便携式生命体征动态监测仪设计应用电子技术教育大学论文.docx
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便携式生命体征动态监测仪设计应用电子技术教育大学论文
天津职业技术师范大学
TianjinUniversityofTechnologyandEducation
毕业设计
专业：
应用电子技术教育
班级学号：
应电1114-33
学生姓名：
苑海云
指导教师：
刘新月讲师
二〇一六年六月
天津职业技术师范大学本科生毕业设计
便携式生命体征动态监测仪设计
TheDynamicMonitorVitalSignsDesignofPortable
专业班级：
应电1114
学生姓名：
苑海云
指导教师：
刘新月讲师
学院：
电子工程学院
2016年6月
摘要
中国经济的迅速发展很快将成为世界的领头羊，但是现在面临着一个非常严重的问题。
通常，65岁以上的人口比率超过总人口的7%，就被称为“老龄化社会”。
根据环球资源网的数据表明，中国早在2005年就达到了7.6%；中国将在2024年至2026年前后进入老龄社会。
比如老人一旦遇到一些问题常常不能及时被发现，得不到救助，到最后造成令人遗憾和不可挽回的后果，也因此会给社会和家庭带来一些沉重的负担。
所以对老年人的身体状况及生命体征的检测成为亟待解决的社会问题，也是我们作为子女所期望的事情。
就以上问题提出了利用各种生命体征传感器检测人体的数据，然后通过nRF905无线方式（或者蓝牙方式）进行数据传输，再通过单片机进行数据处理，最后以简便的方式让监护人可以随时观测老人的身体状况和健康情况。
然后设计了便携式生命体征动态监测仪的方案，讨论了相关的硬件搭建和软件的设计。
重点做了以下研究：
便携式生命体征动态监测仪监护系统的总体结构设计；12系列单片机控制的基本原理和设计方法。
其中硬件上完成了用户端数据采集电路、无线发送和接收电路、报警电路、nRF905射频收发电路（或者蓝牙模块）、时钟电路、微处理器控制电路等的设计及上位机的功能架构设计；软件上阐明了主控制器各功能模块的实现过程，C语言程序设计方法，编写了数据接收和存储转发、数据定时发送、报警功能模块程序。
关键词：
便携式；无线监护；单片机；老人监护
ABSTRACT
TherapiddevelopmentofChina'seconomywillsoonbecometheworldleader,butithasaveryseriousproblem.Infact,thepopulationof7%ofpeoplehave65yearsoldormore,whichiscalled"agingsociety".AccordingtotheglobalsourceswebsitedataofChinashowedthatin2005thepopulationofpeoplewhoareabove65yearsoldwas7.6%ofthetotalpopulation.From2024to2026,Chinapeoplewillbeattheagingsociety.
Suchchallengeofagingsocietywillcauseoldpeoplenottogethelpandrelieffromchildrenintimehenceattheendtheywillgetsadandirreversibleconsequences,andthereforewillcauseheavyburdentofamilyandsocietyatlarge.Thereforefortheelderlyhealthstatusandvitalsignsofdetection,ithasbecomeasocialproblemtobesolvedbychildrenasyounggenerationwhichseemstobeourdesiredthings.
Theaboveproblemisproposedtobesolvedinthispaperbyusingavarietyofvitalsignsdatafromsensorstodetectthehumanbody,andthenbynRF905wirelesscommunication（orBluetooth）,datatransmissionanddataprocessingbyonechip.Thereaftertheguardiancanobservethehealthoftheoldman’sphysicalconditionstoseeifitisgoodornot.Theproposedthedesignsystemoftheportabledynamicmonitorvitalsignsdealwiththeconstructionoftherelatedhardwareandsoftwaredesign.
Inourproposedsystemwemadeanddiscussthefollowingthingsnamely;thegeneralstructureoftheportabledynamicmonitorvitalsignsmonitoringsystemdesign,Basicprincipleanddesignmethodof51seriessingle-chipmicrocomputercontrol.Clanguageprogramdesign,hardwaredesignfortheclientdataacquisitioncircuit,wirelesstransmitterandreceivercircuit,alarmcircuit,nRF905RFtransceivercircuit（orbluetoothmodule）,theclockcircuit,microprocessorcontrolcircuitdesignandthefunctionofuppermachinearchitecturedesign.FurthermorewepresentedSoftwaredesignwhichillustratesthemaincontrollerwhichistheprocessofrealizationofeachfunctionmodule,theClanguageprogramdesignmethod,writetheprogramsanddownloadinthetransmittermoduleaswellasreceivermodule.
KeyWords：
Portable;Wirelessmonitoring;NRF905;Singlechipmicrocomputer;
Theoldmancare
目录
1引言1
1.1课题研究的目的和意义1
1.2监护系统的发展和现状2
1.3无线通信技术的应用2
2方案论述4
2.1单片机选择4
2.1.1性能价格比较优异4
2.1.2集成度高，体积小可靠性高4
2.1.3控制功能强5
2.1.4低功耗5
2.1.5系统扩展和配置规范5
2.2传感器选择5
2.3显示部分选择5
2.4无线传输部分6
3便携式生命体征动态监测设计总体架构7
3.1总体构架7
3.2单片机控制器8
3.3心率传感器9
3.4体温传感器10
3.5步数传感器11
3.6无线传输nRF905传输模块11
3.6.1低功耗12
3.6.2DR信号13
3.6.3自动重发13
3.6.4低功耗接收模式13
3.6.5地址匹配13
3.7紧急报警电路14
3.8液晶12864接收显示14
4软件程序设计16
4.1系统程序简介16
5结论19
参考文献20
附录21
原理图21
主程序22
致谢35
1引言
1.1课题研究的目的和意义
目前我国的人口数量居于世界首位，并且每年以一个飞快的速度在增长；其中老年人的增长速度要比新生儿的出生数量多很多，因为上一个世纪中国没有具体实施计划生育这个政策导致人口呈现一个指数形式的上升，以至于现在老年人也在以一个指数形式的趋势下降；与此同时老年人的养老已成为国家政府不可不考虑的一个重大问题。
据统计在2022年的时候我国老人数量将会达到1.74个亿，将占到总人口数量的17.2%，到那时我国将会是重度老龄化国家，老人的数量比美国的总人口还要多。
就我国现在的养老服务来看存在着严重不足，并且养老服务的质量也有待提高，因为受到条件限制家庭养老居于多数，只是一部分老人可以享受到养老院有人照顾的待遇，并且在家养老也是没有子女或者亲戚在身边，通常都是子女在外上班工作，很少在家，有的甚至在外地一年也回不了几趟家，基本上老人都是自己一个人在家里。
如果生活上遇到一些困难或者身体有些不适的情况下很难得到帮助。
甚至，如今社会上出现了很多“老人摔倒，没人敢扶”的现象，是怕遇到“碰瓷”的人。
真正需要救助的老人没有及时得到帮助，被送到医院以至于很多悲剧发生。
翻看报纸时总有那么多老人不幸的报道；打开电视，总有那么多年迈的老人因突发病情而远离人世间的惨状。
随着社会的发展和进步，人们的社会思想观念与行为方式也发生了急剧变革，中国传统的“养儿防老”，“父母在，不远游”等一系列传统思想逐渐被人们忽略。
于此同时随着人们生活水平的提高和医疗设备的发展，使老人的年龄普遍提高。
鉴于这些现状，针对没有亲属在身边或者没有集体看护的老人，以及在生活上有需要帮助的人们。
本文是基于单片机进行数据分析、处理及通过无线技术进行传输的便携式监护系统设计方案。
采用了心率传感器、红外传感器、震动传感器、温度传感器来检测老人的生命体征和活动情况，然后再用无线方式将检测结果传输到监护人员或者亲属那里进行观测，当有常或者需求帮助时可以很快的到达老人身边，避免了不幸的事情发生。
该设计的思想是依据年迈老人的生活习惯，根据分析和观测老人平时的活动状况所设计的，并且对整体系统的工作方式进行了详尽的设计，当在一定时间之内没有接收到监护者的心率、脉搏、步数等该系统会自动发出报警，监护人员可以很快采取救急行动。
1.2监护系统的发展和现状
最近几年医院接收到的患者不计其数，其中有很多都是因为没有得到及时的救助或者已经错过了最佳的抢救时机，到最后导致亲人的疾病无法治愈或者更坏的结果。
尤其是心脏病这一类的患者，他们在发病时需要及时得到很有效的救助，有的老人发病时自己都很难移动，因此一个方便快捷且价格合适的监护系统急需开发，介于此，便携式生命体征动态监测监护系统有着很好的发展。
本监护系统可以观测人体的重要生理信号（心跳、脉搏、体温、步数、红外感应）等各种参数，从心率或者脉搏的跳动是否规律可以观测出老人的身体健康，其便携式生命体征动态监护系统具有携带方便、体积小、检测数据结果随时随地可以观测，且外形美观，价格低廉将会受到人们的关注和各个领域的青睐。
我们人体的基本生理参数如脉搏、心率、体温、血压等等是判断我们是否健康的一个标准。
如果这些数据长时间处于一个高或者低的状态，则基本可以确定身体状况不是很理想，此时则需要我们对老人或者患者进行一些药物治疗或者手术等措施。
然而本设计就是应用无线通信技术对人体进行随时随地、连续变化、实时的数据进行检测，并且以直观的信息让监护者和亲属观测并分析。
以此作为对被监护者的身体状况做出准确的判断，并在关键时候做出相应的处理以避免悲剧发生。
随着科技的进步电子产品的快速发展，也产生了很多健康监护系统的产品。
比如小米手环、测步器，其原理是根据今天的运动量来对身体进行一个合理的饮食和休息安排，他们都是属于移动健康领域。
这些产品的出现让我们的生活质量有了很大的提高。
移动手环检测我们一天行走了多少路程，然后根据卡路里的消耗可以很明确的判断晚上需要补充哪些营养和维生素，让我们在健康的基础上更加健康。
像便携式检测系统则可以提前预测到老人的身体健康，然后做出相应的处理方法。
1.3无线通信技术的应用
在以前人们以写信和发电报的方式来进行联络以及信息沟通，这属于那个时代的通信技术。
随着社会的进步和无线技术的发展，出现了电话、手机、Email1、QQ、微信、微博等方式进行联络，其速度和快捷代替了旧的方式。
在一些公司或者学校还有一类无线通讯方式（无线网、蓝牙、局域网、个域网等）其代表有蓝牙Bluetooth（IEEE802.15.1）、Zig-bee（IEEE802.15.4）、Wife（IEEE802.11b）和HomeRF等几种，这些无线工作频段在国际标准在ISM2.400-2.4835GHz，这些本质上都是利用无线发射技术通过电磁波作为介质来达到传输目的。
它的快速发展给社会和人们的生活带来了不可估量的影响，甚至现在想和国外联系都只需要几秒的时间就能解决，大大提高了办事的高效准确率。
应用的人群也越来越广包括每个企业人士、大学教授、学生、护士、商人、部门经理和司机等等。
并且随着工作方式的改变，应用的方式也在不断的变化和更新。
无线网络技术的快速发展使人们生活在网络时代，推动了人们的工作效率，也更加提高了嵌入式和信息处理技术的发展。
能够以准确、高效、的数据通过无线网络发送到目的地，这个领域的技术得到广泛应用并取得了巨大的成绩。
尤其是商业界的应用，不出门便可知天下事，展示了它的多样性和广域性。
目前医疗设备的发展，比如实时监护，还是一片没有开发的状态，伴随无线技术、通信技术、和医疗设备的逐渐成熟，在便携式无线监护设备这一块，也必然会得到很快的开发和应用，必然会受到人们的关注。
2方案论述
2.1单片机选择
本课题是基于12系列单片机设计的生命体征动态监测系统，其可以基本划分为以下三个部分：
客户端使用部分、监护人员使用部分、无线传输部分。
其中客户端部分又由传感器感应和数据处理及发送单元组成；在监护端又可以分为处理模块、显示模块、报警装置、接收模块等，以下对这些方案进行比较和选择论证，并做了模块的详细介绍。
STC12C5A60s2单片机是美国ATMEL公司生产的带AD/DA转换和2路PWM输出，其封装简单、不易受其他硬件干扰、耗电量低、性能与价格更适合广大人群接受等优点；具有性能高的8位CMOS结构单片机和8kb的Flash进行编程和只读程序存储器，它的数据不易丢失和高精度制造工艺是它的另一独特性质。
MAX810专用复位器以极小的模块集成于单片机内部，且全部兼容8051、8052指令，STC12C5A60s2单片机集合了在线编程（ISP），即Flash程序存储器，可以使用传统的模式进行程序书写和下载。
T0和T1的溢出分别在P3.4和P3.5的输出时钟。
此芯片功能强大应用灵活在各个领域得到认可，因此本设计选用STC12C5A60s2单片机来实现智能控制的要求。
2.1.1性能价格比较优异
STC12C5A60s2单片机由于价格的优势大量应用于各种智能电子产品之中，相对于430单片机和arm处理器价格相差很大。
虽然价格低，但是其功能并没有因此而降低标准。
在有些场所只需要实现简单的控制，单片机就能实现其功能，不必要使用430或者arm，也进一步节约资源和节省成本。
单片机的CPU可以直接对I/O口进行控制已达到设计要求，单片机也被称作是小型计算机，它的实用性强以及价格的优势在同类产品中占有不可取代的地位，在即将到来的微型电子时代必然会有极大的发展前景。
2.1.2集成度高，体积小可靠性高
STC12C5A60s2单片机是大规模集成电路（LargeScaleIntegratedcircuit，LSI）技术高度发展的产物，目前市场上80%的芯片内部都是采用总线结构，并将单片机的每一项功能都集成在一个很小的芯片上，这样可以减轻或者避免连线带来的问题，大幅度的提高了单片机的工作效率和抗干扰能力以及适用性。
2.1.3控制功能强
单片机的别名为“微控制器”，一方面反映了单片机是由工业控制催生的产物，另一方面则表明控制功能是单片机的重要特点之一。
其硬件方面主要表现为配备了功能强大的定时/计数通道、中断系统和信号I/O通道；在对单片机进行编程控制时，可以发现其具有丰富的指令系统，逻辑性强与位处理能力的速度为单片机的控制系统带来了很大的方便。
2.1.4低功耗
一种电子产品的使用必然离不开电源，对于各种手持式和便携式产品以及在市电（220V）难以输送的特殊应用场合，电池供电是唯一的选择。
而且电源的供电为了便携且不能设计太大或者太笨重，因此系统已经是固定很难再进一步提高，此时就需要对产品进行节能设计，CPU的低功耗是首先要考虑的部件。
单片机常常应用于电池供电的场合，低功耗对其非常重要，也是单片机在发展过程中不断追求的性能指标之一。
2.1.5系统扩展和配置规范
系统的扩展分为I/O口、定时/计数器、RAM、ROM的扩展，选择合适的芯片和设置匹配的电路时扩展的前提，其次就是对单片机进行外置设备的扩展，像按键、显示、报警等。
在设计和扩展时应尽量满足一些原则：
1、设计要留有适当的余地，便于二次开发
2、相关器件尽可能做到性能匹配，以达到器件的最大利用
3、器件越多干扰性越强，外部可扩展的单片机采用并行端口扩展外部存储器和各种I/O接口或功能部件，构成各种规模的应用系统。
2.2传感器选择
在本设计中传感器的选择非常重要，首先要考虑的就是需要从身体部位检测到准确的信号，再发送到单片机。
如果检测有误差，则处理时误差会跟着放大，此时所显示的结果也就没有意义了。
脉搏或心率的检测是本设计最重要的一部分，因此选择合适的传感器是体现本设计的一个重要环节。
在选择时，首先要考虑的是传感器的精度、灵敏程度和抗干扰能力，具体的电路需要作出具体的分析。
2.3显示部分选择
根据设计要求，系统可以采用以下方案来作为监护者的显示部分：
采用LED、数码管、LCD12864等来显示脉搏、步数以及体温。
采用LED灯显示脉搏的数目，LED灯随着脉搏的跳动而闪烁，LED灯和数码都管具有功耗小、轻薄短小无辐射，简单方便设计等特点，但是对于监护人员来说其观测不方便，也不能很明显的观测出老人的身体状况是否健康和正常。
因此采用了LCD12864液晶来显示些数据，这样可以很明了的从上面读出检测的心率数值，体温状况和行走的步数，LCD12864液晶有以下基本特性如表2-1。
表2-112864液晶特性表
1、低电源供电（VDD:
+3V—5V）
2、显示分辨率:
128×64点
3、内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字
4、内置128个16×8点阵字符
5、2MHZ时钟频率
6、显示方式：
STN、半透、正显
7、背光方式：
侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5—1/10
8、通讯方式：
串行、并口可选
9、工作温度:
0℃—+55℃
综合上述选用LCD12864显示符合本设计要求，不仅可以使监护者很准确的观测出被测者的每项数据，也方便开发者开发。
2.4无线传输部分
除了红外，蓝牙，还有很多的传输方式，比如nRF、WLAN（无线局域网）、ZigBee、CDMA、SDH扩频微波等，本设计用到的是nRF传输技术。
无线传输是利用无线通信技术来达到传输目的一种方式，大概可以分为有线和无线传输两种，现在无线传输技术已经被各个领域、行业开发和应用，比如航天运输、铁路建设、消防安全、水利建设等等，其安装快捷，稳定性高，灵活等优点被用户看好和信赖，并且价格也能使客户容易接受。
3便携式生命体征动态监测设计总体架构
3.1总体构架
本设计是一套基于12系列单片机的便携式生命体征动态监测系统，其携带方便，检测灵活，成本价格低廉是本设计的最大特点。
生命体征监测是实时、连续、长时间地监测病人和一些年迈老人的重要医学生理参数。
采用模块化设计，共分为人体温度检测、脉搏检测、红外检测和计步器等模块。
各模块所测生理参数送至单片机后进行信号的处理、然后无线发送到监护端显示与报警提示，系统结构框图如图3-1。
单
片
机
最
小
系
统
电
路
脉搏信号采集
体温信号检测
nRF905无线模块（发送端）
计步器信号
红外信号
按键设置电路
单
片
机
最
小
系
统
电
路
nRF905无线模块（接收端）
系统电源电路
12864
液晶显示模块
按键设置电路
蜂鸣器
报警
图3-1系统结构框图
根据系统框图可知，便携式无线监护系统在结构上分为用户端和监护端两个部分。
用户端又由数据采集模块、主控制器模块和无线传输模块构成。
数据采集模块主要采集人体的的各种数据（体温、脉搏、红外感应、步数），主控制器处理后并以无线方式将其发送给监护人员或者亲属进行观测。
3.2单片机控制器
首先介绍一下微处理器（Microprocessor，简称μP）和单片机（Single—ChipMicrocomputer）的概念，管脚如图3-2。
图3-2STC12C5A60s2MCU管脚图
微处理器、I/O设备、定时器、存储器等电路集成在一块芯片上，组成了单片微型计算机，通过接口适配器（即I/O接口）连接起来俗称为单片机。
存储器是指微机内部的存储器（ROM、RAM和EPROM等芯片）单片机，微处理器包括俩个主要部分：
运算器和控制器，如图3-3
微处理器
算术逻辑单元
控制单元
输入
输出
寄存器
存储器
图3-3微处理器框图
运算器：
运算器是由算术逻辑单元简称ALU、累加器等组成，ALU作为运算器核心，其作用是将送到微处理器的数据根据程序要求进行算术或者逻辑运算功能。
ALU具有俩个主要的输入来源,即累加器和数据存储器，ALU能够完成这俩个输入数据的相加或者相减运算，也能够完成某些其他运算。
通常ALU接受来自累加器和数据寄存器的俩个8位二进制数。
控制器:
控制器的主要结构由程序存储器、指令寄存器、指令译码器和时序发生器以及操作控制器组成。
它是接收和发送命令的器件，就犹如我们的大脑来指挥各种行动。
控制器的主要功能是从内存中取出指令并指示出下一条将要执行指令的位置；然后再对其指令进行译码或者检测，说的通俗一点就是根据指令操作码和时序信号来产生控制信号并控制相应的操作。
3.3心率传感器
图3-4心率传感器
此传感器是一个精巧设计的心率传感器，它的用途十分广泛，在各个领域被应用。
比如学生戴的健康手环、艺术家、运动员、厂商和游戏或者移动开发者等等。
传感器夹在指尖或耳垂，脉搏传感器是一个暴露的电路板,如果你接触到焊接点,你可以做空板,或引入不必要的噪声信号。
调试之后,能看到随时间变化和你心跳的速度。
如果传感器在你的两个手
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