基于單片機的心率體溫測量計

姜銘 李亦寧 苗紫民 呂東艷 周慧

摘要：生活中很多潛在的病毒會引起發熱，心律不齊，如果不及時發現將會帶來很嚴重的后果，就如現在的新冠病毒引起的癥狀（發熱和呼吸困難），這時就需要心率體溫測量計，可以方便實時檢測體溫，有效監測心率是否正常。特別是免疫系統比較差幼兒和老人的，這時就需要一款方便快捷的測量工具。

關鍵詞：單片機;溫度傳感器;多功能;便攜式

中圖分類號：TP391? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）16-0232-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Heart Rate and Temperature Meter Based on Single Chip Microcomputer

JIANG Ming， LI Yi-ning， MIAO Zi-min， LV Dong-yan， ZHOU Hui

（College of Information Science and Technology， Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， China）

Abstract： some potential viruses can cause fever， arrhythmia， if not detected in time will bring very serious consequences， such as the current symptoms caused by the new coronavirus is fever and breathing difficulties， then the need for the heart rate and temperature meter， not only can facilitate the detection of body temperature， but also can effectively monitor whether the heart rate is normal.And young children and the elderly have poor immune systems， which requires a quick and easy measurement tool.

Key words： SCM; Temperature sensor; Multi-function; portable

測量體溫和心率是生活中常用的醫學監測手段，傳統的水銀溫度計和聽診器存在測量時間較長，數據讀取不方便，數據測量不準確，玻璃溫度計易破損等缺點，容易造成測量人員的傷害。

如今隨著人們日常生活質量水平的提高，及二胎政策的開放，人口逐步老齡化，日益發展的電子信息技術在家用醫療保健中得到更加廣泛應用，隨著國家越來越重視醫療健康技術水平的發展，此時人們就需要一款便捷測量心率和體溫的系統。設計心率體溫測量計可以快速方便的檢測體溫和心率，預防疾病，監測兒童和老人的健康狀況。

1 系統總體設計

1.1 系統設計流程

本次設計使用單片機MCS-51作為控制核心來實現基本的測量功能，此單片機的優點在于控制簡單且比較實用，性價比較高[1]。該系統的功能在于主控制器、收集心率、檢測體溫，采用AT89C51單片機能夠及時、高效的監測心率、體溫并顯示其數據。圖1系統模型框圖。首先心率被MPX2100壓阻傳感器收集，然后由電壓比較器轉換為頻率信號，最終發送給單片機進行處理和顯示。二進制碼形式串行在DS18B20溫度傳感器被運用，目的在于將收集的溫度信號送到單片機處理并顯示。

2 系統硬件設計

2.1 AT89C51 單片機主控電路

單片機是系統的重心，時鐘器外部連接振蕩電路（12MHz），復位鍵為S，構成如圖2。測溫傳感器接于P3.7，超聲波接收電路連于P3.4。硬件電路分為：時鐘、復位、溫度、心率檢測、顯示和異常報警電路。

2.2 心率監測模塊

心率的監測是該系統進行設計較重要的一部分，其硬件的設計也較為豐富復雜。心率測量使用壓式傳感器，該傳感器優勢為：（1）電橋由4個等值電阻構成;（2）先進的半導體電子技術微細加工;（3）具有很好的溫度補償、線性度功能;（4）輸出電壓和所加壓力形成正比關系[1]。測量過程為：（1）將傳感器貼在體表;（2）采集心率信號;（3）由比較器將收集信號轉換成脈沖信號;（4）送到單片機P3.4口;（5）單片機脈沖計數（次/10s），測得心率值。另設有心跳指示燈，LED指示燈隨心跳的次數而閃爍，電路如圖3所示。誤差分析：原因有：（1）環境溫度較低時，導致傳感器產生誤差（溫度范圍0～85C）。（2）操作不規范。（比較器由LM324集成運放器構成）

2.3 體溫檢測模塊

熱敏電阻器測溫時是利用電阻值的溫度依賴性的，溫度傳感電路將傳感器產生的點阻值與溫度變化轉換為電壓變化，形成電路。 半導體熱敏電阻器可分為兩類，一類是正溫度系數型，另一類是負溫度系數型，它隨溫度的升高而減小[3]。熱敏電阻器的進行具有高電阻率和高溫度影響系數，但它們可以是非線性的，排列產生不良和穩定性差。 它們通常只適用于低溫測量。本次心率體溫測量系統設計采用DS18B20對人體體溫進行實時檢測，并將結果顯示在1602LCD顯示屏上，溫度測量范圍為-55C～+125C，可用來編程的分辨率為9～ 12位[4]，與其相對應的可分辨溫度分別為0.5C、0.25C、0.125 C和0.0625C，可實現高精度的溫度測量。

2.4 顯示電路設計

顯示電路模塊采用LM016L液晶模塊，模塊內部帶有控制器，接口為數字式接口，顯示質量高，并且還具備字符閃爍、移動等功能[5]。與單片機通信有兩種傳輸方式：8位、4位并行傳輸， 引腳連接為D0～D7與單片機P1.0～1.7。

2.5 報警電路設計

報警電路由二極管、電阻組成，如需報警，LED會發光，報警時間可以通過寫程序控制，報警電路與單片機P2.0口相連（圖6）。

3 系統軟件設計

系統程序組成為：主程序、測溫程序、心率測量程序和顯示模塊。當系統設計開始執行時，系統和LCD會被初始化，初始化的過程主要是集單片機的每個部分的工作狀態，然后就可以開始測量體溫和心率，通過 lm016l 顯示器輸出并顯示，當體溫、心率超過自己一定時間限度時，報警信息系統會做出提示。過程中所使用的DS18B20溫度傳感器與AT89C51的P3.7口串接，測溫程序過程中，時序讀寫為重，否則結果會異常[2]。心率信號被壓式傳感器送到單片機的P3.4口完成中斷，將存儲計數值設置為零后，初始化計時器，然后確定計數是否達到10秒，如果不是10秒鐘則繼續計數，否則10秒鐘停止計數，讀取計數值，然后我們再開始重新循環。

4 結論

本設計心率計溫功能穩定、使用方便，應用廣泛，具有實際意義。綜合了很多問題，調試過程中一些數據不穩定。 心率檢測分析數據受外部環境的影響，實驗教學條件有限，數據主要分布趨于均勻，偶爾有一些異常數據，心率數據是一種異常現象，可能是外部環境的影響，也可能是一個系統設計軟件不穩定，但大部分數據區域是可以通過理解的。起初體溫數據呈上升趨勢，然后逐漸穩定，可能是因為傳感器一開始不適應環境溫度，然后人體體溫慢慢傳到傳感器，溫度開始逐漸升高，最后穩定，數據基本在人體體溫正常測量范圍內波動。

通過本項目的整個設計過程，我們了解了理論與實踐的差距，對項目具體的設計與調試過程有了更進一步的了解。此次的設計研究結果也達到了預想的目的，也為以后需要我們可以在其他設計中熟練使用相應的軟件提供了基礎。

參考文獻：

[1]? 陳圣林，侯成晶.圖解傳感器技術及應用電路（第一版）[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2] 劉文，楊欣，張鎧麟.基于AT89C2051單片機的指脈檢測系統的研究[J].醫療裝備，2005，18（9）：9-11.

[3] 李金義，杜振輝，齊汝賓，等.利用熱敏電阻精確測量DFB激光器動態結溫度[J].儀器儀表學報，2012，33（9）：2088-2093.

[4] 歐陽俊，謝定，李曉春，等.基于BL-410的指端脈搏波采集系統應用研究[J].實用預防醫學，2004，11（2）：385-386.

[5] 張靖武，周靈彬.單片機系統的PROTEUS設計與仿真[M].北京：電子工業出版社，2007.

【通聯編輯：梁書】