一種便攜式心率體溫監(jiān)測(cè)裝置

尚國慶 周岳斌 李強(qiáng)

摘 要：現(xiàn)代社會(huì)，人們的生活質(zhì)量得到了極大地提高，但同時(shí)多種疾病也威脅著人們的生命。心率和體溫是衡量人體健康的重要生理指標(biāo)，有必要為之設(shè)計(jì)一種便攜快捷的監(jiān)測(cè)裝置。該設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)作為控制處理單元，利用紅外傳感器和DS18B20集成溫度傳感器，運(yùn)用軟件和硬件雙重濾波實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體心率和體溫信號(hào)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。測(cè)量結(jié)果以數(shù)字方式顯示，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：心率 體溫 紅外傳感器 單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TM932 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）04（a）-0027-02

心率和體溫包含有豐富的人體健康狀況信息，研究心率和體溫信息無論是在中醫(yī)還是西醫(yī)中都具有重要的臨床診斷價(jià)值和實(shí)用意義。人體心率的頻率比較低，約為0.5～10 Hz，可以看成一個(gè)準(zhǔn)直流信號(hào)或超低頻交變信號(hào)[1]。該文設(shè)計(jì)了一種便攜式心率體溫監(jiān)測(cè)裝置，具有性能可靠、攜帶方便、功能多樣的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)方案

便攜式心率體溫監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括心率監(jiān)測(cè)模塊、體溫監(jiān)測(cè)模塊、單片機(jī)處理器模塊、按鍵模塊、報(bào)警模塊和液晶顯示模塊。其中心率監(jiān)測(cè)模塊包含紅外傳感器電路、信號(hào)濾波電路和信號(hào)整形電路，可實(shí)現(xiàn)心率信號(hào)的獲得、處理以及傳輸功能；體溫監(jiān)測(cè)模塊含溫度傳感器電路和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，可實(shí)現(xiàn)體溫信號(hào)的測(cè)量、轉(zhuǎn)換和傳輸功能；按鍵模塊用來設(shè)定心率和體溫的測(cè)量范圍和限值，報(bào)警模塊可根據(jù)設(shè)定的限值做出比較，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的報(bào)警功能；液晶顯示模塊含液晶顯示電路和液晶驅(qū)動(dòng)電路，可以將測(cè)量的心率以及體溫?cái)?shù)值顯示在液晶屏幕上。單片機(jī)處理器模塊以STC89S52單片機(jī)為核心，由紅外傳感器感應(yīng)心率信號(hào)，利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器來計(jì)算時(shí)間，單片機(jī)通過對(duì)心率信號(hào)累加得到脈搏跳動(dòng)次數(shù)。系統(tǒng)運(yùn)行中可以通過觀察指示燈閃爍，若均勻閃爍說明測(cè)量值準(zhǔn)確。

2 主要功能電路設(shè)計(jì)

2.1 心率檢測(cè)

如圖2所示，紅外傳感器ST188內(nèi)有高發(fā)射功率的紅外發(fā)光二極管和高靈敏度的光敏三極管。當(dāng)人把手指放在發(fā)光二極管和光敏三極管之間的時(shí)候，光敏三極管接收到的信號(hào)會(huì)隨人心率強(qiáng)度的變化而變化[2]。當(dāng)人體組織半透明度的數(shù)值較大時(shí)，紅外發(fā)光二極管發(fā)射出的透過人體組織的光強(qiáng)很弱，光敏三極管無法導(dǎo)通，輸出高電平；當(dāng)人體組織半透明度的數(shù)值較小時(shí)，紅外發(fā)光二極管發(fā)射出的透過人體組織的光強(qiáng)度較強(qiáng)，光敏三極管導(dǎo)通，輸出低電平，這樣就形成了頻率與心率次數(shù)成正比的低頻信號(hào)，從而將心率跳動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。但轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)一般為幾十毫伏，伴隨有噪聲干擾，需要進(jìn)行濾波和放大處理。經(jīng)過放大濾波后的心率信號(hào)仍是不規(guī)則的脈沖信號(hào)，且有低頻干擾，必須采用整形電路。整形電路采用滯回電壓比較器，其目的是為了提高抗干擾能力[3]。紅外傳感器輸出的低頻信號(hào)首先經(jīng)RC濾波電路消除高頻干擾，再送到集成運(yùn)算放大器LM358的輸入端。LM358內(nèi)有兩個(gè)高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)放，適用于電壓范圍很寬的單電源，也適用于雙電源工作方式，其應(yīng)用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)放的地方使用。此外，LM358還接上了一個(gè)LED用作指示心率跳動(dòng)的狀態(tài)。單片機(jī)通過外部中斷0來監(jiān)測(cè)從心率檢測(cè)電路輸出的信號(hào)[4]。

2.2 體溫檢測(cè)

圖3為體溫檢測(cè)電路，溫度傳感器選用數(shù)字式集成溫度傳DS18B20，該傳感器采用先進(jìn)的單總線（1-WRIE）技術(shù)，其測(cè)溫度的原理是將溫度值在器件內(nèi)部轉(zhuǎn)換成數(shù)字量直接輸出，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，并且與單片機(jī)的接口變的非常簡(jiǎn)潔，抗干擾能力較強(qiáng)[5]。DS18B20僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通訊，每個(gè)器件有唯一的64位的序列號(hào)存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中，無需外部器件，可通過數(shù)據(jù)線供電。由于數(shù)字式集成溫度傳DS18B20的高度集成化，大大降低了外接放大轉(zhuǎn)換等電路的誤差因素，系統(tǒng)的溫度誤差很小。

2.3 液晶顯示

圖4為液晶顯示電路，液晶驅(qū)動(dòng)模塊采用LCD1602，其顯示的內(nèi)容為16X2，可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊，第一行顯示心率，第二行顯示體溫。利用STC89C52的P0口作為數(shù)據(jù)線，用P2.7、P2.6、P2.5分別作為LCD的EN、R/W、RS。其中EN是下降沿觸發(fā)的片選信號(hào)，R/W是讀寫信號(hào)，RS是寄存器選擇信號(hào)。LCD1602顯示模塊的初始化步驟：首先清屏，再設(shè)置接口數(shù)據(jù)位為8位，顯示行數(shù)為兩行，然后設(shè)置為整體顯示，取消光標(biāo)和字體閃爍，最后設(shè)置為正向增量方式且不移位。單片機(jī)通過P0口向LCD的顯示緩沖區(qū)中送字符，采用4個(gè)字符數(shù)組，顯示的字符或數(shù)據(jù)被送到相應(yīng)的數(shù)組中，完成后再統(tǒng)一顯示[6]。

3 結(jié)語

便攜式心率體溫監(jiān)測(cè)裝置的硬件設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)為核心，心率信號(hào)檢測(cè)采用紅外傳感器ST188，體溫信號(hào)檢測(cè)采用數(shù)字式集成溫度傳感DS18B20。裝置通電后，將手指固定在紅外傳感器之間即可檢測(cè)到人體的心率和體溫信號(hào)，并在液晶上顯示出來，同時(shí)還可以設(shè)定測(cè)量范圍和限值，對(duì)于人體心率和體溫的監(jiān)測(cè)十分便利和有效，具有較好的市場(chǎng)前景和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]聶茹.基于單片機(jī)的脈搏測(cè)量計(jì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微處理機(jī)，2015，36（2）：84-87.

[2]盧超，潘宏利，等.無線脈搏測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（15）：89-93.

[3]劉一，任占兵.基于安卓手機(jī)的血氧與脈搏測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（5）：129-131.

[4]孫迎春，徐建東，劉文科.基于ZigBee技術(shù)的無線傳輸脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，30（6）：907-909.

[5]張勇，楊嬌，吳光路，等.基于CC2530無線單片機(jī)的脈搏測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2013，34（4）：132-133.

[6]李宏恩，周晉陽.基于AT89C51單片機(jī)的脈搏測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)[J].山西電子技術(shù)，2015（2）：3-5.