人體溫度與心率檢測設計

劉佳華 曹帝杰 牛子健 張子林

摘 要：隨著可穿戴設備的普及，心率監測功能已經成為各種可穿戴設備必備的功能，但是現有可穿戴設備所具有的人體心率監測系統比較單一，不能對體溫和心率等多種指標同時進行檢測，降低了用戶體驗感。本設計通過一種LabVIEW軟件與單片機來對人體溫度和心率進行讀取和分析，其原理是利用LabVIEW軟件進行各種子VI設計，主要包括收集MIT-BIH通道數、采樣率、數據點數、數據存儲格式、數值等參數，并收集電壓轉換倍數、數據格式分析以及單片機溫度等數據。本設計成本較低，可以節約人工成本，同時具有人機交互性強、操作簡單等優點。

關鍵詞：LabVIEW;單片機;數據處理

中圖分類號：R318.6;TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2020）11-053-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2020.11.025

為實現采集人體心率和溫度等目標，筆者結合單片機開發板，運用溫度傳感器模塊和MIT-BIH讀取，進行溫度與人體心率的實時采集與顯示，在LabVIEW2018軟件上搭建信息采集的前面板與子程序。

1 溫度采集模塊設計

利用DS18B20實現對溫度的采集。在8段數碼管上顯示采集溫度的示數變化（整數部分顯示整數溫度，小數保留一位小數），可以根據用戶需求設置采樣時間、溫度范圍、溫度采集的開始與結束等。

LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發，類似于C和BASIC開發環境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式。LabVIEW軟件是NI設計平臺的核心，也是開發測量或控制系統的理想選擇。LabVIEW開發環境集成了工程師和科學家快速構建各種應用所需的所有工具，旨在幫助工程師和科學家解決問題、提高生產力，推動不斷創新。界面的設計與控制就變得十分方便，子程序的編寫更加直觀明確，使人容易理解。

單片機開發板一般具有流水燈、點陣顯示、DS18B20溫度檢測、液晶屏、SD卡、收音機、mp3解碼等功能，為開發提供了很大的便利。DS18B20溫度檢測模塊是開發板自帶的，能夠直接將程序寫進去，方便實用。

利用現有的單片機開發板，加上LabVIEW開發軟件，為設計基于LabVIEW的連續實時數據采集與存儲系統提供了很大的幫助。

單片機開發板具有的功能較多，但是該設計中僅僅使用顯示模塊和溫度傳感器模塊，因此將單片機與LabVIEW調通之后，在設計界面、編寫程序過程中，只需要使用這兩個模塊的功能，通過LabVIEW編程控制單片機即可。

單片機和PC的通信，是通過單片機串口和PC串口之間的硬件連接實現的。在許多單片機應用系統中，上、下位機分工明確，作為下位機核心器件的單片機往往只負責數據的采集和通信，而上位機通常以基于圖形界面的Windows系統為操作平臺。為便于查詢和保存數據，還需要數據庫的支持，這種應用的核心是數據通信，其包括單片機和上位機之間、客戶端和服務器之間，以及客戶端和客戶端之間的通信，而單片機和上位機之間的數據通信則是整個系統的基礎。

數據通信的硬件采用3線制，將單片機和PC串口的3個引腳（RXD、TXD、GND）分別連在一起，即將PC和單片機的發送數據線TXD與接收數據RXD交叉連接，兩者的地線GND直接相連，而其他信號線，如握手信號線均不使用，采用軟件握手的方式。這樣既可以實現預定的任務，又可以簡化電路設計。

在保證單片機能夠順利通信之后，才能實現數據的實時采集和存儲。

利用Keil C51和LabVIEW編寫程序實現PC與單片機串口的通信后，就可以在LabVIEW 2018上設計界面、編寫程序[1]。

1.1 LabVIEW前面板設計

該設計需要有溫度的數字顯示、柱狀顯示與波形圖顯示，并能夠設置溫度的上下限，采集頻率的快慢能夠更改，儲存的位置與形式可以選擇，并使串口參數與單片機開發版保持一致。運用labview前面板的功能對這些功能進行布局，設計其主界面。

其具有的功能顯示自上而下，依次為時間顯示、開始按鍵、文件儲存位置選擇、采集停止按鈕、串口參數設置口、溫度波形圖、溫度計、溫度值、采集時間、溫度上下限、溫度狀態、溫度狀態燈等。

運行labview之前，將單片機的串口參數設置正確，并選擇溫度采集的溫度存儲位置，設置溫度的上下限。點擊開始按鍵，單片機開發板就開始采集溫度數據，此時的時間與系統時間保持一致，溫度傳感器對采集的溫度進行數值顯示、柱狀顯示以及波形圖顯示。改變溫度傳感器周圍的溫度，能夠觀察到采集的溫度的變化[2]。

1.2 LabVIEW子程序設計

建立主界面顯示，需要特定的程序實現，于是根據數據傳輸的順序，加上循環指令和中斷指令保證實時連續采集與儲存，并能實現顯示。

每一個功能的實現，都需要制定一個程序。首先，串口傳輸設定一個固定的參數，能夠將單片機采集的溫度數據，通過串口傳輸到labview前面板上顯示。點擊“開始”指令，如果滿足通訊協議，就通過了真假判斷指令，執行接下來的程序;如果不滿足程序就會報錯，提醒修改。之后進入while循環，在循序結構圖中，首先判斷進入信號是否滿足要求，滿足要求進入第二層結構。在第二層結構中可以設定采集信號的頻率，根據設定頻率采集周圍環境的溫度。這時將采集的數據經過字符串的轉化，分到三部分進行顯示和判斷，其中的一部分通過連接字符串進入存儲格式選擇，格式自帶的日期和系統保持一致;另外一部分則直接通過數值和溫度計直接顯示;最后一部分則要判斷采集的溫度是否在設定溫度之間，若在范圍內就顯示正常指示燈綠色，如果不在，就會顯示不正常，變為紅色。最后點擊“結束”，即可不再采集。否則，一直進行數據采集。后面板設計如圖1所示[3]。

2 心率采集模塊設計

心電信號的分析比較復雜，可能會用到高級信號處理工具箱（ASPT）和數字濾波器設計工具箱（DFDT）等。另外，還有NI LabVIEW生物醫學工具包，工具包的VI庫包含多種信號處理算法，用于許多常見的生物醫學信號處理任務，比如EEG和ECG信號仿真、EEG雙譜和相干性分析、ECG特性提取和EMG功率分析等。對于本設計，筆者僅利用LabVIEW的基本函數進行簡單的心電信號分析。典型的心電信號如圖2所示。

可以利用信號處理→波形測量→波形監測→波形波峰監測函數測量出心電信號各尖峰（R）的位置和尖峰數量，由各尖峰的位置差可以計算出每次心跳的時間間隔（RR間隔）并進而計算出每次心跳的頻率，這樣就可以分析出平均心率和心率的標準差。每兩次心跳的間隔都是不同的，由RR間隔可以計算出RR間隔的均值和標準差。

HRV分析提供了自主神經系統（ANS）的一個定量標記，因為HRV的調節機制源自交感和副交感神經系統。迄今為止，許多研究人員和工程師都致力于發掘HRV分析中對臨床應用有價值的信息。在過去的十年中，已經發表了超過2 000篇關于HRV的文章，這些文章考察了HRV與血壓、心肌梗塞、神經系統、心律失常、糖尿病、呼吸、腎衰竭、性別、年齡、疲勞程度、藥物、吸煙、酒精等因素的關系[4]。

3 結語

文章闡述的人體心率與溫度檢測設計方法簡單但具有創新實用性，對日常生活比較實用方便。利用LabVIEW2018軟件與單片機進行結合設計，打破了傳統設計方法的局限，有很好的創新性。設計方法簡單，但功能齊全，是一種檢測人體心率與溫度的好方法[5]。

參考文獻

[1] 楊忠仁，饒程，鄒建，等.基于LabVIEW數據采集系統[J].重慶大學學報（自然科學版），2004，27（2）：18-22.

[2] 陳敏，湯曉安.虛擬儀器軟件LabVIEW與數據采集[J].小型微型計算機系統，2001，22（4）：32-35.

[3] 呂向鋒，高洪林，馬亮，等.基于LabVIEW串口通信的研究[J].國外電子測量技術，2009，28（12）：8-11.

[4] 王建群，南金瑞，孫逢春，等.基于LabVIEW的數據采集系統的實現[J].計算機工程與應用，2003，39（21）：23-24.

[5] 胡蔣明，張曉青，賈豫東，等.3km分布式多模光纖溫度報警系統設計[J].現代計算機，2016（6）：45-47.