家庭監護儀的設計與研究

一、引言

現代人由于飲食不規律、工作壓力大、營養結構不合理等原因，很容易不知不覺中患上一些慢性疾病，如高血壓、冠心病、心率失調等，這些疾病如果不能及早發現，天長日久將造成非常嚴重的后果。而血壓、心率、體溫則是監控這類慢性疾病滋生的重要參數。但是，由于公共醫療資源有限，絕大部分群眾并沒有條件經常去醫院進行體檢，對自己身體狀況的把握僅能依靠簡單的自身估計和觀察，常常忽視了身體狀況惡化的情況。

傳統上使用臺式水銀血壓計量血壓，但是臺式水銀血壓計存在體積大、放置不方便、易打碎、操作繁瑣等問題，一般家庭根本不會使用;傳統上使用水銀體溫計量體溫，水銀體溫計存在易斷易碎、測溫時間長（5～10分鐘）、讀數不方便等問題，目前也逐漸面臨被淘汰。并且，家庭使用含有水銀的血壓計、體溫計，容易產生水銀泄漏，從而造成環境污染和人身安全等嚴重問題。

在非接觸式電子體溫計領域，國內外都以采用紅外感應測溫技術為主。博朗、歐姆龍等公司相繼開發出精度小于0.2℃、測量時間小于2秒的電子紅外體溫計，但都是基于某一特定功能測量儀器，而能夠集測量血壓、體溫和脈搏等功能為一體的家庭用多功能智能型生理體征測量儀在國內外市場上還極為少見，筆者通過市場調研發現目前該類型產品國內市場認為空白。

因此，非常有必要研制一款能夠滿足大部分人居家進行簡單體檢的智能型家庭監護儀，該儀器應能夠較為準確地檢測出人體的血壓值、脈搏次數和體溫值，并能對測量結果進行基本的判斷，且滿足成本低、攜帶方便、操作簡單、顯示清晰等要求，適合老人、病患等各類人群的使用。

二、總體方案

相對于較為普遍的工業信號的檢測技術，人體生理體征參數的監測有其特殊性，主要體現在被測對象身體情況差異較大、被測生理信息規律一致性不高、人體內部其它生物信息復雜多樣等。本文的主要研究目標是研制一款能夠滿足大部分人居家進行簡單體檢的智能型家庭監護儀，該儀器應能夠較為準確地檢測出人體的血壓值、脈搏次數和體溫值，并能對測量結果進行基本的判斷，且滿足成本低、攜帶方便、操作簡單、顯示清晰等要求，適合老人、病患等各類人群的使用。本系統主要由測學壓、測體溫、測心率等三個相對獨立的功能模塊構成，整個系統包括中央處理器系統、信號采集及處理系統、數據分析及顯示系統等子系統。系統框圖如圖2-1所示。

圖2-1 系統框圖

檢測流程是：在開機狀態下，用戶按鍵選擇檢測項目，開啟相應通道的傳感器進行數據采集，被測信號經過硬件濾波、放大和模數轉換，數字測試結果在中央處理器中進行數據分析處理，所得測試結果在屏幕上進行顯示，如果所測結果超出正常值范圍，將會有聲光報警進行提示。

三、系統設計

多功能家庭監護儀采用"前端信號采集+中央處理器+人機界面"的基本設計形式。前端各個傳感器以及相對應的信號濾波、放大、模/數轉換通道分別完成對人體血壓、體溫、心率等參數值進行采集處理，獲得處理器能夠識別并可作進一步分析處理的數字信號。

為了最大限度降低產品成本，本設計擬采用Atmel公司89C51單片機作為中央處理器，89C51單片機只有32個用戶可用的I/O口，為解決I/O數量不足的問題，本設計采用1片8通道A/D轉換器ADC0809進行測血壓和測體溫兩個模塊共4路數據通道的模數轉換工作，其中測血壓模塊需要分別對脈搏波幅值和袖帶氣壓值兩路數據進行處理，測體溫模塊需要分別對熱電堆輸出電壓和熱敏電阻輸出電壓兩路數據進行處理。

為提高產品性價比，本設計采用1602液晶屏顯示測試過程中必要的提示信息。考慮到多功能家庭監護儀的用戶對象多為老年人及行動不便的患者，所以儀器面板上采用機械式按鍵設計，且按鍵設置盡量簡單直觀，力圖使普通用戶可以不需要閱讀說明書，僅按照儀器面板上的簡單文字提示即可順利進行所有操作。擬設置3個按鍵，第1個按鍵為船型開關鍵，兩個狀態分別表示儀器處于"開啟"、"關閉"狀態;第2個按鍵為無鎖輕觸開關，用以對系統進行復位操作;第3個按鍵為無鎖按鍵開關，用以切換啟動測血壓、測體溫、測脈搏等三個測試流程。面板上還有4個綠色的LED燈，分別用以指示"系統開電"、"測血壓中"、"測體溫中"、"測心率中"等4個狀態。另外當測試結果超出正常值范圍時，面板上會有一組由1個紅色LED燈和1個蜂鳴器構成的聲光報警器持續發出10秒鐘報警信息。

綜上所述，多功能家庭監護儀的設計方案如圖3-1所示。

四、程序設計

基于AT89C51單片機的多功能監護儀的工作流程是：系統在開電后處于待機狀態，當無鎖按鍵開關S3（功能選擇鍵）被按1下則進入測血壓流程，若被連續快速地按2下則進入測體溫流程，若被連續快速地按3下則進入測心率流程。當在進行某項測試流程時終止或需要切換到其他測試流程，則需先按復位鍵S2，回到待機狀態，再重復功能選擇操作。如果在進行功能選擇操作的過程中連續快速地按S3鍵4下及以上次，則被視作無效操作。

本設計的主程序部分主要實現初始化工作，并實現上述S3功能鍵進行的測試流程選擇工作。具體的分項測試功能將在相應測試子程序模塊中實現。主程序部分的流程圖如圖4-1所示。

圖中Kn為按鍵次數的計數值，初始值為0，每有效地按下1次，Kn加1，當Kn累加到4次時，程序跳轉至初始化狀態。根據對Kn值進行判別，可以跳轉到相應的功能測試模塊子程序。

圖中S3是功能選擇按鍵，本設計對按鍵的判斷采用的是查詢的方式，因為主程序中沒有其它進程，所以單片機可以用不斷查詢的方式判斷按鍵的狀態，從而減少占用外部中斷資源。

五、結論

本文主要研究了基于AT89C51單片機的家庭用多功能監護儀的設計和開發，隨著社會經濟的不斷發展，人們越來越重視健康，家庭用多功能監護儀正能迎合人們日益增長的對健康的要求。通過開展對監護儀系統的深入研究，開發性價比更高、使用更方便的家庭用多功能監護儀，具有十分重要的社會意義和經濟意義。

作者簡介：

李博，男，1980年10月出生，浙江工業職業技術學院電氣分院教師，主要研究方向：應用電子技術與智能化系統工程，籍貫江西。