人體健康參數測定儀

周志向，齊愛學，耿 榮，郭 雪

（濱州學院 山東 濱州256600）

人體健康參數測定儀

周志向，齊愛學，耿 榮，郭 雪

（濱州學院 山東 濱州256600）

隨著科技和經濟的快速發展，手機、電腦微波爐等高新高科技電子產品產生的電磁輻射也在危害著人體健康，我們針對降低電磁輻射對人體產生的危害，采用了基于stm32單片機的高精度人體健康參數測定儀這一方法，通過使用制作完成的測試儀測試的數據結合相關參數的醫學儀器檢測到的數據進行比對，得出我們的儀器檢測的數據與人體醫學標準要求的數據的最大誤差保持在4.9%以內。我們對電路進行了模塊化，使產品易于攜帶；成本低，符合大眾的消費心理。

電子技術；實用新型專利；單片機編程；電磁輻射

進入20世紀90年代，隨著國民經濟和高科技產業的迅速發展，手機、電腦等高新高科技電子產品也在蓬勃發展著，伴隨著他們的快速發展，人們的生活也在朝向智能城市的方向發展，人們無時不刻的都在使用各種電子產品，使自己長時間處于電磁輻射場的環境中[1]，而手機、電腦等高新高科技電子產品產生的電磁輻射通過熱效應、非熱效應、累積效應等損害著人們的健康，而人們對電子產品的不恰當利用也使得電磁輻射加強，電磁輻射問題開始成為影響人們身體健康的重要因素之一，因此對電磁環境監測方面的要求越來越高[2]。但是現在國產儀器及設備存在價格高、智能化程度低、反應遲鈍等諸多問題。所以，如何讓人體健康參數測定儀更加高智能化、普遍化也成為了人們的創新切入點，為了能夠幫助工作族了解自己的身體健康情況和隨時對自己的身體健康進行檢測，我們提出基于stm32單片機[3]的高精度的人體健康參數測定儀這一構想并組建。本系統為智能生活的發展貢獻出自己的一份力。

人體健康參數測定儀的硬件部分主要有電磁輻射檢測模塊、人體體溫感應模塊、肺活量檢測模塊、心率檢測模塊、語音提示模塊、聲光報警模塊和LCD液晶顯示模塊構成，可以隨時進行體溫檢測、肺活量檢測、心率檢測和輻射檢測，讓人們可以隨時隨地的了解自身的健康狀況，發現問題可以立馬就醫，避免意外情況的發生。

1 總體設計

本設計采用環形線圈輻射探頭、濾波、放大電路、模數轉換、單片機單元組成[4]。當檢測模塊檢測到信號后，經低通濾波電路濾除高頻成分后送至放大電路[5]，放大后的信號由A/D轉換電路轉換為數字信號，送至單片機進行處理，通過單片機程序完成數字信號處理和計算，并在顯示屏上顯示[6]。同時儀器還有自動報警功能，我們將設計一個閾值，當超過此值時儀器自動報警，系統總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

2 系統硬件設計

該系統結構圖如圖2所示， 該系統以stm32f103z8t6單片機為主芯片[3]，外接電磁輻射檢測模塊、人體體溫感應模塊、肺活量檢測模塊、聲光報警模塊和LCD液晶顯示模塊等。通過各個模塊檢測外界環境將采集的信號送到A/D模數轉換器電路，然后將數字信號傳送給單片機進行處理，進而單片機控制各個模塊進行工作：電磁輻射檢測模塊進行輻射檢測、人體體溫感應、肺活量檢測、液晶屏的顯示、聲光報警以及系統與用戶的交互。在這個過程中，各模塊對外界環境不斷檢測，將檢測的信息反饋給單片機輔助其工作。

圖2 系統硬件結構圖

人體體溫檢測電路起到隨身量體溫的功能，溫度傳感器（temperature transducer），是利用物質的物理性質隨溫度變化的規律，把溫度轉換為電量的傳感器，根據溫度傳感器電路的PN結伏安特性可得兩晶體管基極和發射極電位差之差，這就是溫度傳感器的基本原理[7]。 我們將38度設置為一個閾值，當人體體溫超過38°C時，屬于高溫發燒狀態，核心溫度在36.8～37.7℃范圍內，晝夜節律變化約為0.6℃[8]，向用戶報警提示，讓用戶及時采取相應措施。溫度傳感器仿真圖[9-11]如圖3所示。

圖3 溫度傳感器仿真圖

心率檢測電路起到了隨時測人體心率的功能，正常成年人的心率正常值在60-100次/分范圍內，平均標準為75次/分，當心率低于60次/分成為心率過緩，當心率大于100次/分成為心率過速[12]，所以我們將60和100設置閥值，當心率低于60次/分或高于100次/分向用戶報警提示心率過緩和心率過速，讓用戶及時采取相應措施。心率傳感器仿真圖[9]如圖4所示。

圖4 心率傳感器仿真圖

A/D轉換電路[3]是將各個傳感器檢測電路采集的模擬量轉換成數字信號供單片機處理。從而實現各個傳感器電路與單片機的信息傳送與狀態反饋，進而輔助單片機發送動作指令。A/D轉換電路仿真圖[9]如圖5所示。

圖5 A/D轉換電路的仿真圖

3 系統軟件設計

該系統的軟件采用Keil軟件編程，首先通過4個參數檢測模塊進行數據的采集，然后經A/D轉換電路模塊將模擬信號轉換成數字信號，再將數字信號通過I/O口交由單片機分析處理后[13]晶顯示模塊的控制信號，進而實現相應的功能。系統軟件設計的結構圖如圖6所示。

圖6 系統軟件設計結構圖

數據采集模塊主要用來實現對人體健康狀況的采集；數模信號轉換模塊是通過stm32芯片內自帶的AD數模轉換模塊對系統中模擬量信號和數字量信號進行轉換，通過該模塊可以實現外界環境狀況與單片機的交流通信；單片機輸出控制模塊主要用來實現對其獲得的信息處理分析，并能夠發出對整個系統輸出控制信號的指令；軟件硬件通信模塊主要用來實現該系統軟件與硬件之間的通信功能，軟件設計的流程圖如圖7所示。

圖7 軟件設計的流程圖

4 實驗結果

本裝置外接電磁輻射檢測模塊、人體體溫感應模塊、肺活量檢測模塊和心率傳監測模塊，為了防止模塊之間的數據干擾和工作環境干擾，每個模塊外接一個自鎖開關，只有當自鎖開關按下時，模塊才能開始工作，我們根據人體對于體溫、心率、肺活量的正常標準及允許承受的最大電磁輻射的標準設定一個閥值，當某一項的數值超過正常標準時，裝置同時聲光報警和語音提示，使人們能夠及時做出反應，避免發生安全問題，通過LCD來顯示監測到的四項數值。

5 數據分析

5.1 電磁輻射數據分析

電場和磁場的交互變化產生的電磁波，電磁波向空中發射或泄露的現象，叫電磁輻射。圍繞在人類身邊的天然磁場、太陽光、家用電器等都會發出強度不同的輻射[14]。

由于電磁輻射強度與外界的電場和磁場都存在著關系，所以測量時數據會呈不穩定的高低變化[15]，所以我們記錄這個時間段內最大的強度數值。

我們對人們身邊存在電磁輻射的手機等電子產品進行了測量，檢測到的電磁輻射強度如表1所示。

表1 輻射強度統計表

5.2 心率數據分析

正常成年人的心率正常值在60～100次/分范圍內，平均標準為75次/分。為了使實驗數據更加的完善和科學，我們對10名同學（年齡在20～22歲范圍內）進行了心率的醫學檢測和儀器檢測，10名同學中兩次的靜息心率數據如下表所示，醫學檢測的數據符合正常成年人60～80次/分的標準，而且儀器檢測的數據誤差在5%以內，檢測儀檢測數據與標準醫學儀器數據的比對如表2所示。

表2 心率統計表

5.3 肺活量數據分析

肺活量是指在不限時間的情況下，一次最大吸氣后再盡最大能力所呼出的氣體量，這代表肺一次最大的機能活動量，是反映人體生長發育水平的重要機能指標之一。成年男子肺活量約為3 500毫升，女子約為2 500毫升。壯年人的肺活量最大，幼年和老年人較小，同時肺活量又與人體的體重有一定關聯，大小順序為正常人>超重人>肥胖者>體重較輕的人[16]。

我們對10名男同學 （年齡在20～22歲范圍內）進行了肺活量的檢測，檢測儀檢測到的肺活量數據與標準醫學儀器數據的比對如表3所示。

表3 男性肺活量統計表

5.4 體溫數據分析

體溫是指機體內部溫度，正常人腋下體溫為36-37度。我們對10名正常男同學進行了體溫檢測，10名同學經檢測儀檢測數據與體溫計測量數據的比對如表4所示。

表4 體溫統計表

由表中數據可以看出，10名正常男同學的體溫數據符合正常體溫。

6 實驗應用

本裝置提供了一種人體健康指數測試儀的技術方案，該裝置包括輻射檢測、體溫檢測、肺活量檢測和心率監測的4種功能，所述的輻射探頭通過低通濾波電路與放大電路連接，所述的放大電路通過模數轉換電路與單片機連接，所述的單片機與一顯示屏連接，該方案的檢測儀當輻射探頭檢測到信號后，經低通濾波電路濾除高頻成分后送至放大電路，放大后的信號由AD轉換電路轉換為數字信號，送至單片機進行處理，通過單片機程序完成數字信號處理和計算，并在顯示屏上顯示，使裝置更加的智能化，易于攜帶，成本低，利于推廣。

7 結 論

該裝置解決了國內可以檢測人體健康參數綜合檢測的儀器較少、智能化程度低、價格昂貴等問題，具有便于攜帶、使用方便、價格低等優點，我們依據電磁感應原理設計一個綜合輻射監測模塊，并對相關參數進行計算，提高探頭的靈敏度[17-20]；將輻射檢測、體溫檢測、肺活量檢測和心率監測的4種功能結合在一起，使裝置更加智能化，總體制造價格低，符合大眾的消費心理，可用于普通家庭的推廣，推動智能化城市、智能化家居的發展。

[1]胡冀.移動通信基站微波輻射對周圍居民神經行為功能的影響及機制探討[D].湖南:中南大學，2010.

[2]黃彥柳.城市電磁輻射場的環境能量效應研究[D].上海:東華大學，2005.

[3]劉火良，楊森.STM32庫開發實戰指南[M].北京:機械工業出版社，2015.

[4]徐彬，石文星.張立輝.張凱.生活環境中的電磁輻射檢測儀[J].實驗室研究與探索報，2013，32（10）：26-27.

[5]楊素行，模擬電子技術簡明教程[M].北京:高等教育出版社，2010.

[6]郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京:電子工業出版社，2008.

[7]黃玉蘭.物聯網傳感器技術與應用[M].北京:人民郵電出版社，2014.

[8]胡學鋒,呂永生,漆少廷,人體體溫測量方法概述[J].南京:口岸衛生控制，2013，18（6）：55-55.

[9]謝龍漢.Altium Designer原理圖與PCB設計及仿真[M].北京:電子工業出版社，2012.

[10]張慧敏.基于加速度傳感器的微弱信號放大電路設計 [J].重慶師范大學學報：自然科學版，2016（3）：132-136.

[11]李健蘋 一種基于光纖光柵的應力傳感器研究[J].重慶師范大學學報：自然科學版，2016（4）：123-127.

[12]魯池梅，周航，李焱奎.人體心率測量的研究與實現[J].湖北:湖北師范學院報，2015，35（3）:82-85.

[13]張迎新.單片機初級教程[M].北京:北京航空航天大學出版社，2006.

[14]郭翠鋒.家用電器的電磁描射分析與預防[J].吉林廣播電視大學學報，2010，98（2）:90-92.

[15]盧矜遠，朱滿座，侯龍.電磁場與電磁波[M].西安:西安電子科技大學出版社，2012.

[16]王梅，人體質量指數不同的中國成年人身體機能對比分析[J].北京:中國臨床康復，2005，9（28）：190-191.

[17]楊儒.電磁定現和職理及扣成用[M].成都:西南交通大學出版社，2002.

[18]周志文，馬安仁.基于單片機的磁控濺射穩壓開關電源設計[J].工業儀表與自動化裝置，2014（1）：106-108.

[19]程世田，李娟，于艷，等.基于單片機與工控軟件的多點測溫系統的研發[J].工業儀表與自動化裝置，2014（1）：27-31，35.

[20]淡海英.基于AT89C51單片機的新型電水瓶電路設計與分析[J].工業儀表與自動化裝置，2015（1）：114-116.

Human health parameter tester

ZHOU Zhi-xiang，QI Ai-xue，GENG Rong，GUO Xue
（Binzhou University，Binzhou 256600，China）

With the rapid development of science and technology，and economy，the electromagnetic radiation from cell phones，computers，microwave ovens and other high-tech electronic products endangers human beings'health.Human health parameter tester with high accuracy，which bases on stm32 microcontroller is introduced in this experiment to reduce this electromagnetic raiation.When comparing the data from this tester with the data from certain medical equipmenrt with relative paremeter，it is concluded that the maximum error of data between the tester and human body medical standards is less than 4.9%.This modularized circuit is very easy to carry，the low cost of this product conforms to the public consumption tendency.

electronic technology；the patent for utility model；microcontroller programming； the electromagnetic radiation

TN302

A

1674－6236（2017）10-0097-05

2016-04-13稿件編號：201604153

國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201410449013）

周志向（1995—），男，山東青島人。研究方向：光電檢測技術。