便攜式生命體征動態監測儀設計

趙文麗

（河南省輕工業職工大學 機電工程系，河南 鄭州 450002）

生命體征監測儀是醫院不可缺少的重要設備，它實時、連續、長時間地監測病人的重要醫學生理參數，并將獲得的數據傳送給醫護人員，以供醫護人員進行分析，使得醫護人員能夠對病人當前的狀態做出正確判斷，從而做出正確的處理。便攜式生命體征監測儀采用隨身式設計，小型輕便，能實時地進行人體多生理參數的監護，最適合于野外及家中，并可用于普通醫院作為個人生命參數監護設備。

本文將該設計劃分為若干個模塊，分塊實現各生理參數的測量及處理。選用不同的傳感器對各生理參數進行采集，以單片機為控制核心，編程實現對輸入信號的處理和輸出信號的控制。

1 系統整體設計

1.1 硬件系統設計

系統總體結構框圖如圖1所示。本設計以AVR單片機ATmega16為控制核心，通過溫度傳感器、硅光電池、壓力傳感器、加速度傳感器獲得人體溫度、脈搏、血壓及跑步者的步數情況，再由單片機實時計算測量值并將結果送至液晶顯示器顯示，當測量值超過設定的閾值時，觸發聲音報警。系統設有鍵盤、人工復位電路。

1.2 軟件系統設計

軟件采用模塊化設計方法，由主程序及參數測量、液晶顯示、和鍵盤處理等若干子程序組成。系統主程序流程圖如圖2所示，系統上電后首先初始化，然后進行各參數的測定、判斷超量報警及顯示等操作。

2 各模塊設計

2.1 溫度檢測模塊

采用數字溫度傳感器DS18B20，其優點是提供12位溫度讀數，從單片機到DSl8B20僅需一條數據線。DSl8B20的測量范圍從-55℃到+125℃，增量值為0.5℃，可在1 s內把溫度變換成數字[1]。

圖2 系統主程序流程圖Fig.2 The system main flowchart

完成溫度轉換經過3個步驟：1）每一次讀寫之前都要對DS18B20進行初始化操作；2）初始化成功后發跳過ROM指令；3）最后發送溫度轉換RAM指令。這樣等轉換完成后將所測溫度值送入緩沖區以供LCD顯示，若溫度值超過預設閾值，則觸發報警提示。

2.2 脈搏檢測模塊

利用指套式光電傳感器，換能元件采用硅光電池，由于心臟的跳動，引起手指尖的微血管的體積發生相應的變化，當光通過手指尖射到硅光電池上時，產生光電效應，兩極之間產生電壓由于指尖的微血管內的血液隨著心臟的跳動發生相應于脈搏的容積變化，因而使光透過指尖射到硅光電池時也發生相應的強度變化，這樣就把人體的脈搏轉換為相應的電信號[2-3]。結構如圖3所示。

圖3 透射式光電傳感器Fig.3 The transmission type photoelectric sensor

光電脈搏檢測電路共分為5個部分，由光發射電路、光電轉換電路、一級放大電路、二階低通放大電路和波形整形電路等五部分組成，整體電路如圖4所示。

光發射電路采用了常見恒流源電路，通過穩壓管保證流過LED的電流為恒定值。光電轉換電路采用硅光電池，將光信號轉換為電壓信號。一級放大電路對微弱信號進行放大，放大約20倍，為了不影響有用信號又能濾掉50 Hz干擾，將頻率截止到31 Hz。按人體脈搏最高跳動次數240次/min計算，根據歸一化法設計低通放大器，理想放大倍數為-22.7倍。高頻轉折頻率為14 Hz，低頻特性滿足條件，不影響有用信號。波形整形電路是一個電壓比較器，該比較器的閥值電壓可調節在脈搏波的幅值范圍內。最終得到的信號為方波形式，送入單片機定時/計數器中計數，從而計算出脈搏數。

2.3 血壓檢測模塊

本設計中的血壓測量采用示波法。由于心搏的血液動力學作用，在氣袖壓力上將重疊于心搏同步的壓力波動，即脈搏波。示波法血壓測量就是根據脈搏波振幅與氣袖壓力之間的關系來估計血壓的。與脈搏波最大值對應的是平均壓，收縮壓和舒張壓分別以對應脈搏波最大振幅的比例來確定[4]。

該模塊要完成信號的采集、處理和顯示等功能，最主要的部分是傳感器電路。

1）傳感器電路

圖4 光電脈搏檢測電路Fig.4 Detection circuit of photoelectric pulse

傳感器電路主要包括傳感器、放大電路部分和帶通濾波電路[5-6]，其電路原理圖如圖5所示。袖套通過氣管連接到壓力傳感器MPX2050上，MPX2050將壓力線性地轉化為模擬電壓信號。模擬信號通過儀用放大器AD620進行第一級放大，放大后的模擬電壓信號通過電容將直流參量和交流分離。直流參量連接到ATmega16的模數轉換通道ADC3口上，其測量的是袖套中的平均壓力；交流參量通過OPA2277組成的帶通濾波電路。交流參量得到足夠大的放大增益并且有效減小噪聲干擾。放大后的交流信號再接入一個交流耦合電路。經過處理的信號連接到ATmega16的模數轉換通道ADC2口上，用于測量脈搏波的振幅。

圖5 傳感器電路Fig.5 The sensor circuit

2）血壓檢測軟件設計

血壓測量控制按鍵按下后，啟動血壓測量過程，袖袋開始充氣。在袖袋充氣過程中，如果用戶感到不舒服或者有強烈的疼痛感，則可以再次按下血壓測控按鍵停止氣泵，袖袋快速放氣，從而結束測量。這主要是為了確保用戶在使用設備時的安全。如果袖袋充氣過程正常，則袖袋內的壓力將持續增加，直至160 mmHg。達到160 mmHg后，氣泵將停止，袖袋內的氣體將慢慢被放出。在此過程中，用戶也可以按下血壓測控按鍵，放棄本次測量。一旦單片機檢測到舒張壓和收縮壓后，將打開氣閥，使袖袋全部放氣，完成一次測量過程，并將結果送緩沖區，以便在LCD上進行顯示，若測量值超過預設閾值，則觸發報警提示。

2.4 計步器模塊

要實現檢測步數首先要對人走路的姿態有一定了解。人體行走時腰部有上下的垂直運動，每步開始時會有一個比較大的加速度，利用對加速度的峰值檢測可以得到行走的步數[7]。人體行走時腰部垂直加速度曲線中有多少個峰值，即代表行走了多少步。

1）加速度傳感器

根據資料顯示，人行走的垂直加速度在±1g之間（1g為9.8 m/s即重力加速度），考慮到還有重力加速度的影響，可選擇測量范圍在±2g之間的加速度傳感器ADXL202來實現計步器。ADXL202輸出如圖6所示占空比（T1/T2）與加速度成一定比例的數字信號，因此信號可以直接用單片機的計數器來測量，無需AD轉換電路或是其他特殊電路。

圖6 ADXL202輸出波形Fig.6 The output waveform of ADXL202

T1的測量可利用單片機的中斷和計數器來實現，峰值的檢測通過門限判斷實現。選擇2個門限A和B，當數據大于門限B并且接下來變化小于門限A時判為一步，這樣可以有效地排除干擾影響。將判斷結果通過單片機計數即得跑步步數，再乘以步長，即可得到行走距離和速度。

利用人體能量消耗量與某些生理指標之間的相關性，建立數學模型得到預測公式，即可預測能量消耗量。系統根據性別、體重、身高、年齡等生理指標，采用Harris-Benedict預測公式計算能量損耗[8]，計算方程如式（1）所示。

式中：BEE——基礎能量消耗，J；W——體重，kg；H——身高，cm；A——年齡，歲；

2）計步器軟件

計步器測量控制按鍵按下后開始測量步數，由傳感器將信號送入單片機進行計算并利用雙門限判斷峰值，計數得到所測步數，測控按鍵再次按下時，將兩時間點之間所測得的步數送至緩沖區，以供LCD顯示。

2.5 外圍電路

液晶顯示模塊采用點陣字符液晶顯示模塊HD44780，CVAVR中對這種模塊提供了一些基本的LCD應用接口函數，調用簡單方便。鍵盤模塊共有3個按鍵，其中S1為復位按鍵，S2為血壓測量控制按鍵，S3為計步器控制按鍵。報警模塊采用蜂鳴器，當所測生理參數超過預先設定的閾值時，啟動報警程序，蜂鳴器發聲報警。

3 結 論

本文設計的基于單片機的便攜式生命體征檢測儀采用模塊化設計，共分為溫度檢測、脈搏檢測、血壓檢測和計步器等四個模塊，各模塊所測生理參數送至單片機后進行信號的處理、顯示與報警提示等。該系統可實時監測運動者的體溫、血壓變化、脈搏跳動情況，記錄跑步者的步數等。采用人機對話、語音提示等方式實現液晶顯示、報警提示等功能。具備操作簡單、功耗低、人性化及方便攜帶等特點。

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