呼吸監測系統的研究

余 庚

(福建工程學院 國脈信息學院，福州 350014；福州理工學院 工學院, 福州 350506)

呼吸監測系統的研究

余 庚

(福建工程學院 國脈信息學院，福州 350014；福州理工學院 工學院, 福州 350506)

采用AT89C52單片機作為核心控制模塊，經過A/D處理技術將呼吸模擬信號轉換為數字信號，并通過DS1302時鐘的計數、AT24C02的EEPROM存儲設備將信息讀取到LCD12864液晶顯示器上。該系統用于監測、記錄人體呼吸不良時的血氧飽和度參數值，并在不良時給予警報處理。此外，通過RS232進行串口通信將記錄的數據傳輸到上位機(即PC機)達到遠程監測的目的。

A/D；AT89C52；監測；顯示

0 引言

醫療過程中，醫護人員要經常測量病人的體溫、呼吸狀況等，以便能夠及時了解病人的身體狀況，對病人的病情做出相應的判斷，為主治醫生制定治療方案提供一定的參考。目前，醫院里基本采用人工定時測量的方式，護士定時檢查全病區每個病人的呼吸狀況，然后記錄、繪制呼吸變化曲線等。此項工作不僅耗費大量的人力資源，而且無法在病人出現突發的特殊情況時得到及時的反饋，從而可能會造成治療時間的延誤。基于此，在向醫學研究人員了解呼吸記錄儀原理的基礎上提出一種以模擬血氧飽和度值變化來實現睡眠狀態下呼吸數據實時監控與報警的研究。所設計的呼吸監測系統以AT89C52單片機為控制系統，結合外圍模擬量(血氧飽和度值)進行A/D轉換后在DS1302時鐘上進行實時數據讀取，LCD12864液晶顯示器等模塊來實現對模擬的血氧飽和度值進行檢測和記錄，最終實現患者在睡眠時呼吸狀態的智能[1]監測。

1 系統方案設計

圖1 呼吸監測系統框圖

呼吸監測系統可以對人體的呼吸參數(血氧飽和度)進行檢測和記錄，根據設定的閾值參數自動報警。首先，通過調節可變電阻阻值大小，模擬獲取變化的血氧飽和度值作為外在檢測到的輸入量。采用ADC0832高精度A/D轉換器構成的電路[2]對獲取的模擬呼吸信號進行模數轉換。再以AT89C52構成的單片機最小系統為核心，通過軟件控制實現時鐘的計數、存儲、參數的記錄和液晶實時顯示。如要具備自動警報的功能僅需設置報警閾值即可。系統架構如下圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 按鍵設計

本系統共設有5個按鍵，分別為設置、加、減、歷史上一頁和歷史下一頁記錄。這5個按鍵除前三個用于時鐘的設置外，第四個與第五個是用于對已經測試記錄的數據進行時間顯示和血氧飽和度值的查詢使用。按鍵處理流程如圖2所示。

圖2 按鍵處理流程圖

2.2 數據的采集和存儲設計

通過ADC0832模數轉換芯片對血氧飽和度模擬值進行實時的采集，并將采集時間與數值記錄在EEPROM(AT24C02存儲芯片)中供醫護人員查詢。由于血氧飽和度模擬的輸入量是電壓型模擬量，需采用ADC0832模數轉換器進行轉換后產生8比特的數據量。采集數據只需能夠反映人體呼吸時血氧飽和度異常即可，故通過可變電阻模擬血氧飽和度值的輸入量。監測系統數據采集的電路設計如下圖3所示。

圖3 數據采集存儲電路

2.3 數據通信設計

設計中下位機即以AT89C52為核心的單片機最小系統接收上位機，即PC發送的時序命令后根據此命令解釋成相應時序信號直接控制[3]相應設備。下位機不時讀取設備狀態數據(血氧飽和度值的模擬信號)轉化成數字信號反饋給上位機。硬件電路設計部分在這兩者之間是通過RS232 與MAX232[4]電平轉換電路進行串口通信，MAX232將TTL電平轉化為RS232信號進行傳輸，每采集一次模數轉換的信號就上傳輸一次，從而做到上位機數據監控的實時性。

圖4 主程序流程圖

3 系統軟件設計

3.1 主程序設計

整個監測系統的運行流程如下圖4所示。

3.2 EEPROM設計

EEPROM內的數據存儲格式設計為前三個字節依次是時間的時分秒，后一個字節為瞬間血氧飽和度數值。其中，在設計中每存完一組數據EEPROM地址+16，以保證地址不會被覆蓋改寫，以此保證系統在掉電之后對任意正確讀取記錄的數據進行保存，上電后不丟失。

3.3 A/D轉換設計

模數轉換模塊選用ADC0832(8位分辨)A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級，可適應一般的模擬量轉換, 使用ADC0832進行設計時，僅需要將8位數字輸出與濃度建立函數關系即可進行血氧飽和度測量。在程序設計這方面不但可以滿足設計的要求，還可以節省一半的存儲空間。A/D轉換的流程圖如圖5所示。

圖5 A/D轉換流程圖

4 系統調試

在Proteus ISIS環境下直接加載在keil C中生成的*．hex文件進行仿真[5]。調節RV2的電阻值大小，當液晶顯示的血氧飽和度值lt;100時,說明測試呼吸正常；液晶顯示的血氧飽和度值≥100時，說明測試呼吸不正常報警器發出警報。整機系統仿真結果如圖6所示。經實物測試按鍵模塊所設計的減少、增加、歷史上一頁、歷史下一頁鍵也均能實現液晶顯示、記錄、查詢功能。通過上述仿真驗證了本次設計的呼吸監測系統的可靠性與準確性。

圖6 系統運行仿真圖

5 結語

本次研究提出了一種由按鍵、顯示、采集、復位等模塊構成的基于AT89C52呼吸檢測系統。為使系統具有一定的應用意義，增加了上/下位機之間RS232、MAX232串口數據通信的設計。所研究的呼吸監測系統經軟硬件調試并仿真驗證了設計的合理性。該設計可為醫療系統提供一定的參考價值。

[1] 沈紅衛.基于單片機的智能系統設計與實驗[M].北京：電子工業出版社，2005.

[2] 元紅妍,張鑫.電子綜合設計實驗教程[M].濟南：山東大學出版社，2015.

[3] 李美菊.基于單片機的直流電機變速控制系統設計[J].電子技術與軟件工程，2015(12)：260-263.

[4] 紀宗南.單片機外圍器件實用手冊[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014.

[5] 周潤景,張麗娜.PROTEUS的電路及單片機系統設計與仿真[M].北京:北京航空大學出版社,2013.

責任編輯：程艷艷

ResearchonImplementationofRespiratoryMonitoringSystem

YU Geng

(Guomai Information College, Fujian University of Technology, Fuzhou 350014, China； Fuzhou Institute of Technology, Fuzhou 350506, China)

The design of respiratory monitoring system, by using AT89C52 microcontroller as the core control module, transfers breathe analog signal into digital signal through A/D processing technology, and displays information on LCD12864 monitor by counting of DS1302 clock and EEPROM storage device of AT24C02. The system is used to monitor and record oxygen saturation parameters of human respiratory, then to give the alarm processing in bad condition. In addition, it transfers the recorded data to the host computer (PC machine) through RS232 serial communication, so as to achieve the purpose of remote monitoring.

A/D; AT89C52; monitoring; display

2017-03-20

福建省教育廳科技項目(JAT160623)

余庚(1983-)，男，福建福州人，講師，碩士， 主要從事通信工程方面研究。

TP211

A

1009-3907(2017)10-0010-04