便攜式生命體征動態(tài)監(jiān)測儀設(shè)計

趙文麗

（河南省輕工業(yè)職工大學(xué) 機電工程系，河南 鄭州 450002）

生命體征監(jiān)測儀是醫(yī)院不可缺少的重要設(shè)備，它實時、連續(xù)、長時間地監(jiān)測病人的重要醫(yī)學(xué)生理參數(shù)，并將獲得的數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)護人員，以供醫(yī)護人員進行分析，使得醫(yī)護人員能夠?qū)Σ∪水?dāng)前的狀態(tài)做出正確判斷，從而做出正確的處理。便攜式生命體征監(jiān)測儀采用隨身式設(shè)計，小型輕便，能實時地進行人體多生理參數(shù)的監(jiān)護，最適合于野外及家中，并可用于普通醫(yī)院作為個人生命參數(shù)監(jiān)護設(shè)備。

本文將該設(shè)計劃分為若干個模塊，分塊實現(xiàn)各生理參數(shù)的測量及處理。選用不同的傳感器對各生理參數(shù)進行采集，以單片機為控制核心，編程實現(xiàn)對輸入信號的處理和輸出信號的控制。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本設(shè)計以AVR單片機ATmega16為控制核心，通過溫度傳感器、硅光電池、壓力傳感器、加速度傳感器獲得人體溫度、脈搏、血壓及跑步者的步數(shù)情況，再由單片機實時計算測量值并將結(jié)果送至液晶顯示器顯示，當(dāng)測量值超過設(shè)定的閾值時，觸發(fā)聲音報警。系統(tǒng)設(shè)有鍵盤、人工復(fù)位電路。

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件采用模塊化設(shè)計方法，由主程序及參數(shù)測量、液晶顯示、和鍵盤處理等若干子程序組成。系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示，系統(tǒng)上電后首先初始化，然后進行各參數(shù)的測定、判斷超量報警及顯示等操作。

2 各模塊設(shè)計

2.1 溫度檢測模塊

采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其優(yōu)點是提供12位溫度讀數(shù)，從單片機到DSl8B20僅需一條數(shù)據(jù)線。DSl8B20的測量范圍從-55℃到+125℃，增量值為0.5℃，可在1 s內(nèi)把溫度變換成數(shù)字[1]。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.2 The system main flowchart

完成溫度轉(zhuǎn)換經(jīng)過3個步驟：1）每一次讀寫之前都要對DS18B20進行初始化操作；2）初始化成功后發(fā)跳過ROM指令；3）最后發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換RAM指令。這樣等轉(zhuǎn)換完成后將所測溫度值送入緩沖區(qū)以供LCD顯示，若溫度值超過預(yù)設(shè)閾值，則觸發(fā)報警提示。

2.2 脈搏檢測模塊

利用指套式光電傳感器，換能元件采用硅光電池，由于心臟的跳動，引起手指尖的微血管的體積發(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)光通過手指尖射到硅光電池上時，產(chǎn)生光電效應(yīng)，兩極之間產(chǎn)生電壓由于指尖的微血管內(nèi)的血液隨著心臟的跳動發(fā)生相應(yīng)于脈搏的容積變化，因而使光透過指尖射到硅光電池時也發(fā)生相應(yīng)的強度變化，這樣就把人體的脈搏轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號[2-3]。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 透射式光電傳感器Fig.3 The transmission type photoelectric sensor

光電脈搏檢測電路共分為5個部分，由光發(fā)射電路、光電轉(zhuǎn)換電路、一級放大電路、二階低通放大電路和波形整形電路等五部分組成，整體電路如圖4所示。

光發(fā)射電路采用了常見恒流源電路，通過穩(wěn)壓管保證流過LED的電流為恒定值。光電轉(zhuǎn)換電路采用硅光電池，將光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。一級放大電路對微弱信號進行放大，放大約20倍，為了不影響有用信號又能濾掉50 Hz干擾，將頻率截止到31 Hz。按人體脈搏最高跳動次數(shù)240次/min計算，根據(jù)歸一化法設(shè)計低通放大器，理想放大倍數(shù)為-22.7倍。高頻轉(zhuǎn)折頻率為14 Hz，低頻特性滿足條件，不影響有用信號。波形整形電路是一個電壓比較器，該比較器的閥值電壓可調(diào)節(jié)在脈搏波的幅值范圍內(nèi)。最終得到的信號為方波形式，送入單片機定時/計數(shù)器中計數(shù)，從而計算出脈搏數(shù)。

2.3 血壓檢測模塊

本設(shè)計中的血壓測量采用示波法。由于心搏的血液動力學(xué)作用，在氣袖壓力上將重疊于心搏同步的壓力波動，即脈搏波。示波法血壓測量就是根據(jù)脈搏波振幅與氣袖壓力之間的關(guān)系來估計血壓的。與脈搏波最大值對應(yīng)的是平均壓，收縮壓和舒張壓分別以對應(yīng)脈搏波最大振幅的比例來確定[4]。

該模塊要完成信號的采集、處理和顯示等功能，最主要的部分是傳感器電路。

1）傳感器電路

圖4 光電脈搏檢測電路Fig.4 Detection circuit of photoelectric pulse

傳感器電路主要包括傳感器、放大電路部分和帶通濾波電路[5-6]，其電路原理圖如圖5所示。袖套通過氣管連接到壓力傳感器MPX2050上，MPX2050將壓力線性地轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號。模擬信號通過儀用放大器AD620進行第一級放大，放大后的模擬電壓信號通過電容將直流參量和交流分離。直流參量連接到ATmega16的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道ADC3口上，其測量的是袖套中的平均壓力；交流參量通過OPA2277組成的帶通濾波電路。交流參量得到足夠大的放大增益并且有效減小噪聲干擾。放大后的交流信號再接入一個交流耦合電路。經(jīng)過處理的信號連接到ATmega16的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道ADC2口上，用于測量脈搏波的振幅。

圖5 傳感器電路Fig.5 The sensor circuit

2）血壓檢測軟件設(shè)計

血壓測量控制按鍵按下后，啟動血壓測量過程，袖袋開始充氣。在袖袋充氣過程中，如果用戶感到不舒服或者有強烈的疼痛感，則可以再次按下血壓測控按鍵停止氣泵，袖袋快速放氣，從而結(jié)束測量。這主要是為了確保用戶在使用設(shè)備時的安全。如果袖袋充氣過程正常，則袖袋內(nèi)的壓力將持續(xù)增加，直至160 mmHg。達到160 mmHg后，氣泵將停止，袖袋內(nèi)的氣體將慢慢被放出。在此過程中，用戶也可以按下血壓測控按鍵，放棄本次測量。一旦單片機檢測到舒張壓和收縮壓后，將打開氣閥，使袖袋全部放氣，完成一次測量過程，并將結(jié)果送緩沖區(qū)，以便在LCD上進行顯示，若測量值超過預(yù)設(shè)閾值，則觸發(fā)報警提示。

2.4 計步器模塊

要實現(xiàn)檢測步數(shù)首先要對人走路的姿態(tài)有一定了解。人體行走時腰部有上下的垂直運動，每步開始時會有一個比較大的加速度，利用對加速度的峰值檢測可以得到行走的步數(shù)[7]。人體行走時腰部垂直加速度曲線中有多少個峰值，即代表行走了多少步。

1）加速度傳感器

根據(jù)資料顯示，人行走的垂直加速度在±1g之間（1g為9.8 m/s即重力加速度），考慮到還有重力加速度的影響，可選擇測量范圍在±2g之間的加速度傳感器ADXL202來實現(xiàn)計步器。ADXL202輸出如圖6所示占空比（T1/T2）與加速度成一定比例的數(shù)字信號，因此信號可以直接用單片機的計數(shù)器來測量，無需AD轉(zhuǎn)換電路或是其他特殊電路。

圖6 ADXL202輸出波形Fig.6 The output waveform of ADXL202

T1的測量可利用單片機的中斷和計數(shù)器來實現(xiàn)，峰值的檢測通過門限判斷實現(xiàn)。選擇2個門限A和B，當(dāng)數(shù)據(jù)大于門限B并且接下來變化小于門限A時判為一步，這樣可以有效地排除干擾影響。將判斷結(jié)果通過單片機計數(shù)即得跑步步數(shù)，再乘以步長，即可得到行走距離和速度。

利用人體能量消耗量與某些生理指標(biāo)之間的相關(guān)性，建立數(shù)學(xué)模型得到預(yù)測公式，即可預(yù)測能量消耗量。系統(tǒng)根據(jù)性別、體重、身高、年齡等生理指標(biāo)，采用Harris-Benedict預(yù)測公式計算能量損耗[8]，計算方程如式（1）所示。

式中：BEE——基礎(chǔ)能量消耗，J；W——體重，kg；H——身高，cm；A——年齡，歲；

2）計步器軟件

計步器測量控制按鍵按下后開始測量步數(shù)，由傳感器將信號送入單片機進行計算并利用雙門限判斷峰值，計數(shù)得到所測步數(shù)，測控按鍵再次按下時，將兩時間點之間所測得的步數(shù)送至緩沖區(qū)，以供LCD顯示。

2.5 外圍電路

液晶顯示模塊采用點陣字符液晶顯示模塊HD44780，CVAVR中對這種模塊提供了一些基本的LCD應(yīng)用接口函數(shù)，調(diào)用簡單方便。鍵盤模塊共有3個按鍵，其中S1為復(fù)位按鍵，S2為血壓測量控制按鍵，S3為計步器控制按鍵。報警模塊采用蜂鳴器，當(dāng)所測生理參數(shù)超過預(yù)先設(shè)定的閾值時，啟動報警程序，蜂鳴器發(fā)聲報警。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計的基于單片機的便攜式生命體征檢測儀采用模塊化設(shè)計，共分為溫度檢測、脈搏檢測、血壓檢測和計步器等四個模塊，各模塊所測生理參數(shù)送至單片機后進行信號的處理、顯示與報警提示等。該系統(tǒng)可實時監(jiān)測運動者的體溫、血壓變化、脈搏跳動情況，記錄跑步者的步數(shù)等。采用人機對話、語音提示等方式實現(xiàn)液晶顯示、報警提示等功能。具備操作簡單、功耗低、人性化及方便攜帶等特點。

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