模转换器电连接，数模转换器将感应器接受的信号转换成数字信息传输给微处理器，经微处理器处理后通过显示器数字显示并通过扬声器读出数字。本实用新型实现了测试主体与显示装置及语言装置结合一体，直观显示和记录肺活量测试结果。
专利文献CN204813877U公开的肺活量测试设备包括控制器、无线数据采集器和若干肺活量测试仪器；控制器包括主板、按键板、IC卡读卡器板、第一无线通信装置、第二无线通信装置和液晶显示触摸屏；无线数据采集器包括第三无线通信装置、第一处理装置、存储装置和RS232接口；肺活量测试仪器包括第二处理装置、第四无线通信装置、语音装置、液晶显示屏、气压传感器和按键；按键板、IC卡读卡器板、第一无线通信装置、第二无线通信装置和液晶显示触摸屏均电性连接主板；第三无线通信装置、存储装置和RS232接口均电性连接第一处理装置。本实用新型器以无线传输方式实现测量数据转移，可避免手工抄录产生的错误。
专利文献CN105249969A公开一种新型低功耗电子肺活量测量仪。总体电路包括了电源模块，传感器模块，放大模块，控制模块，显示模块等各个部分。首先使用软管吹气测肺活量，通过MPX2010DP压力差分传感器测量输入端的压强差，以压力大小的形式输出。再使用AD620放大器放大传感器输出信号的大小，输入到单片机MSP430F2012的模数转换端口。通过对肺活量的标定，可以由单片机计算出肺活量的大小，最后传送给四个八段LED数码管输出显示。本发明设计采用新的计算方案，节省了硬件资源，相比较其他产品，具有更低功耗的优点。
专利文献CN104586396B公开一种肺活量的测试方法和设备，所述方法包括：测得移动设备的压力孔内腔的静压力P0；所述压力孔连通外界，在移动设备上单独设置或为已有设计开口；对准压力孔吹气，获得各个时刻的气压P(t)；根据气流流速v(t)和压力差P(t)-P0的对应关系式，获得对应各个时刻的气流流速v(t)。根据测量时间t与所述气流流速v(t)的对应关系，获得测试者的肺活量 Vc。本技术方案根据气流流速和测量时间的对应关系获得测试者的肺活量，能够有效的提高肺活量测试的精度，而且不会对测试设备的相关部件造成损坏，完全不同于现有技术中利用麦克分测试肺活量的方案。
上述专利文献为提高肺活量的测量精度提出众多不同的技术方案，当然，继续为提高肺活量的测量精度提出新的技术解决方案依然是本领域技术人员的研发目标。
发明内容
为此，本发明的目的之一在于提出更高测量精度的电子肺活量测试仪。
本发明的目的之二在于提出结构紧凑的便携式的电子肺活量测试仪。
本发明的目的之三在于提出基于物联网的肺活量测试系统，其以本发明的电子肺活量测试仪作为物联网传感器，收集学生的肺活量数据，上报至学校级别的物联网云平台、市级教育部门的物联网云平台、或者国家教委的物联网云平台。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：电子肺活量测试仪，其用于测量人体的肺活量，所述电子肺活量测试仪包括壳体组件、吹气组件、压差传感器、和电子控制装置；
所述吹气组件、所述压差传感器、和所述电子控制装置被安装在所述壳体组件的内空腔中；
所述压差传感器与所述电子控制装置电连接；
所述吹气组件包括吹气管，所述吹气管包括节流装置，所述节流装置具有节流孔；
所述压差传感器被安置成能够测量所述节流孔的上游和下游之间的气体流动的压力差，并且，所述压差传感器能够将所述气体压力差转换成压差模拟信号，并将所述压差模拟信号传输给所述电子控制装置；
所述电子控制装置包括肺活量主控板，所述肺活量主控板包括主控电路、存储模块和流量测量电路，其中，所述存储模块能够存储数据信息和功能程序模块，所述流量测量电路能够缓冲及隔离电压信号，所述主控电路能够将经由所述流量测量电路传输过来的所述压差传感器采集的压差模拟信号转换成压差数字信号，并且能够将所述压差数字信号保存到所述存储模块中；
其特征在于：
所述存储模块包括压差-流量函数程序模块和肺活量计算模块，其中，所述压差-流量函数是压差-流量分段拟合函数：
Qi＝fi(P),Pi≤P≤Pi+1,i＝1,2,3,…,N,N＞1
所述肺活量计算模块借助于所述压差-流量函数程序模块能够通过积分计算得到总的肺活量值：
所述电子肺活量测试仪按以下方式计算肺活量：
使用者深吸气后，在时刻t0开始向所述吹气组件匀速吹气，直至气竭时刻 tend，在此吹气过程中，所述压差传感器按每秒K次的采样频率采集所述压差模拟信号；
所述主控电路将所述压差模拟信号转换成所述压差数字信号ΔPj，其中， j＝0,1,2,3,…,M,M＝K×(tend-t0)；
所述主控电路将所述压差数字信号ΔPj和对应的采样时间tj保存到所述存储模块中；
借助于所述压差-流量函数程序模块，所述主控电路计算出所述压差数字信号ΔPj对应的流量Qj；
所述主控电路将所述流量Qj和对应的采样时间tj保存到所述存储模块中；
借助于所述肺活量计算模块，根据所述流量Qj和对应的采样时间tj，所述主控电路计算出所述使用者的肺活量值。
为此，本发明还提出基于物联网的肺活量测试系统，其特征在于：其包括至少一个本文所述的电子肺活量测试仪、肺活量测试主机、肺活量数据库服务器、和数据显示终端装置；
所述电子肺活量测试仪还包括物联网通讯模块，借助于所述物联网通讯模块，由所述电子肺活量测试仪采集的肺活量数据被传输到所述肺活量测试主机，所述肺活量测试主机通过有线或无线互联网络将所述肺活量数据传输到所述肺活量数据库服务器中，并且，所述数据显示终端装置从所述肺活量数据库服务器中提取、分析和处理所述肺活量数据，以图形方式或数据列表方式显示所述分析处理的结果。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：大幅提高了肺活量的测量精度，方便使用者随时随地进行肺活量的测量，并能够将测量数据快速上传到物联网云平台。
附图说明
参照附图，本发明的特征、优点和特性通过下文的具体实施方式的描述得以更好的理解，附图中：
图1为本发明的电子肺活量测试仪的优选实施方式的爆炸示意图；
图2为图1的电子肺活量测试仪的一平面示意图；
图3为图2的电子肺活量测试仪的B-B截面示意图；
图4为图1的电子肺活量测试仪的另一平面示意图；
图5为图4的电子肺活量测试仪的A-A截面示意图；
图6为图1的电子肺活量测试仪的吹气管7的主视图；
图7为图1的电子肺活量测试仪的吹气管7的俯视图；
图8为图1的电子肺活量测试仪的吹气管7的左视图；
图9为图1的电子肺活量测试仪的吹气管7的节流装置的原理示意图；
图10为图1的电子肺活量测试仪的肺活量主控板的电路原理图；
图11为图10所示肺活量主控板的部分流量测量电路原理图，其中示出电压跟随器；
图12为图10所示肺活量主控板的另一部分流量测量电路原理图，其中示出压差传感器接口；
图13为图11所示流量测量电路的电压跟随器的电路原理示意图；
图14为图10所示肺活量主控板的主控电路的原理图；
图15为图10所示肺活量主控板的存储模块的原理图；
图16为图10所示肺活量主控板的晶振电路的原理图；
图17为图10所示肺活量主控板的显示屏模块的原理图；
图18为图10所示肺活量主控板的2.4G通信模块接口电路的原理图；
图19为图10所示肺活量主控板的串口通信接口电路的原理图；
图20为图10所示肺活量主控板的语音模块的原理图；
图21为图10所示肺活量主控板的按键模块的原理图；
图22为图10所示肺活量主控板的下载电路的原理图；
图23为图10所示肺活量主控板的充电电路的原理图；
图24为图10所示肺活量主控板的配电电路的原理图；
图25为图10所示肺活量主控板的开关机和电池检测电路的原理图；
在图中，同一的或类似的元件使用同一数字标记，不同的元件使用不同的数字标记，其中：
1 扬声器
10 左半壳体
11 第一密封圈
12 铝圈
13 第二密封圈
14 贴膜
15 第二螺钉
16 固定件
17 出气管段
18 进气管段
19 节流管段
2 电子控制装置
20 节流孔
3 显示屏面盖
4 右半壳体
5 第一螺钉
6 压差传感器
7 吹气管
8 吹气管头
9 吹气嘴
具体实施方式
在下文中，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在技术内容没有逻辑矛盾或错误的前提下，下文中描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
参照图1和图7，根据本发明的电子肺活量测试仪的一实施方式，所述电子肺活量测试仪用于测量人体的肺活量，所述电子肺活量测试仪包括壳体组件、吹气组件、压差传感器6、和电子控制装置2。可以理解的是，如图1所示，所述壳体组件例如可以由两个对半壳体4、11组成，所述对半壳体4、11可由塑料材料模制而成。所述两个对半壳体4、11组合形成内部空腔。可选地，所述壳体组件由头部构件和握柄构件组成，其中，所述头部构件的空腔用于安装所述电子控制装置2，所述握柄构件的空腔用于安装吹气组件和压差传感器6，所述头部构件和所述握柄构件例如通过螺栓-螺母等机械连接方式连接在一起。所述电子肺活量测试仪还包括扬声器1、显示屏面盖3、第一螺钉5、第一密封圈 11、铝圈12、第二密封圈13、贴膜14、和第二螺钉15。
参照图1、4、5，所述吹气组件、所述压差传感器6、和所述电子控制装置 2被安装在所述壳体组件的内空腔中。
所述压差传感器6与所述电子控制装置2电连接。可以理解的是，所述压差传感器6通过导电线与所述电子控制装置2电连接，这里的电连接包括两个方面：电力能源连接，所述压差传感器6经由所述电子控制装置2的充电和配电电路获取电力能源；信息数据连接，所述压差传感器6采集的信息数据经由所述电连接传输到所述电子控制装置2。
参照图1、5，所述吹气组件包括吹气管7，所述吹气管7包括节流装置，所述节流装置具有节流孔20。可以理解的是，如图1所示，所述吹气组件还包括吹气管头8和吹气嘴9。如图6所示，所述吹气管7还包括固定件16，用于将所述吹气管7固定到所述壳体组件上，所述节流装置还包括进气管段18、节流管段19、和出气管段17，其中，所述节流管段19具有节流孔20。
参照图1，所述压差传感器6被安置成能够测量所述节流孔20的上游和下游之间的气体流动的压力差，并且，所述压差传感器6能够将所述气体压力差转换成压差模拟信号，并将所述压差模拟信号传输给所述电子控制装置2。优选地，所述压差传感器6采用Sensepa的SPRA系列，型号SPA002D。
所述电子控制装置2包括肺活量主控板，所述肺活量主控板包括主控电路、存储模块和流量测量电路，其中，所述存储模块能够存储数据信息和功能程序模块，所述流量测量电路能够缓冲及隔离电压信号，所述主控电路能够将经由所述流量测量电路传输过来的所述压差传感器6采集的压差模拟信号转换成压差数字信号，并且能够将所述压差数字信号保存到所述存储模块中。优选地，所述电子控制装置2还包括RFID读卡器。如下文所述，所述肺活量主控板还包括串口通信接口电路、显示屏模块、2.4G通信模块接口电路、语音模块、按键模块、充电和配电电路、和开关机和电池检测电路等。所述主控电路还包括微控制器或微处理器CPU，例如ST公司的STM32F103R8T6，可以运行功能强大的嵌入式操作系统。可以理解的是，本领域技术人员基于现有技术能够实现所述主控电路、所述存储模块和所述流量测量电路之间的电路连接关系，这里不再详述。
与申请人的前代电子肺活量测试仪和现有技术相比，改进之一在于：
所述存储模块包括压差-流量函数程序模块和肺活量计算模块，其中，所述压差-流量函数是压差-流量分段拟合函数：
Qi＝fi(P),Pi≤P≤Pi+1,i＝1,2,3,…,N,N＞1
优选的是，其中N＝3，也就是，所述压差-流量函数是三段拟合函数。可选的是，所述拟合函数可以是多项式函数、幂级数、函数项级数、傅立叶级数等，其中，级数的项数为大于1的正整数。更为优选地，所述压差-流量函数是三段拟合多项式函数。可以理解的是，所述压差-流量函数程序模块也可称之为压差- 流量函数计算模块、压差-流量函数功能模块或压差-流量函数执行模块。
所述肺活量计算模块借助于所述压差-流量函数程序模块能够通过积分计算得到总的肺活量值：
优选地，其中，M＞1000，这样按上式近似计算也能达到很高的计算精度。可以理解的是，所述肺活量计算模块也可称之为所述肺活量计算程序模块或所述肺活量计算执行模块。所述存储模块包括压差-流量函数程序模块和肺活量计算模块可以是存储在所述存储模块中的两段程序代码，而所述程序代码例如可以由下文所述的下载电路从电脑中下载到所述存储模块中。所述主控电路能够调用所述程序代码，执行压差-流量函数的计算或肺活量的计算。
基于压差-流量三段拟合多项式函数，就能够获得比现有技术更高的测量精度，所述压差-流量三段拟合多项式函数可由下文所述的流量校准方法来得到。
为此，所述电子肺活量测试仪能够按以下方式计算肺活量：
使用者深吸气后，在时刻t0开始向所述吹气组件匀速吹气，直至气竭时刻t1，在此吹气过程中，所述压差传感器6按每秒K次的采样频率采集所述压差模拟信号。可以理解的是，时刻t0的具体数值并不重要，因此，可以方便地设定t0＝0，其精度可以是毫秒级，重要的是tend-t0的数值大小，其确定使用者的整个吹气时长。采样频率K例如为1000次/秒，这样能保证足够的计算精度。对于吹气开始状态的判断，可以由所述压差数字信号从零变成大于零的瞬间来标定为时刻t0；对于吹气结束或气竭时刻的判定，可以由所述压差数字信号从大于零变成零的瞬间来标定为时刻tend。
所述主控电路将所述压差模拟信号转换成所述压差数字信号ΔPj，其中， j＝0,1,2,3,…,M,M＝K×(tend-t0)。例如，K＝1000，且tend-t0＝5.1234秒，则M＝5123，由于M为正整数，可四舍五入法取整。
所述主控电路将所述压差数字信号ΔPj和对应的采样时间tj保存到所述存储模块中。优选地，若t0＝0，且均等时间采样，为每1毫秒采样1次，则tj＝j。所述压差数字信号ΔPj可理解为第j次或第j毫秒采集到的压差数值。
借助于所述压差-流量函数程序模块，所述主控电路计算出所述压差数字信号ΔPj对应的流量Qj。可以理解的是，例如，所述压差-流量三段拟合多项式函数为：第一段四次多项式函数为f(x)＝a1+b1×x+c1×x2+d1×x3+e1× x4,x≤700；第二段三次多项式函数为f(x)＝a2+b2×x+c2×x2+d2× x3,x≤1100；第三段三次多项式函数为f(x)＝a3+b3×x+c3×x2+d3× x3,x≥1100。若ΔP5＝666，则使用第一段四次多项式函数计算对应的流量；若ΔP8＝888，则使用第二段三次多项式函数为计算对应的流量；若ΔP13＝1333，则使用第三段三次多项式函数为计算对应的流量。例如，这样的数学函数通过C 语言编写成计算机函数代码，编绎成可执行代码，并由下载电路将其下载到所述存储模块中。可以理解的是，所述压差-流量函数程序模块的物理实体至少包括所述主控电路和所述存储模块，所述压差-流量函数程序模块的信息体为所述压差-流量三段拟合多项式函数对应的可执行代码。
所述主控电路将所述流量Qj和对应的采样时间tj保存到所述存储模块中。可以理解的是，每对数据(ΔPj,tj)都有唯一相应(Qj,tj)。
借助于所述肺活量计算模块，根据所述流量Qj和对应的采样时间tj，所述主控电路计算出所述使用者的肺活量值。可以理解的是，若每1毫秒采样2次，则采样时间间隔为0.0005秒，且tend-t0＝5.1234秒，则总的肺活量值近似计算得到：
其中，流量Q的单位可以是升/秒或米3/秒。
由于使用压差-流量分段拟合函数进行校准，大幅提高了肺活量的测量精度，上述电子肺活量计的测量精度为：各压力均匀吹气精度小于±1％FS，若在一次吹气中采用各种压力组合不间断吹气的情况下精度约为±1％FS，且测量结果正太分布中与1000误差小于1(使用1000ml气泵测试)，达到设计期望。其中，±1％FS的意思精度是满量程的±1％,是个稳定的值。FS是英文Full SCAL满量程的简写。
优选的是，所述压差-流量分段拟合函数按以下流量校准方式得到：
获取气体流量基础数据，所述气体流量基础数据包括平均压差和平均流量所述气体流量基础数据获取方式如下：
标定零点操作：建立所述压差传感器6与所述主控电路之间的通信，标定所述压差传感器6的零点；
数据采样操作：使用定量标准气泵向所述电子肺活量测试仪的吹气管7 按吹气速度V均匀吹气，并保证吹气压力连续且一致，直至所述定量标准气泵中的气体用尽，并检测到吹气结束，其中，所述定量标准气泵的气体容量为L；采样频率为每秒K次；连续获取压差值ΔPi，并计算出最终的平均压差计算总的采样次数N，从而计算平均流量
数据发送操作：所述主控电路把计算出的平均压差和平均流量发送至数据表中；
循环采样操作：更改所述定量标准气泵的吹气速度V，重复上述数据采样操作和数据发送操作；
数据保存操作：保存所述数据表中的平均压差和平均流量数据纪录；
使用分段函数拟合的数学方法将上述数据表中的离散数据拟合出若干个函数关系式其中，i＝1,2,3,…,N，N＞＝2，为正整数；
将所述函数关系式保存到所述肺活量主控板的存储模块的压差- 流量函数程序模块中。
更为详细的流量校准方法的描述请参见本申请人的另一份专利申请，其发明创造名称为“电子肺活量测试仪的流量校准方法”，这里不再详述，若需要，其全部技术内容可通过援引加入本发明中。
根据本发明的另一实施方式，所述压差-流量分段拟合函数由以下流量校准计算系统来得出，其中，所述流量校准计算系统包括定量标准气泵、所述电子肺活量测试仪、和计算机。所述电子肺活量测试仪包括：
气体流量基础数据获取模块，其中，所述气体流量基础数据包括平均压差和平均流量所述气体流量基础数据获取模块包括以下子模块：
标定零点子模块：建立所述压差传感器6与所述主控电路之间的通信，标定所述压差传感器6的零点；
数据采样子模块：使用定量标准气泵向所述电子肺活量测试仪的吹气管7按吹气速度V均匀吹气，并保证吹气压力连续且一致，直至所述定量标准气泵中的气体用尽，并检测到吹气结束，其中，所述定量标准气泵的气体容量为L；采样频率为每秒K次；连续获取压差值ΔPi，并计算出最终的平均压差计算总的采样次数N，从而计算平均流量
数据发送子模块：所述主控电路把计算出的平均压差和平均流量发送至数据表中；
循环采样子模块：更改所述定量标准气泵的吹气速度V，重复上述数据采样操作和数据发送操作；
数据保存子模块：保存所述数据表中的平均压差和平均流量数据纪录；
分段函数拟合模块：使用分段函数拟合的数学方法将上述数据表中的离散数据拟合出若干个函数关系式其中，i＝1,2,3,…,N，N＞＝2，为正整数；
分段函数保存模块：将所述函数关系式保存到所述肺活量主控板的存储模块的压差-流量函数程序模块中。
借助于所述流量校准计算系统，能够精确得到压差-流量分段拟合函数的全部特征参数或系数。
优选地，使用三段多项式函数拟合的数学方法将上述压差-流量数据表中的离散数据拟合出三个多项式函数关系式其中，i＝1,2,3,…,N，N＝3，为正整数。可以理解的是，分三段进行拟合是合适的，完全能够达到测量精度的要求。人吹气一般都是经历三个阶段：初而强，再而衰，三而竭。
分别用不同的多项式函数来分别拟合人吹气的强、衰、竭三个阶段，有利于提高测量计算精度和速度。
优选的是，第一段多项式函数采用四次多项式函数拟合；第二段多项式函数采用三次多项式函数拟合；第三段为多项式函数采用三次多项式函数拟合。可以理解的是，低压差区的拟合曲线的曲率较大，使用四次多项式函数拟合比三次多项式函数拟合更合适，更能保证低压差区的测量计算精度。
可选地，第一段多项式函数采用五次多项式函数拟合；第二段多项式函数采用三次多项式函数拟合；第三段为多项式函数采用二次多项式函数拟合。这样的多项式函数的阶数设定还符合斐波那契数列的规律，更准确地逼迫人吹气这一事件的自然状态。
优选地，所述第一段四次多项式函数为f(x)＝a1+b1×x+c1×x2+d1× x3+e1×x4；所述第二段三次多项式函数为f(x)＝a2+b2×x+c2×x2+ d2×x3；所述第三段三次多项式函数为f(x)＝a3+b3×x+c3×x2+d3×x3。可以理解的是，所述多项式函数的各个系数通过流量和压差信号的离散对应点使用最小二乘法拟合来得到。对于同一型号的电子肺活量测试仪，这些系数是相同的；对于不同型号的电子肺活量测试仪，这些系数可能是不相同的。
具有上述分段多项式函数的校准功能的电子肺活量测试仪达到了测量计算精度高和速度快的技术效果。
优选地，根据所述压差-流量数据表中的离散数据的坐标图中拟合曲线的曲率的变化程度，确定所述分段拟合函数的分段点。可以理解的是，两个分段例如分别选在压差数值为700、1100。当然，对于不同型号的电子肺活量测试仪，这两个分段点的位置可能会略有不同。曲率越大，拟合多项式函数的阶次就需要越高。
根据拟合曲线的曲率来确定分段点有利于保证高曲率使用高阶多项式函数。
优选的是，按斐波那契数列的生灭规律来确定所述分段拟合函数的分段点。
可以理解的是，任何事件的产生与消灭基本都遵循斐波那契数列的规律，例如，斐波那契数列2、3、5用于确定所述分段拟合函数的分段点，从上文数据表中可以得出压差信号的测量范围大致为400至3600，通过计算(3600-400) /(2+3+5)＝320，因此，第一分段点在400+320*2＝1040，第二分段点在 400+320*5＝2000。
使用斐波那契数列确定分段点达到了在事物量子涨落层面上契合自然规律的技术效果。
为了更好地理解本发明，下文参照图10所示的肺活量主控板的电路原理图来描述本发明的优选的技术方案，其中：
主控芯片采用ST公司的STM32F103R8T6；晶振采用8MHz有源晶振；按键模块外接，控制按键有四个，分别为主按键、确定按键、加值和减值按键；充电控制芯片采用CN3052A；显示屏采用0.96寸OLED屏；外部Flash存储器采用一个W25Q32；语音芯片采用NVC040CQ；压差传感器采用Sensepa的SPRA 系列，型号SPA002D；电压跟随器采用精密运放OPA2333，使传感器传递到 STM32的电压模拟量得到稳定。RFID模块采用NXP公司的MFRC522芯片。3 个LED用于指示充电状态、运行状态和语音播报状态。采用NPN型三极管2N3904和P沟道MOSFET组合成开关机和电池检测电路。
此外，JTAG接口用于程序下载；MiniUSB接口输入电压范围4.35V-6V，通过CN3052A稳压为4.2V为电池充电，或再通过HT7333稳压IC稳压为3.3V 给系统供电。电池接口用于连接3.7V锂电池，也需通过HT7333稳压IC稳压为 3.3V给系统供电。SPI接口用于连接NRF24L01 2.4G通信模块和RFID模块；ISP 接口用于连接到电脑或外接串口蓝牙模块。
参照图11至图13，所述流量测量电路包括电压跟随器和压差传感器接口，其中，所述电压跟随器包括运算放大器，作为电压信号的缓冲级及隔离级，所述运算放大器具有极低的失调电压，随时间推移和温度变化实现接近于零的漂移；优选的是，所述电压跟随器采用精密运放OPA2333，作为电压信号的缓冲级及隔离级。节流装置的气体压差信号通过压差传感器转换成电压信号，其中，压差和电压成正比例关系，电压信号再经过电压跟随器输入到STM32模拟输入引脚，使用STM32内部ADC功能将模拟信号转换成数字信号。所以流量测量电路只占用STM32第27号引脚AN9。OPA2333系列运算放大器使用专有自动校准技术，具有极低的失调电压，其最大值10μV，随时间推移和温度变化实现接近于零的漂移。属于高精度、低静态电流微型放大器，可提供高阻抗输入——共模范围超出电源轨电压100mV，和轨至轨输出——摆幅低于电源轨电压 50mV以内。可以使用低至1.8V即±0.9V和高达5.5V即±2.75V的电源。
参照图13，所述电压跟随器为共集电极电路，其中，信号从基极输入，且从射极输出，称之为射极输出器；集电极电压的相位和基极电压的相位一致，输出电压与输入电压同相，电压放大倍数恒小于且接近1。
参照图12，所述压差传感器接口将所述压差传感器与所述电压跟随器电连接在一起。
参照图10、11、13，所述运算放大器是低静态电流微型放大器，能够提供高阻抗输入；所述电压跟随器的输出电阻很低，输入电阻很高；当输入阻抗的值很高的时候，对于前级电路来说相当于开路，当输出阻抗的值很低的时候，对于后级电路就相当于恒电压源，输出电压的值不会受到后级电路阻抗的影响。可以理解的是，电阻很低可理解为电阻小于10欧姆，阻抗很高可理解为大于1000 欧姆。
由于电压放大器的输出阻抗通常都比较高，一般达到在几千欧到几十千欧，若后级输入阻抗较小，那么信号就会有一部分会损耗于前级输出电阻中。通常在这个时候就需要电压跟随器来实现缓冲功能。
OPAx333系列提供出色的CMRR，而不存在与传统互补输入级关联的交叉。该设计可在驱动模数转换器AD的过程中实现优异的性能，而不会降低微分线性。
OPA333(单通道版本)可提供5引脚SOT-23、SOT以及8引脚SOIC封装，而OPA2333(双通道版本)可提供8引脚VSON、SOIC和VSSOP封装。所有版本的额定工作温度范围均为-40℃至125℃。
其特性如下“
低失调电压：10μV(最大值)；
零漂移：0.05μV/℃(最大值)；
0.01Hz至10Hz噪声：1.1μV；
静态电流：17μA；
单电源供电；
电源电压：1.8V至5.5V；
轨到轨输入/输出；
微型封装：SC70和SOT23；
优选地，压差传感器采用Sensepa的SPRA002D，即SPRA系列的具有2PSI (PoundsPer Square Inch)量程的差压型传感器。SPRA系列产品特点：属于低成本传感器元件；具备零点和满量程校准功能；具备多阶段温度补偿功能；可提供表压、绝压、复合压、差压等气压测量方式；可接受非标定制，1PSI到100PSI 压力量程。
所述流量测量电路在所述主控电路和所述压差传感器之间形成缓冲和隔离，将在吹气测量过程中所述压差传感器对所述主控电路的影响降低至最小。
优选地，参照图14，所述主控电路包括微控制器，其中，所述微控制器包括模数转换模块AD和直接存储器访问模块DMA，所述模数转换模块AD能够将经由所述流量测量电路输入的所述压差传感器的压差模拟信号转换为压差数字信号，所述直接存储器访问模块DMA能够将所述压差数字信号传输到所述存储模块中。
有利的是，所述微控制器是ARM Cortex-M内核的32位微控制器STM32，例如STM32F103R8T6。
由于使用高性能的微控制器STM32，所述肺活量主控板可以制作得很小，因而，电子肺活量测试仪能够实现小型化，可手持使用，方便携带，成为便携式电子肺活量测试仪。
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM-M0，M0+，M3,M4和M7内核。
在STM32中启用3个ADC转换通道：ADC_Channel_8、ADC_Channel_9、 ADC_Channel_17,流量测量电路使用ADC_Channel_9，电池检电路使用 ADC_Channel_8，STM32内部参考电压使用ADC_Channel_17。启用DMA传输提高ADC数据获取频率。
初始化ADC_Channel_8、ADC_Channel_9的IO口代码以及初始化AD功能和DMA功能在下文详细描述。
使用定时器2中断，每0.5ms运行一次AD获取函数，每次获取各通道AD 各200次，并取获得每个通道的AD平均值。AD获取函数主要实现代码详见下文。
103系列的STM32有如下特点：
内核：ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。
存储器：片上集成32-512KB的Flash存储器。6-64KB的SRAM存储器。
时钟、复位和电源管理：2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。上电复位(POR)、掉电复位(PDR)和可编程的电压探测器(PVD)。4-16MHz 的晶振。内嵌出厂前调校的8MHz RC振荡电路。内部40kHz的RC振荡电路。用于CPU时钟的PLL。带校准用于RTC的32kHz的晶振。
低功耗：3种低功耗模式：休眠，停止，待机模式。为RTC和备份寄存器供电的VBAT。
调试模式：串行调试(SWD)和JTAG接口。
DMA：12通道DMA控制器。支持的外设：定时器，ADC，DAC，SPI，IIC 和UART。
3个12位的us级的A/D转换器(16通道)：A/D测量范围：0-3.6V。双采样和保持能力。片上集成一个温度传感器。
2通道12位D/A转换器：STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE独有。
最多高达112个的快速I/O端口：根据型号的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。除了模拟输入，所有的都可以接受5V以内的输入。
最多多达11个定时器：4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM 或者脉冲计数器。2个16位的6通道高级控制定时器：最多6个通道可用于PWM 输出。2个看门狗定时器(独立看门狗和窗口看门狗)。Systick定时器：24位倒计数器。2个16位基本定时器用于驱动DAC。
最多多达13个通信接口：2个IIC接口(SMBus/PMBus)。5个USART 接口(ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调试控制)。3个SPI接口(18Mbit/s)，两个和IIS复用。CAN接口(2.0B)。USB 2.0全速接口。SDIO接口。
ECOPACK封装：STM32F103xx系列微控制器采用ECOPACK封装形式。
其系统作用如下：
1、集成嵌入式Flash和SRAM存储器的ARM Cortex-M3内核。和8/16位设备相比，ARMCortex-M3 32位RISC处理器提供了更高的代码效率。 STM32F103xx微控制器带有一个嵌入式的ARM核，所以可以兼容所有的ARM 工具和软件。
2、嵌入式Flash存储器和RAM存储器：内置多达512KB的嵌入式Flash，可用于存储程序和数据。多达64KB的嵌入式SRAM可以以CPU的时钟速度进行读写(不待等待状态)。
3、可变静态存储器(FSMC)：FSMC嵌入在 STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE中，带有4个片选，支持四种模式： Flash,RAM,PSRAM,NOR和NAND。3个FSMC中断线经过OR后连接到NVIC。没有读/写FIFO，除PCCARD之外，代码都是从外部存储器执行，不支持Boot，目标频率等于SYSCLK/2，所以当系统时钟是72MHz时，外部访问按照36MHz 进行。
4、嵌套矢量中断控制器(NVIC)：可以处理43个可屏蔽中断通道(不包括Cortex-M3的16根中断线)，提供16个中断优先级。紧密耦合的NVIC实现了更低的中断处理延迟，直接向内核传递中断入口向量表地址，紧密耦合的 NVIC内核接口，允许中断提前处理，对后到的更高优先级的中断进行处理，支持尾链，自动保存处理器状态，中断入口在中断退出时自动恢复，不需要指令干预。
5、外部中断/事件控制器(EXTI)：外部中断/事件控制器由用于19条产生中断/事件请求的边沿探测器线组成。每条线可以被单独配置用于选择触发事件 (上升沿，下降沿，或者两者都可以)，也可以被单独屏蔽。有一个挂起寄存器来维护中断请求的状态。当外部线上出现长度超过内部APB2时钟周期的脉冲时，EXTI能够探测到。多达112个GPIO连接到16个外部中断线。
6、时钟和启动：在启动的时候还是要进行系统时钟选择，但复位的时候内部8MHz的晶振被选用作CPU时钟。可以选择一个外部的4-16MHz的时钟，并且会被监视来判定是否成功。在这期间，控制器被禁止并且软件中断管理也随后被禁止。同时，如果有需要(例如碰到一个间接使用的晶振失败)，PLL时钟的中断管理完全可用。多个预比较器可以用于配置AHB频率，包括高速 APB(PB2)和低速APB(APB1)，高速APB最高的频率为72MHz，低速APB 最高的频率为36MHz。
7、Boot模式：在启动的时候，Boot引脚被用来在3种Boot选项种选择一种：从用户Flash导入，从系统存储器导入，从SRAM导入。Boot导入程序位于系统存储器，用于通过USART1重新对Flash存储器编程。
8、电源供电方案：VDD，电压范围为2.0V-3.6V，外部电源通过VDD引脚提供，用于I/O和内部调压器。VSSA和VDDA，电压范围为2.0-3.6V，外部模拟电压输入，用于ADC，复位模块，RC和PLL，在VDD范围之内(ADC 被限制在2.4V)，VSSA和VDDA必须相应连接到VSS和VDD。VBAT，电压范围为1.8-3.6V，当VDD无效时为RTC，外部32KHz晶振和备份寄存器供电 (通过电源切换实现)。
9、电源管理：设备有一个完整的上电复位(POR)和掉电复位(PDR)电路。这条电路一直有效，用于确保从2V启动或者掉到2V的时候进行一些必要的操作。当VDD低于一个特定的下限VPOR/PDR时，不需要外部复位电路，设备也可以保持在复位模式。设备特有一个嵌入的可编程电压探测器(PVD)， PVD用于检测VDD，并且和VPVD限值比较，当VDD低于VPVD或者VDD 大于VPVD时会产生一个中断。中断服务程序可以产生一个警告信息或者将 MCU置为一个安全状态。PVD由软件使能。
10、电压调节：调压器有3种运行模式：主(MR)，低功耗(LPR)和掉电。MR用在传统意义上的调节模式(运行模式)，LPR用在停止模式，掉电用在待机模式：调压器输出为高阻，核心电路掉电，包括零消耗(寄存器和SRAM 的内容不会丢失)。
11、低功耗模式：STM32F103xx支持3种低功耗模式，从而在低功耗，短启动时间和可用唤醒源之间达到一个最好的平衡点。休眠模式：只有CPU停止工作，所有外设继续运行，在中断/事件发生时唤醒CPU；停止模式：允许以最小的功耗来保持SRAM和寄存器的内容。1.8V区域的时钟都停止，PLL，HSI 和HSE RC振荡器被禁能，调压器也被置为正常或者低功耗模式。设备可以通过外部中断线从停止模式唤醒。外部中断源可以使16个外部中断线之一，PVD 输出或者TRC警告。待机模式：追求最少的功耗，内部调压器被关闭，这样1.8V 区域断电。PLL,HSI和HSE RC振荡器也被关闭。在进入待机模式之后，除了备份寄存器和待机电路，SRAM和寄存器的内容也会丢失。当外部复位(NRST 引脚)，IWDG复位，WKUP引脚出现上升沿或者TRC警告发生时，设备退出待机模式。进入停止模式或者待机模式时，TRC,IWDG和相关的时钟源不会停止。
参照图10、15，优选地，所述存储模块包括串行闪存芯片，其中，所述压差数字信号被存储到所述串行闪存芯片中；所述串行闪存芯片包括所述压差-流量函数程序模块和所述肺活量计算模块。有利的是，如图15所示，所述串行闪存芯片是W25Q32BV，它是台湾华邦电子Winbond生产的32M-bit即4M-Byte 串行flash芯片。
其主要特性如下：
·工作电压：2.5～3.6V；
·功耗：读写active时4mA，低功耗power-down时＜1μA；
·容量：32M-bit/4M-byte，包含16384个可编程页，每页大小256字节，总共4,194,304；
·接口：Standard/Dual/Quad SPI，支持时钟频率最高104MHz；
·支持以4/32/64k-bytes为单位进行Sector/Block擦除；
·一次写入最多256字节；
·软件/硬件写保护功能；
·大于10万次擦除/编程寿命；
·大于20年的数据保存时间。
参照图16，优选地，所述肺活量主控板还包括晶振电路，其中，所述晶振电路包括有源晶振，所述晶振电路与所述微控制器电连接，能够为所述微控制器提供第一时钟频率信号；所述模数转换模块AD的第二时钟频率信号基于所述第一时钟频率信号进行配置，所述压差数字信号的采样频率基于所述模数转换模块AD的第二时钟频率信号进行配置。有利的是，如图16所示，所述晶振采用8MHz有源晶振。占用STM32第5号引脚OSC_I，为STM32和其他电路或芯片提供时钟频率信号。
优选地，所述模数转换模块AD包括IO口初始化程序模块、模数转换通道初始化程序模块、和数字信号获取程序模块，其中，
所述IO口初始化程序模块包括：打开IO口外设时钟、设置引脚类型和IO 口模式；
所述模数转换通道初始化程序模块包括：打开模数转换通道的外设时钟、设置模数转换通道工作模式、设置启用通道数量、设置模数转换通道的时钟、设置模数转换通道的采样时间、重置指定的模数转换通道的校准寄存器、获取模数转换通道重置校准寄存器的状态、开始指定模数转换通道的校准程序、和获取指定模数转换通道的校准状态；
所述数字信号获取程序模块包括：获取各个模数转换通道的数字信号各N 次，并获得每个模数转换通道的数字信号的平均值，其中，N为大于1的正整数。
可以理解的是，IO口初始化程序模块也称之为IO口初始化执行模块，模数转换通道初始化程序模块称之为模数转换通道初始化执行模块，和数字信号获取程序模块称之为数字信号获取执行模块。
模数转换功能被集成在所述微控制器中，而不需要单独的模数转换器，从而简化了电路结构，使得电子肺活量测试仪工作更加安全可靠。
有利的是，模数转换模块AD的部分源代码实例如下：
初始化ADC_Channel_8、ADC_Channel_9的IO口代码如下：
static void ADC1_GPIO_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure；
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE)；
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin＝GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1；
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode＝GPIO_Mode_AIN；
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure)；
}
初始化AD功能和DMA功能的实现代码如下：
优选地，所述模数转换模块AD启用第一模数转换通道采集所述压差数字信号，其采集方式为：使用定时器中断，每隔一确定的时间周期运行一次所述数字信号获取程序模块。可以理解的是，所述确定的时间周期可以是0.5ms、1ms、或者2ms。
有利地，所述微控制器使用定时器2中断，每0.5ms运行一次AD获取函数，每次获取各通道AD各200次，并取获得每个通道的AD平均值。AD获取函数实现代码如下：
void GET_ADAVE_MS(void)
{
u16i＝0；
u16count＝0；
u32sum＝0；
for(i＝0；i＜M_tds；i++)
{
for(count＝0；count＜N_mcs；count++)
{
sum+＝AD_Value[count][i]；
}
AD_Value_AVE_BUF[i]＝AD_Value_AVE[i]；
AD_Value_AVE[i]＝sum/N_mcs；
sum＝0；
}
}
优选地，参照图10、19，所述肺活量主控板还包括串口通信接口电路，其中，所述串口通信接口电路包括通用同步异步收发器USART1、IO复用串口初始化程序模块、和串口发送函数程序模块；
所述IO复用串口初始化程序模块包括：设置时钟、设置复用模式、和设置工作模式；
所述串口发送函数程序模块包括：通过重定向c编程语言库函数printf到所述通用同步异步收发器USART1实现数据传输。
有利地，如图10和图19所示，串口通信接口电路中使用STM32的引脚复用功能，将PB6和PB7复用为USART1；其中TXD1连接STM32第58号引脚 S_TXD1,，RXD1连接STM32第59号引脚S_RXD1。
测试记录：肺活量主控板上串口接口连接CH340TTL转USB模块，连接到电脑USB接口，电脑端使用串口助手接收STM32发送的数据并显示。注意串口助手设置的波特率、校验位、数据位和停止位等要和STM32程序一样。
借助于所述串口通信接口电路，所述电子肺活量测试仪的测量数据可以被传输到功能更加强大的电脑上进行分析和处理。
IO复用串口的初始化代码参考如下：
Void USART_Init(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE)；//打开复用时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE)；//硬件IO 的时钟
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_USART1,ENABLE)；//复用模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin＝GPIO_Pin_6；//USARTx的TX
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode＝GPIO_Mode_AF_PP；
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed＝GPIO_Speed_50MHz；
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure)；
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin＝GPIO_Pin_7；//USARTx的RX
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode＝GPIO_Mode_IN_FLOATING；
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure)；
USART_InitStructure.USART_BaudRate＝BaudRate；//USARTx外设工作模式初始化
USART_InitStructure.USART_WordLength＝USART_WordLength_8b；
USART_InitStructure.USART_StopBits＝USART_StopBits_1；
USART_InitStructure.USART_Parity＝USART_Parity_No；
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl＝ USART_HardwareFlowControl_None；
USART_InitStructure.USART_Mode＝USART_Mode_Rx| USART_Mode_Tx；
USART_Init(USART1,&USART_InitStructure)；
USART_Cmd(USART1,ENABLE)；//使能USARTx
}
串口发送函数通过重定向c库函数printf到USART1实现，代码如下：
int fputc(int ch,FILE*f)/*发送一个字节数据到USART1*/
{
USART_SendData(USART1,(uint8_t)ch)；
while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)＝＝RESET)；
return(ch)；
}
参照图10和17，优选地，所述肺活量主控板还包括显示屏模块，用于实现测量数据的显示，其中，所述显示屏模块使用SPI串口通讯协议，并且在所述微控制器的时钟线和数据线的驱动下显示内容；将中文字库下载到所述存储模块中，所述微控制器再从所述存储模块中读取字模数据。
有利地，使用0.96寸OLED显示屏模块实现测量数据的显示功能。显示屏模块使用SPI串口通讯协议，模块在STM32时钟线和数据线的驱动下显示内容，但无法显示中文。由于中文字库内容不小，所以将中文字库下载到W25Q32中， STM32再从W25Q32——即外部Flash中读取字模数据。W25Q32也是使用SPI 串口通讯协议，可和OLED共用STM32的同一个SPI外设。
其中SPI2_SCK占用STM32第34号引脚SPI2_SCK，SPI2_MISO占用 SMT32第35号引脚SPI2_MISO，SPI2_MOSI占用STM32第36号引脚 SPI2_MOSI。OLED_RST占用STM32第41号引脚PA8，OLED_D/C占用STM32 第42号引脚PA9，OLED_CS占用STM32第43号引脚PA10。FLASH_CS占用 STM32第33号引脚SPI2_NSS。电源滤波电容应靠近相应的供电对象。
在所述电子肺活量测试仪中集成显示功能模块，使得电子肺活量测试仪完全可以独立于主机单独进行肺活量测试并在所述电子肺活量测试仪上直接显示测试结果。
参照图10，优选地，所述肺活量主控板还包括2.4G通信模块接口电路，用于连接2.4G通信模块，其中，所述2.4G通信模块接口电路包括滤波电容。
有利地，如图18所示，2.4G通信模块接口电路的供电需加滤波电容，其中 RMT_CE占用STM32第16号引脚PA2，RMT_CSN占用STM32第15号引脚PA1，RMT_IRQ占用STM32第14号引脚PA0。SPI1_SCK占用STM32第21 号引脚PA5，SPI1_MOSI占用STM32第23号引脚PA7，SPI1_MISO占用STM32 第22号引脚PA6。
参照图10、20，优选地，所述肺活量主控板还包括语音模块，用于语音播报，其中，所述语音模块包括语音芯片；
所述语音芯片根据需要，存入特定的语音内容段，其中，所述语音内容段在购买的时候由供应商录入，每个语音内容段都有编号，并根据用户要求排序，通过控制所述语音芯片的引脚输入编号后，所述语音芯片控制输出引脚，驱动喇叭发出语音段。
使用语音模块NV040CQ和无源小喇叭，所述电子肺活量测试仪具有语音播报功能。
有利地，如图10和图20所示，语音播报功能使用语音芯片NVC040CQ实现。
NVC040CQ共有8个引脚：PB0、PA0、PA1、PWM1、PWM2、VPP、GND、 VDD。
其中PB0为芯片运行BUSY信号，在有语音输出的运行状态下内部拉低，所以外接LED阴极串联限流电阻，用3V3供电，起到指示灯的作用。
其中PA1为控制信号引脚，连接到控制器，控制器根据语音芯片通信协议发送一个字节的控制信号，语音芯片接受到数据后会触发相应的输出。
其中PWM1、PWM2连接到无源小喇叭，驱动其发出特定语音。
其中GND接地、VDD接3V3，GND和VDD中间接滤波电容。PA0、VPP 引脚未使用。
其中音量的设置方法和语音请求的方法一致，都是给语音芯片一个字节数据。根据高低电平延时时间定义1和0，一个字节被分成8bits发送。BUSY占用STM32第8号引脚PC0，TXD3占用STM32第51号引脚PC10。语音模块供电电源V33-2来自配电电路。
参照10、21，优选地，所述肺活量主控板还包括按键模块，其中，所述按键模块具有四个控制按键，分别为KEY2_1主按键、KEY3确定按键、KEY0加值按键和KEY1减值按键，所述按键模块的接口有5个引脚，其中一个引脚接地，所述KEY3确定按键、所述KEY0加值按键和所述KEY1减值按键直接连接到所述微控制器上。
基于所述按键模块，所述电子肺活量测试仪具有信息输入和按键控制功能。
有利的是，如图21所示，按键模块外接，控制按键有四个，分别为KEY2_1 主按键、KEY3确定按键、KEY0加值和KEY1减值按键，按键模块的接口有5 个引脚，其中一个引脚接地，所有按键一端供地，故都是低电平有效。其中KEY0、 KEY1、KEY3直接连接到STM32，由4.2.3开关机和电池检测电路可知KEY2_1 通过T3 3904三极管间接控制KEY2，KEY2电路端口占用STM32第25号引脚PC5，KEY0占用STM32第11号引脚PC3，KEY1占用STM32第10号引脚PC2， KEY3占用STM32第9号引脚PC1。
优选地，所述电子控制装置2还包括RFID读卡器，用于读取IC卡信息，其中，所述RFID读卡器包括RFID主控板和RFID天线板，所述RFID主控板包括高度集成的非接触式读写卡芯片。
有利的是，RFID模块使用NXP公司的MFRC522芯片进行设计，主要包括两部分的设计：RFID主控板和天线板的设计。RFID模块使用SPI串口通信，由于OLED液晶屏和W25Q32外部Flash共用STM32的SPI2外设，故RFID 模块可和NRF2.4G无线通信模块共用STM32的SPI1。由于使用环境的多变性和MFRC522兼容多种通信方式，在本设计中，RFID模块兼容SPI/UART/IIC等控制方式，模块可通过是否焊接电阻R4，R6来选择控制通信方式。若选择IIC 控制，可通过是否焊接电阻R10-R15和R20-25)来设置模块地址。
参照图22，优选地，所述肺活量主控板还包括程序下载电路，其用于下载程序，所述程序下载电路包括JTAG接口；下载器为JLink仿真器，其可连接到电脑的USB接口，直接使用MDK嵌入式软件开发工具进行下载。
通过所述下载电路，所述电子肺活量测试仪能够从电脑中下载编绎好的程序执行代码到所述存储模块中。
如图10、22所示，STM32F103R8T6有用于下载程序的接口，8脚JTAG接口用于程序下载，接口供电加滤波电容，下载器采用JLink，可连接到电脑USB 直接使用MDK进行下载，如图4右所示。占用STM32第7号引脚NRST、46 号引脚JTMS、49号引脚JTCK。
参照图23、24，优选地，所述肺活量主控板还包括充电和配电电路，其中，所述充电和配电电路包括充电电路和配电电路，所述充电电路包括充电控制芯片，所述充电控制芯片包括功率晶体管，所述配电电路包括三端稳压器。
借助于充电和配电电路，所述电子肺活量测试仪可以实现对单节锂离子或者锂-聚合物电池的恒压/恒流充电，向各电子功能模块稳定、可靠地供电。
有利地，如图23所示，充电控制芯片采用CN3052A；要求MiniUSB接口输入电压范围4.35V-6V，通过CN3052A稳压为4.2V为电池充电，或再通过 HT7333稳压为3.3V给系统供电。电池接口用于连接3.7V锂电池，也需通过 HT7333稳压为3.3V给系统供电。
CN3052A可以实现对单节锂离子或者锂-聚合物电池的恒压/恒流充电。器件内部包含有功率晶体管，使用的时候不需要添加外部阻流二极管和电流检测电阻，只需要很少的外部元器件，非常适用于便携式应用领域。
其中/CHRG为漏极开路输出的充电状态指示端。当充电器向电池充电时， /CHRG管脚被内部拉低，用来表示正在进行充电；否则/CHRG管脚会一直处于高阻态。/FAULT为漏极开路输出的电池故障状态指示端。当TEMP管脚的电压高于输入电压值的80％超过0.15秒时或者低于输入电压值的45％，用来表示电池温度不正常，/FAULT被内部开关下拉低，用来指示电池当前是否处于故障状态。其他情况，/FAULT管脚被置为高阻态。
如图24所示，配电电路的V33-2单独给语音芯片供电，V33给系统和其他外设供电。其中USB+、USB-、CHARG、FAULT分别占用STM32第45号引脚USBDP、44号引脚USBDM、29号引脚PB10、30号引脚PB11号引脚。
参照图25，优选地，所述肺活量主控板还包括开关机和电池检测电路，其中，所述开关机和电池检测电路包括NPN型三极管和P沟道金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
借助于所述充电电路的充电控制芯片和所述开关机电池检测电路，所述微控制器能够得知当前的供电状况，从而实现充电提示、电池电压实时检测提示、低压提示。
有利地，如图10、25所示，采用NPN型三极管2N3904和P沟道MOSFET Si2301组合成开关机控制和电池检测电路。其中KEY2_1连接到外部按键模块， KEY2电路端口占用STM32第25号引脚PC5，PWR_C电路端口占用STM32 第24号引脚PC4，AN8电路端口占用STM32第26号引脚AN8。
长按开关机机流程：当我们按下外部按键拉低KEY2_1时，T4导通并有电流通过，KEY2端口和Si2301栅极被拉低，Si2301导通，USB电源或电池BAT 的电压传送到BAT’，即传送到配电电路，系统上电运行，STM32开机后可控制PWR_C输出高电平，T2导通，当松开KEY2_1按键时，Si2301栅极依然被拉低，即实现电源自锁。STM32可程序控制检测KEY2端口为低电平一段时间后自锁，从而控制KEY2_1按键长按开机时间。长按关机或定时自动关机功能可通过拉低PWR_C断开系统电源实现。AN8接到STM32模拟输入引脚，STM32 就可以检测到供电系统电压大小。当然KEY2_1在系统运行时可作为主按键即模式切换按键使用，因为按下外部按键拉低KEY2_1时，KEY2端口即被拉低。
结合充电电路的充电控制芯片CN3052A和开关机电池检测电路，MCU即Microcontroller Unit可得知当前的供电状况，从而实现充电提示、电池电压实时检测提示、低压提示等功能。
参照图6-8，根据本发明的电子肺活量测试仪的另一优选实施方式所述节流装置是板孔式节流装置。板孔式节流装置结构简单，制造方便，成本合理。
如图6和7所示，所述板孔式节流装置包括进气管段18、节流管段19、和出气管段17，其中，
所述进气管段18具有直径一致的第一管腔，所述出气管段17具有直径一致的第二管腔，所述节流管段19包括圆锥形的第三管腔，所述第三管腔的直径较大的一端与所述进气管段18相连，所述第三管腔的直径较小的一端与所述出气管段17相连，所述节流管段19形成所述节流装置，如图8所法，所述节流装置的节流孔20在所述节流管段19和所述出气管段17交接处形成；
所述第二管腔的直径大于或等于所述第一管腔的直径，所述节流孔20的直径小于所述第一管腔的直径。
优选地，所述压差传感器的采压点A位于所述进气管段18的长度上的黄金分割点处，从进气口侧起算；所述压差传感器的采压点B位于所述出气管段17 的长度上的黄金分割点处，从出气口侧起算。
可选地，所述压差传感器的采压点A位于所述进气管段18的长度上的中点处，从进气口侧起算；所述压差传感器的采压点B位于所述出气管段17的长度上的中点处，从出气口侧起算。
图9示出节流装置的原理示意图，节流装置主要有2个设计原则：
(1)尽量保持各点的气流稳定，尽量减少紊流。
(2)符合实际应用和生成要求。
基于这两个原则：如图3所示，采压点A和进气口C应有一定的距离L1，不能太接近，不然吹气气流的波动得不到缓冲，对采压点产生A产生干扰，当然也不能太远，否侧会导致采压的时延过大；同时，采压点A距离节流孔20的距离L3过于接近会导致采压值过低。采压点B应尽量靠近节流孔20出气端，但不可正面阻挡节流孔20气流。出气口D和节流孔20应有一定的距离L4，L4 太小会导致节流孔20气流速度释放过快，影响B点采用，并且容易受到外界气流干扰。L4太长则会导致节流孔20气流速度释放太慢，并导致采压时延过大和采压值偏大。节流孔20直径过小会导致人吹气的时候阻力太大，节流孔20直径过大又会导致压差变化不明显，测量的灵敏度和精度下降。
电子肺活量测试仪的使用说明如下：
●将一次性、干燥、卫生的吹嘴，插入外设测试吹管；
●长按屏幕左侧的M键3秒，开启外设的电源开关，仪器显示“0”,即可进入测试状态；
●受试者将肺活量外设显示屏面对自己的正确把握姿势用力握把；
●深呼吸后开始匀速吹气，直至气竭，测试成绩显示在外设屏幕上，同时播报测试结果；
●按OK键确认测试结果同时清零，可进行下一个测试。
电子肺活量测试仪的设置如下：
电子肺活量测试仪可单独使用，也可以无线连接主机通过主机控制来进行测试；
开机后再按M键一次进入功能菜单，可进行开始测试、音量调节、设置无线及零点标定；
音量调节：进入功能菜单，按OK键确认，按向上或向下键可调高或降低音量，调节至适合的音量后再按OK键确认，再按向下键至开始测试设置项，按OK键退出设置至测试界面；
无线设定：此选项连接主机时需设定，进入功能菜单，按向下键至无线设置项，按OK键进入设置界面，在主机上操作设置成功后自动退出至测试界面；
零点标定：此项是进行仪器的校准操作，不建议客户操作，否则会造成仪器测试结果不准。
所述电子肺活量测试仪也可用作物联网传感器，为此，根据本发明的基于物联网的肺活量测试系统的一实施例，肺活量测试系统包括上述的电子肺活量测试仪、肺活量测试主机、肺活量数据库服务器、和数据显示终端装置；
所述电子肺活量测试仪还包括物联网通讯模块，借助于所述物联网通讯模块，由所述电子肺活量测试仪采集的肺活量数据被传输到所述肺活量测试主机，所述肺活量测试主机通过有线或无线互联网络将所述肺活量数据传输到所述肺活量数据库服务器中，并且，所述数据显示终端装置从所述肺活量数据库服务器中提取、分析和处理所述肺活量数据，以图形方式或数据列表方式显示所述分析处理的结果。
肺活量测试主机能够与多个电子肺活量测试仪同时实现无线通讯。肺活量测试主机可以是本申请人开发的新产品，也可以是现有技术中的肺活量测试主机。肺活量测试主机的结构不在本发明的保护范围之内，于此不再详细描述。
典型地，根据本发明的基于物联网的肺活量测试系统的另一实施例，所述肺活量测试系统包括上述的电子肺活量测试仪、物联网路由器、肺活量数据库服务器、和数据显示终端装置。
所述物联网路由器能够与多个电子肺活量测试仪同时实现无线通讯。
优选地，所述物联网通讯模块是NB-IOT通讯模块、或者Lora通讯模块、或者Zigbee通讯模块、或者2.4G通信模块、或者Wifi通讯模块、或者蓝牙通讯模块。
因此，本发明的电子肺活量测试仪可作为物联网前端传感器，收集例如学生的肺活量数据，上报至学校级别的物联网云平台、市级教育部门的物联网云平台、或者国家教委的物联网云平台。
以上详细描述了本发明创造的优选的或具体的实施例。应当理解，本领域的技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明创造的设计构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明创造的设计构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明创造的范围之内和/或由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (13)

1.电子肺活量测试仪，其用于测量人体的肺活量，所述电子肺活量测试仪包括壳体组件、吹气组件、压差传感器、和电子控制装置；
所述吹气组件、所述压差传感器(6)、和所述电子控制装置(2)被安装在所述壳体组件的内空腔中；
所述压差传感器(6)与所述电子控制装置(2)电连接；
所述吹气组件包括吹气管(7)，所述吹气管(7)包括节流装置，所述节流装置具有节流孔；
所述压差传感器被安置成能够测量所述节流孔的上游和下游之间的气体流动的压力差，并且，所述压差传感器能够将所述气体压力差转换成压差模拟信号，并将所述压差模拟信号传输给所述电子控制装置(2)；
所述电子控制装置(2)包括肺活量主控板，所述肺活量主控板包括主控电路、存储模块和流量测量电路，其中，所述存储模块能够存储数据信息和功能程序模块，所述流量测量电路能够缓冲及隔离电压信号，所述主控电路能够将经由所述流量测量电路传输过来的所述压差传感器采集的压差模拟信号转换成压差数字信号，并且能够将所述压差数字信号保存到所述存储模块中；
其特征在于：
所述存储模块包括压差-流量函数程序模块和肺活量计算模块，其中，所述压差-流量函数是压差-流量分段拟合函数：
Qi＝fi(P),Pi≤P≤Pi+1,i＝1,2,3,…,N,N>1
所述肺活量计算模块借助于所述压差-流量函数程序模块能够通过积分计算得到总的肺活量值：
所述电子肺活量测试仪按以下方式计算肺活量：
使用者深吸气后，在时刻t0开始向所述吹气组件匀速吹气，直至气竭时刻tend，在此吹气过程中，所述压差传感器按每秒K次的采样频率采集所述压差模拟信号；
所述主控电路将所述压差模拟信号转换成所述压差数字信号ΔPj，其中，j＝0,1,2,3,…,M,M＝K×(tend-t0)；
所述主控电路将所述压差数字信号ΔPj和对应的采样时间tj保存到所述存储模块中；
借助于所述压差-流量函数程序模块，所述主控电路计算出所述压差数字信号ΔPj对应的流量Qj；
所述主控电路将所述流量Qj和对应的采样时间tj保存到所述存储模块中；
借助于所述肺活量计算模块，根据所述流量Qj和对应的采样时间tj，所述主控电路计算出所述使用者的肺活量值。
2.根据权利要求1所述的电子肺活量测试仪，其特征在于：所述压差-流量分段拟合函数按以下流量校准方式得到：
获取气体流量基础数据，所述气体流量基础数据包括平均压差和平均流量所述气体流量基础数据获取方式如下：
标定零点操作：建立所述压差传感器(6)与所述主控电路之间的通信，标定所述压差传感器(6)的零点；
数据采样操作：使用定量标准气泵向所述电子肺活量测试仪的吹气管(7)按吹气速度V均匀吹气，并保证吹气压力连续且一致，直至所述定量标准气泵中的气体用尽，并检测到吹气结束，其中，所述定量标准气泵的气体容量为L；采样频率为每秒K次；连续获取压差值ΔPi，并计算出最终的平均压差计算总的采样次数N，从而计算平均流量
N＝(tend-tbegin)×K
数据发送操作：所述主控电路把计算出的平均压差和平均流量发送至数据表中；
循环采样操作：更改所述定量标准气泵的吹气速度V，重复上述数据采样操作和数据发送操作；
数据保存操作：保存所述数据表中的平均压差和平均流量数据纪录；
使用分段函数拟合的数学方法，将上述数据表中的离散数据拟合出若干个函数关系式其中，i＝1,2,3,…,N，N>＝2，为正整数；
将所述函数关系式保存到所述肺活量主控板的存储模块的压差-流量函数程序模块中。
3.根据权利要求1所述的电子肺活量测试仪，其特征在于：所述流量测量电路包括电压跟随器和压差传感器接口，其中，所述电压跟随器包括运算放大器，作为电压信号的缓冲级及隔离级，所述运算放大器具有极低的失调电压，随时间推移和温度变化实现接近于零的漂移；
所述电压跟随器为共集电极电路，其中，信号从基极输入，且从射极输出，称之为射极输出器；集电极电压的相位和基极电压的相位一致，输出电压与输入电压同相，电压放大倍数恒小于且接近1；
所述压差传感器接口将所述压差传感器与所述电压跟随器电连接在一起。
4.根据权利要求1所述的电子肺活量测试仪，其特征在于：所述主控电路包括微控制器，其中，所述微控制器包括模数转换模块AD和直接存储器访问模块DMA，所述模数转换模块AD能够将经由所述流量测量电路输入的所述压差传感器的压差模拟信号转换为压差数字信号，所述直接存储器访问模块DMA能够将所述压差数字信号传输到所述存储模块中。
5.根据权利要求1所述的电子肺活量测试仪，其特征在于：所述存储模块包括串行闪存芯片，其中，所述压差数字信号被存储到所述串行闪存芯片中；
所述串行闪存芯片包括所述压差-流量函数程序模块和所述肺活量计算模块。
6.根据权利要求4所述的电子肺活量测试仪，其特征在于：所述模数转换模块AD包括IO口初始化程序模块、模数转换通道初始化程序模块、和数字信号获取程序模块，其中，
所述IO口初始化程序模块包括：打开IO口外设时钟、设置引脚类型和IO口模式；
所述模数转换通道初始化程序模块包括：打开模数转换通道的外设时钟、设置模数转换通道工作模式、设置启用通道数量、设置模数转换通道的时钟、设置模数转换通道的采样时间、重置指定的模数转换通道的校准寄存器、获取模数转换通道重置校准寄存器的状态、开始指定模数转换通道的校准程序、和获取指定模数转换通道的校准状态；
所述数字信号获取程序模块包括：获取各个模数转换通道的数字信号各N次，并获得每个模数转换通道的数字信号的平均值，其中，N为大于1的正整数。
7.根据权利要求6所述的电子肺活量测试仪，其特征在于：所述模数转换模块AD启用第一模数转换通道采集所述压差数字信号，其采集方式为：使用定时器中断，每隔一确定的时间周期运行一次所述数字信号获取程序模块。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电子肺活量测试仪，其特征在于：所述肺活量主控板还包括晶振电路，其中，所述晶振电路包括有源晶振，所述晶振电路与所述微控制器电连接，能够为所述微控制器提供第一时钟频率信号；所述模数转换模块AD的第二时钟频率信号基于所述第一时钟频率信号进行配置，所述压差数字信号的采样频率基于所述模数转换模块AD的第二时钟频率信号进行配置；
或者，所述肺活量主控板还包括串口通信接口电路，其中，所述串口通信接口电路包括通用同步异步收发器USART1、IO复用串口初始化程序模块、和串口发送函数程序模块；所述IO复用串口初始化程序模块包括：设置时钟、设置复用模式、和设置工作模式；所述串口发送函数程序模块包括：通过重定向c编程语言库函数printf到所述通用同步异步收发器USART1实现数据传输；
或者，所述肺活量主控板还包括显示屏模块，用于实现测量数据的显示，其中，所述显示屏模块使用SPI串口通讯协议，并且在所述微控制器的时钟线和数据线的驱动下显示内容；将中文字库下载到所述存储模块中，所述微控制器再从所述存储模块中读取字模数据；
或者，所述肺活量主控板还包括2.4G通信模块接口电路，用于连接2.4G通信模块，其中，所述2.4G通信模块接口电路包括滤波电容；
或者，所述肺活量主控板还包括语音模块，用于语音播报，其中，所述语音模块包括语音芯片；所述语音芯片根据需要，存入特定的语音内容段，其中，所述语音内容段在购买的时候由供应商录入，每个语音内容段都有编号，并根据用户要求排序，通过控制所述语音芯片的引脚输入编号后，所述语音芯片控制输出引脚，驱动喇叭发出语音段；
或者，所述肺活量主控板还包括按键模块，其中，所述按键模块具有四个控制按键，分别为KEY2_1主按键、KEY3确定按键、KEY0加值按键和KEY1减值按键，所述按键模块的接口有5个引脚，其中一个引脚接地，所述KEY3确定按键、所述KEY0加值按键和所述KEY1减值按键直接连接到所述微控制器上；
或者，所述电子控制装置还包括RFID读卡器，用于读取IC卡信息，其中，所述RFID读卡器包括RFID主控板和RFID天线板，所述RFID主控板包括高度集成的非接触式读写卡芯片；
或者，所述肺活量主控板还包括程序下载电路，其用于下载程序，所述程序下载电路包括JTAG接口；下载器为JLink仿真器，其可连接到电脑的USB接口，直接使用MDK嵌入式软件开发工具进行下载；
或者，所述肺活量主控板还包括充电和配电电路，其中，所述充电和配电电路包括充电电路和配电电路，所述充电电路包括充电控制芯片，所述充电控制芯片包括功率晶体管，所述配电电路包括三端稳压器；
或者，所述肺活量主控板还包括开关机和电池检测电路，其中，所述开关机和电池检测电路包括NPN型三极管和P沟道金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET；借助于所述充电电路的充电控制芯片和所述开关机电池检测电路，所述微控制器能够得知当前的供电状况，从而实现充电提示、电池电压实时检测提示、低压提示。
9.根据权利要求8所述的电子肺活量测试仪，其特征在于：所述节流装置是板孔式节流装置。
10.根据权利要求9所述的电子肺活量测试仪，其特征在于：所述板孔式节流装置包括进气管段、节流管段、和出气管段，其中，
所述进气管段具有直径一致的第一管腔，所述出气管段具有直径一致的第二管腔，所述节流管段包括圆锥形的第三管腔，所述第三管腔的直径较大的一端与所述进气管段相连，所述第三管腔的直径较小的一端与所述出气管段相连，所述节流管段具有节流孔，所述节流孔在所述节流管段和所述出气管段交接处形成；
所述第二管腔的直径大于或等于所述第一管腔的直径，所述节流孔的直径小于所述第一管腔的直径。
11.根据权利要求10所述的电子肺活量测试仪，其特征在于：所述压差传感器的采压点A位于所述进气管段的长度上的黄金分割点处，从进气口侧起算；所述压差传感器的采压点B位于所述出气管段的长度上的黄金分割点处，从出气口侧起算。
12.基于物联网的肺活量测试系统，其特征在于：其包括至少一个按照权利要求1至11中任一项所述的电子肺活量测试仪、肺活量测试主机、肺活量数据库服务器、和数据显示终端装置；
所述电子肺活量测试仪还包括物联网通讯模块，借助于所述物联网通讯模块，由所述电子肺活量测试仪采集的肺活量数据被传输到所述肺活量测试主机，所述肺活量测试主机通过有线或无线互联网络将所述肺活量数据传输到所述肺活量数据库服务器中，并且，所述数据显示终端装置从所述肺活量数据库服务器中提取、分析和处理所述肺活量数据，以图形方式或数据列表方式显示所述分析处理的结果。
13.基于物联网的肺活量测试系统，其特征在于：其包括至少一个按照权利要求1至11中任一项所述的电子肺活量测试仪、物联网路由器、肺活量数据库服务器、和数据显示终端装置。
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