家庭監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)與研究

一、引言

現(xiàn)代人由于飲食不規(guī)律、工作壓力大、營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)不合理等原因，很容易不知不覺中患上一些慢性疾病，如高血壓、冠心病、心率失調(diào)等，這些疾病如果不能及早發(fā)現(xiàn)，天長(zhǎng)日久將造成非常嚴(yán)重的后果。而血壓、心率、體溫則是監(jiān)控這類慢性疾病滋生的重要參數(shù)。但是，由于公共醫(yī)療資源有限，絕大部分群眾并沒有條件經(jīng)常去醫(yī)院進(jìn)行體檢，對(duì)自己身體狀況的把握僅能依靠簡(jiǎn)單的自身估計(jì)和觀察，常常忽視了身體狀況惡化的情況。

傳統(tǒng)上使用臺(tái)式水銀血壓計(jì)量血壓，但是臺(tái)式水銀血壓計(jì)存在體積大、放置不方便、易打碎、操作繁瑣等問題，一般家庭根本不會(huì)使用;傳統(tǒng)上使用水銀體溫計(jì)量體溫，水銀體溫計(jì)存在易斷易碎、測(cè)溫時(shí)間長(zhǎng)（5～10分鐘）、讀數(shù)不方便等問題，目前也逐漸面臨被淘汰。并且，家庭使用含有水銀的血壓計(jì)、體溫計(jì)，容易產(chǎn)生水銀泄漏，從而造成環(huán)境污染和人身安全等嚴(yán)重問題。

在非接觸式電子體溫計(jì)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外都以采用紅外感應(yīng)測(cè)溫技術(shù)為主。博朗、歐姆龍等公司相繼開發(fā)出精度小于0.2℃、測(cè)量時(shí)間小于2秒的電子紅外體溫計(jì)，但都是基于某一特定功能測(cè)量?jī)x器，而能夠集測(cè)量血壓、體溫和脈搏等功能為一體的家庭用多功能智能型生理體征測(cè)量?jī)x在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上還極為少見，筆者通過市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前該類型產(chǎn)品國(guó)內(nèi)市場(chǎng)認(rèn)為空白。

因此，非常有必要研制一款能夠滿足大部分人居家進(jìn)行簡(jiǎn)單體檢的智能型家庭監(jiān)護(hù)儀，該儀器應(yīng)能夠較為準(zhǔn)確地檢測(cè)出人體的血壓值、脈搏次數(shù)和體溫值，并能對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行基本的判斷，且滿足成本低、攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、顯示清晰等要求，適合老人、病患等各類人群的使用。

二、總體方案

相對(duì)于較為普遍的工業(yè)信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)，人體生理體征參數(shù)的監(jiān)測(cè)有其特殊性，主要體現(xiàn)在被測(cè)對(duì)象身體情況差異較大、被測(cè)生理信息規(guī)律一致性不高、人體內(nèi)部其它生物信息復(fù)雜多樣等。本文的主要研究目標(biāo)是研制一款能夠滿足大部分人居家進(jìn)行簡(jiǎn)單體檢的智能型家庭監(jiān)護(hù)儀，該儀器應(yīng)能夠較為準(zhǔn)確地檢測(cè)出人體的血壓值、脈搏次數(shù)和體溫值，并能對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行基本的判斷，且滿足成本低、攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、顯示清晰等要求，適合老人、病患等各類人群的使用。本系統(tǒng)主要由測(cè)學(xué)壓、測(cè)體溫、測(cè)心率等三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能模塊構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)包括中央處理器系統(tǒng)、信號(hào)采集及處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析及顯示系統(tǒng)等子系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。

圖2-1 系統(tǒng)框圖

檢測(cè)流程是：在開機(jī)狀態(tài)下，用戶按鍵選擇檢測(cè)項(xiàng)目，開啟相應(yīng)通道的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，被測(cè)信號(hào)經(jīng)過硬件濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字測(cè)試結(jié)果在中央處理器中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，所得測(cè)試結(jié)果在屏幕上進(jìn)行顯示，如果所測(cè)結(jié)果超出正常值范圍，將會(huì)有聲光報(bào)警進(jìn)行提示。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多功能家庭監(jiān)護(hù)儀采用"前端信號(hào)采集+中央處理器+人機(jī)界面"的基本設(shè)計(jì)形式。前端各個(gè)傳感器以及相對(duì)應(yīng)的信號(hào)濾波、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道分別完成對(duì)人體血壓、體溫、心率等參數(shù)值進(jìn)行采集處理，獲得處理器能夠識(shí)別并可作進(jìn)一步分析處理的數(shù)字信號(hào)。

為了最大限度降低產(chǎn)品成本，本設(shè)計(jì)擬采用Atmel公司89C51單片機(jī)作為中央處理器，89C51單片機(jī)只有32個(gè)用戶可用的I/O口，為解決I/O數(shù)量不足的問題，本設(shè)計(jì)采用1片8通道A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809進(jìn)行測(cè)血壓和測(cè)體溫兩個(gè)模塊共4路數(shù)據(jù)通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換工作，其中測(cè)血壓模塊需要分別對(duì)脈搏波幅值和袖帶氣壓值兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，測(cè)體溫模塊需要分別對(duì)熱電堆輸出電壓和熱敏電阻輸出電壓兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

為提高產(chǎn)品性價(jià)比，本設(shè)計(jì)采用1602液晶屏顯示測(cè)試過程中必要的提示信息。考慮到多功能家庭監(jiān)護(hù)儀的用戶對(duì)象多為老年人及行動(dòng)不便的患者，所以儀器面板上采用機(jī)械式按鍵設(shè)計(jì)，且按鍵設(shè)置盡量簡(jiǎn)單直觀，力圖使普通用戶可以不需要閱讀說(shuō)明書，僅按照儀器面板上的簡(jiǎn)單文字提示即可順利進(jìn)行所有操作。擬設(shè)置3個(gè)按鍵，第1個(gè)按鍵為船型開關(guān)鍵，兩個(gè)狀態(tài)分別表示儀器處于"開啟"、"關(guān)閉"狀態(tài);第2個(gè)按鍵為無(wú)鎖輕觸開關(guān)，用以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作;第3個(gè)按鍵為無(wú)鎖按鍵開關(guān)，用以切換啟動(dòng)測(cè)血壓、測(cè)體溫、測(cè)脈搏等三個(gè)測(cè)試流程。面板上還有4個(gè)綠色的LED燈，分別用以指示"系統(tǒng)開電"、"測(cè)血壓中"、"測(cè)體溫中"、"測(cè)心率中"等4個(gè)狀態(tài)。另外當(dāng)測(cè)試結(jié)果超出正常值范圍時(shí)，面板上會(huì)有一組由1個(gè)紅色LED燈和1個(gè)蜂鳴器構(gòu)成的聲光報(bào)警器持續(xù)發(fā)出10秒鐘報(bào)警信息。

綜上所述，多功能家庭監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)方案如圖3-1所示。

四、程序設(shè)計(jì)

基于AT89C51單片機(jī)的多功能監(jiān)護(hù)儀的工作流程是：系統(tǒng)在開電后處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)無(wú)鎖按鍵開關(guān)S3（功能選擇鍵）被按1下則進(jìn)入測(cè)血壓流程，若被連續(xù)快速地按2下則進(jìn)入測(cè)體溫流程，若被連續(xù)快速地按3下則進(jìn)入測(cè)心率流程。當(dāng)在進(jìn)行某項(xiàng)測(cè)試流程時(shí)終止或需要切換到其他測(cè)試流程，則需先按復(fù)位鍵S2，回到待機(jī)狀態(tài)，再重復(fù)功能選擇操作。如果在進(jìn)行功能選擇操作的過程中連續(xù)快速地按S3鍵4下及以上次，則被視作無(wú)效操作。

本設(shè)計(jì)的主程序部分主要實(shí)現(xiàn)初始化工作，并實(shí)現(xiàn)上述S3功能鍵進(jìn)行的測(cè)試流程選擇工作。具體的分項(xiàng)測(cè)試功能將在相應(yīng)測(cè)試子程序模塊中實(shí)現(xiàn)。主程序部分的流程圖如圖4-1所示。

圖中Kn為按鍵次數(shù)的計(jì)數(shù)值，初始值為0，每有效地按下1次，Kn加1，當(dāng)Kn累加到4次時(shí)，程序跳轉(zhuǎn)至初始化狀態(tài)。根據(jù)對(duì)Kn值進(jìn)行判別，可以跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的功能測(cè)試模塊子程序。

圖中S3是功能選擇按鍵，本設(shè)計(jì)對(duì)按鍵的判斷采用的是查詢的方式，因?yàn)橹鞒绦蛑袥]有其它進(jìn)程，所以單片機(jī)可以用不斷查詢的方式判斷按鍵的狀態(tài)，從而減少占用外部中斷資源。

五、結(jié)論

本文主要研究了基于AT89C51單片機(jī)的家庭用多功能監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)和開發(fā)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視健康，家庭用多功能監(jiān)護(hù)儀正能迎合人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的對(duì)健康的要求。通過開展對(duì)監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)的深入研究，開發(fā)性價(jià)比更高、使用更方便的家庭用多功能監(jiān)護(hù)儀，具有十分重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。

作者簡(jiǎn)介：

李博，男，1980年10月出生，浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣分院教師，主要研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)與智能化系統(tǒng)工程，籍貫江西。