基于单片机的便携式人体健康指标检测系统设计毕业论文.docx

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基于单片机的便携式人体健康指标检测系统设计毕业论文

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第一章绪论

近年来不明流行病毒横行，加上跨国移动日益频繁，造成病毒传播范围越来越广且快速，常会在短期内造成大范围流行，已足以威胁人类的生存，因此自主性的健康管理越来越受重视。

本设计就提出一套生命机能检测系统，用于个人自主健康管理，以防治流行性病毒扩散，并以实用性、经济性、可靠性与方便携带性为设计目标，期能达到大众化需求的商业目标。

一般而言，生命机能常被指为体温、血压、脉搏等，当这些生命机能有所变异时，往往代表人体出现异状，须进一步检查，尤其在2003年SARS扩大传染期间，发烧为病毒传染的分界点，以公共卫生病理学来说，体温对于控制病毒传染极为重要。

本生命机能检测系统将针对体温、血压、脉搏进行检测，并对检测资料做长期分析，当生理机能有一定程度变异时提出适当警示，让使用者更了解自身生理变化，也能给医生提供诊断时初步的依据[1]。

1.1研究目的和意义

人体生理信号主要包括有心电、脉搏、呼吸、血压、体温、血氧饱和度、有创血压、呼吸二氧化碳、心输出量、脑电、肌电、眼电视网膜电、眼震电、胃电等。

人体生理信号是生命的象征，一旦停止，生命也就终止。

测量人体生理信号技术就是要应用现代科学技术研究各种人体生理信号，通过有创或无创的方法获得各种信息，加以分析、综合和研究，服务于临床[2]。

人体不同的生理信号，能反映相应部位的身体变化，是临床诊断的重要依据。

例如心电变化的测量与记录是现代医学诊断心脏的主要手段，肌电的测量与记录有助于诊断肌肉萎缩和肌肉支配疾病等。

由于有些疾病的发作带有很大的偶然性和突发性，因此，将生理参数检护从大型医院扩展到社区医院以及患者家中是很有意义的。

人体生理信息种类繁多，心电信号（Electrocardiogram,ECG）、脉搏信号（Pulsewave）能反映人体心脏器官和血液循环系统的生理变化，在临床健康观察和疾病诊断中十分重要，并且从生命信息科学的角度也具有重要的研究价值[3]。

脉搏携带有丰富的人体健康状况信息，自公元三世纪我国最早的脉学专著《脉经》问世以来，脉学理论得到了不断的充实和提高，对国内外医学发展产生了很大的影响。

脉搏波幅值和波形反映了一个心动周期内动脉血压随时间的脉动变化，是动脉血压的直接反映。

同时，血流、血管阻力、血管壁弹性等血流参数的变化也能够间接地从脉搏中得到反映。

因此，通过脉搏可以对血压的变化规律进行量化分析。

脉搏波的波形、波幅、波速和节律，会反映出人体心血管系统的多种生理病理特征。

利用脉搏推断人体的生理病理信息，不仅是传统中医学的重要内容，在国际上也受到广泛重视。

所以本文的采集信号中也包括了脉搏信号。

在科技高度发展的今天，人们的健康观念和保健方式正发生着深刻的变化。

各种医学电子仪器大量涌现，人们希望能够对人体日常生活状态下的健康状况进行检测，做到主动预防。

对于已诊断明确的患者，可以随时掌握自己病情的变化以决定到医院复诊的需求，对于许多偶然性和突发性疾病，能够再现和捕捉瞬时的典型生理信息。

因此，无论国内还是国际上，医疗康复和保健的重心正由以医院为核心的医疗保健体系向以家庭为基础的社区或个人卫生服务体系转移。

在这种趋势下，研究适用于社区医疗与家庭医疗保健的人体生理信号检测系统具有极大的意义。

而这种应用于家庭医疗的检测系统应该是低功耗便携式的。

因此本文设计的目标是具有便携式特点的人体生理信号检测系统。

1.2国内外研究现状

监护系统是一种用来对病人的生理参数进行连续、长时间、自动、实时监测、分析处理后实现多类别自动报警，自动记录的某些医学仪器的组合。

由于监护系统可用来实时分析、显示与记录、并具有对结果的综合判断能力，因而便于医务人员发现病人的病情变化，随后采取必要的措施，从而大幅度减少病人死亡率。

自20世纪60年代以来，人体生理监护仪器作为一种重要的医学电子仪器问世后，世界各大医疗仪器的生产厂家竟相投入大量的人力、物力进行监护系统的开发、生产与销售，促进了监护系统的发展和普及。

世界各国纷纷建立起冠心病监护病房，重症监护室，脑疾患者监护室，在手术室，分娩室，康复室内等一些专科病房加强了监护措施。

但是国内监护系统的科研、生产与国际先进水平相比还存在一定的差距：

高、精、尖的监护设备大部分依赖于国外进口，价格比较昂贵，中小医院无力购买，严重影响了监护系统在我国的应用和推广[4]。

目前所知的监护系统是指用来监测病人生理、病理参数的病情监护系统。

由于计算机的快速发展，目前病情监护系统不仅可以用来显示病人的各类信息，而且可以通过计算机进行处理和分析，综合分析监测结果，让医务人员做出快速判断和治疗。

该类设备由大型的微机系统逐渐发展成以单片机为核心部件的微型控制系统MCU（MicroControllerUnit）是目前的一个发展方向。

它以期通过固化在单片微机系统内的程序来实现数据的采集、存储、分析和再现。

在这种小型设备研制伊始，受制于单片机的发展，采用的单片微机芯片几乎都是低位的C51系列单片机。

随着单片机技术的发展，功能越来越强大越来越精密的高位单片机更多地应用于此种系统中，随着传感器技术的发展，简单方便的无创式传感器也应用到此种设备中来。

最近几年国内的基于嵌入式技术的便携式多参数人体生理信号监测仪以及远程监测系统正在如火如荼的进行着，已经逐渐建立起以家庭监护为基础的“家庭一社区一医院”三层远程监测系统。

最近几年，在国外，一种以传感器网络构成的人体生理信号监测仪器得到了迅速的发展。

这种传感器网络散布于一种人体可穿戴的表面看起来很普通的衣服。

当人们穿着这种特制衣服的时候，他们的人体生理信号通过无线的方式传输到PC系统中，PC系统可以对人体的状态进行无间断的记录。

当人体出现异常状况的时候，PC系统会发出报警信号。

如果需要远程监控，可以将监测到的信号，通过局域网传输到Internet上。

但是这种传感器网络构成的人体生理信号监测仪器并没有在医疗领域得到广泛的应用。

1.3本课题的主要研究内容

随着医学技术的发展，特别是传感技术、单片机技术、计算机技术的高速发展，使得人体生理信号监护设备不断更新换代，同时针对我国所面临的社会老龄化、医疗费用居高不下，以及人口众多、医院和交通容量有限等一系列严重的社会问题。

本文旨在设计适用于社区、家庭使用的可以采集多种参数的人体生理检测与分析系统，使被检测者可以便捷的获知自身的生理状态。

本文所设计的这套检测系统，可以同步采集人体的体温信号、血压信号和脉搏信号，并通过液晶显示器显示出数据信息[5]。

主要内容为以下四个部分：

（1）人体生理信息检测与分析系统的硬件数字体系设计

（2）人体生理信号的数据采集、存储、显示、上传模块的软件设计

（3）人体生理信号的数据处理

（4）人体生理信号的数据压缩

第二章系统总体方案设计

本系统以AT89C51单片机为控制核心，以体温检测模块、脉搏检测模块、血压检测模块、液晶显示模块、键盘电路模块为主要的模块单元。

系统框图如图2-1所示。

本系统通过键盘设定三种工作方式：

脉搏检测，体温检测，血压检测。

人体体温检测利用芯片DS18B20这个数字温度传感器进行温度测量，测得的数据如果超限则进行报警。

脉搏检测采用传感器将脉搏转换成单片机可以接受的信号，每跳动一次就产生一个脉冲，让单片机产生一个中断，每中断一次就进行一次计数，每分钟进行一次采样进行统计脉搏数。

血压检测采用压力传感器ASDX001，如果血压超限则报警。

该方案可以有效、实时的测量体温、血压、脉搏这些要求检测参数，能够达到系统设计的各项指标，设计方案是切实可行的。

图2-1系统总体方案框图

第三章系统硬件设计

人体健康检测器的硬件电路主要由以下几部分组成：

体温测量模块、血压测量模块、脉搏测量模块、时钟电路、复位电路、电源电路、显示电路、键盘电路、USB通信电路以及超常报警电路。

3.1体温测量模块

设计中采样的是人体的体温，所测的量是非电量，所以要用到温度传感器进行采样，将温度转换为电信号才能输入系统进行信息转换和处理。

所以传感器是实现这个设计的首要环节。

这里我们采用的是温度传感器DS18B20。

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM，温度传感器，非挥发的温度报警触发器TH和TL，高速暂存器。

在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时VDD，GND接地，I/O接单片机I/O。

无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接10k

左右的上拉电阻。

我们采用的是第一种连接方法。

如图3-1所示：

把DS18B20的数据线与单片机的P23脚连接，再加上上拉电阻[6]。

图3-1温度采集电路

3.2血压测量模块

血压测量模块采用压力传感器ASDX001，该压力传感器可用于测量绝对压、差力压和表力压。

范围从1PSI到100PSI，绝压型传感器有一个内部真空参比值（基准值），因此可直接输出一个与绝对压成比例的信号。

差压型装置允许在传感膜片的任一侧施加压力，可用于压力差的测量。

ASDX001的外围引脚共有8个，其中5个为空脚。

工作电压为正5伏。

由+Vs脚引入正5伏电压，Vout为数据输出脚，将所测量得到的数字电压信号传送到单片机的P1.0脚，ASDX001的地脚为GND脚，接地。

因此，只需要将传感器的输出脚Vout连接到单片机的P2.1脚上即可。

如图3-2所示：

图3-2ASDX001与单片机的连接电路原理图

3.3脉搏测量模块

目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：

光电容积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。

近年来，光电检测技术在临床医学应用中发展很快，这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰，具有很高的绝缘性，且可非侵入地检测病人各种症状信息。

用光电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生物医学仪器工作的专家和学者的重视。

本系统设计了指套式的透射型光电传感器，实现了光电隔离，减少了对后级模拟电路的干扰。

传感器由发光二级管和光敏二极管组成，其工作原理是：

发光二极管发出的光透射过手指，经过手指组织的血液吸收和衰减，由光敏二极管接收。

由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的吸收和衰减也是周期性脉动的，于是光敏二极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化[7]。

3.3.1脉搏信号采集电路

图3-3是脉搏信号的采集电路，U3是红外发射和接收装置，由于红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大，所以对R21阻值的选取要求较高。

R21选择270Ω同时也是基于红外接收三极管感应红外光灵敏度考虑的。

R21过大，通过红外发射二极管的电流偏小，红外接收三极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。

反之，R21过小，通过的电流偏大，红外接收三极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。

当手指离开传感器或检测到较强的干扰光线时，输入端的直流电压会出现很大变化，为了使它不致泄露到U2B输入端而造成错误指示，用C8、C9串联组成的双极性耦合电容把它隔断。

当手指处于测量位置时，会出现二种情况：

一是无脉期。

虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是由于红外接收三极管中存在暗电流，会造成输出电压略低。

二是有脉期。

当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收三极管中的暗电流减小，输出电压上升。

但该传感器输出信号的频率很低，如当脉搏只有为50次/分钟时，只有0.78Hz，200次/分钟时也只有3.33Hz，因此信号首先经R22、C10滤波以滤除高频干扰，再由耦合电容C8、C9加到线性放大输入端。

图3-3信号采集电路

3.3.2信号放大

按人体脉搏在运动后跳动次数达200次/分钟的计算来设计低通放大器，如图3-4所示。

R23、C6组成低通滤波器以进一步