基于復合傳感器的人體健康監測系統設計*

丁青鋒， 王麗姚

(華東交通大學 電氣與自動化工程學院，江西 南昌 330013)

0 引 言

生活節奏加快，生活和工作壓力加大，導致人們健康多處于亞健康狀態，且在健康意識日益深入的情勢下，通過方便快捷的方式獲取人體生理狀況成為迫切需求。血壓、脈搏和體溫是人體非常關鍵的生理指標，在臨床上通常作為檢查疾病與判斷醫療成效的重要依據[1,2]。

血壓、脈搏和體溫的傳統測量方式需要人手動操作的環節較多，且存在測量耗時長效率低的問題。為此，本文設計利用單片機控制傳感器測量生理指標，代替了在傳統測量過程中需要手動操作的環節，同時可避免測量結果受主觀因素影響。系統設計選擇使用傳感器簡單，整體系統具有硬件設計制作簡單易實現，成本低廉，功耗低，操作簡便等優點[3]。

1 血壓檢測原理

示波法又稱測振法，采用充氣袖帶來阻斷動脈血流，由于動脈血流的脈動，在放氣過程中通過壓力傳感器檢測袖帶內動脈血流產生的氣壓振蕩波[4]。示波法測量血壓需要找到脈搏波振幅最大值AM，其最大值對應于脈搏波平均值[5]。收縮壓和舒張壓分別由對應脈搏波最大振幅AM比例確定[6]，記第一個脈搏波振幅大于0.5AM時的血壓值為收縮壓；記最后一個脈搏振幅大于0.8AM時的血壓值為舒張壓。

2 系統總體設計

基于單片機控制的人體健康監測系統設計以單片機為核心，其功能為監測人體體溫、脈搏和血壓生理特征。硬件系統總體設計圖如圖1所示。

圖1 硬件系統總體設計

3 硬件組成模塊

3.1 單片機控制模塊

單片機控制模塊硬件組成包括單片機、晶振電路和復位電路。單片機控制模塊電路圖如圖2，本文系統選用價格較低且性能強大的STC89C52單片機。

圖2 單片機控制模塊電路

STC89C52單片機共有40個引腳，系統設計用到的引腳及功能如下：1)40引腳連接+5 V電源VCC輸入端，為單片機工作提供電源；20引腳接地。2)19引腳和18引腳連接外部晶振，為使系統運行速度較快，系統選用24 MHz外部晶振。3)9引腳是單片機的復位信號端，系統采用按鍵復位。4)P0口為8位雙向I/O口，連接上拉電阻與液晶屏連接。5)P1口、P2口、P3口為準雙向輸入輸出端口，用作外部設備與單片機之間的信號傳遞，例如系統使用引腳P2.0控制電磁閥釋放袖帶內的空氣，使用引腳P2.1控制氣泵向袖帶充氣。

3.2 血壓脈搏測量模塊

血壓脈搏測量模塊主要是由Sensor101電容式壓力傳感器、74HC02芯片和充放氣裝置構成，Sensor101傳感器和74HC02芯片完成對血壓和脈搏的測量任務，電路圖如圖3所示。Sensor101電容式壓力傳感器在電路中相當于一個可變電容。Sensor101傳感器輸出的信號為數字信號，不需要經過A/D轉換，電路圖設計簡單。74HC02芯片實現4路2輸入或非門功能。

圖3 傳感器電路

Sensor101傳感器輸出的頻率值與所受的壓力值呈反比例關系，即當受到的壓力變大時，極板間距離變小，電容值變大，輸出的頻率值變小；反之，輸出的頻率值將增大。Sensor101傳感器輸出特性如表1所示。單片機可使用內部定時器進行同步計數得到壓力傳感器輸入的頻率值[7,8]。

表1 Sensor101傳感器輸出特性

血壓脈搏測量過程首先需要對袖帶進行充氣操作，測量結束后，需要進行放氣，袖帶充氣需要用到氣泵，充氣電路圖如圖4(a)所示，放氣需要使用電磁閥，電磁閥電路圖如圖4(b)所示。

圖4 充/放氣電路

3.3 體溫測量模塊

為了簡化電路，減低復雜度，系統設計采用接觸式測量方式[9]，選用較為簡單的DS18B20溫度傳感器來監測人體體溫。

本系統設計中DS18B20溫度傳感器選用電源供電方式，即傳感器的VDD引腳與電源相連，GNG接地。DS18B20溫度傳感器測量得到的溫度值通過單片機P 3.7口傳送給單片機控制模塊。

3.4 報警顯示模塊

由于設計中需要顯示的字符較多，因此選用LCD1602液晶顯示器。單片機將顯示指令和顯示內容通過P0口傳輸給液晶顯示器。

當系統測得的血壓、脈搏、體溫超出正常范圍時，蜂鳴器發出報警聲音，提示被測者生理指標異常。當測得到的生理指標超出正常范圍時，單片機端口P1.3輸出低電平時，三極管導通，蜂鳴器發出聲音；端口P1.3輸出高電平時，三極管截止，蜂鳴器不發聲。程序中改變單片機P1.3引腳輸出波形的頻率，可以調整控制蜂鳴器音調，產生各種不同音色、音調的聲音，用于提示不同生理指標異常。

3.5 電源模塊

本系統設計中，充氣泵電路和電磁閥電路需要使用+6 V電源，單片機、液晶屏、溫度傳感器等需要使用+5 V電源。為方便實用，系統設計使用AMS1117—5低壓差穩壓器設計穩壓電路，輸出+5 V直流電源，穩壓電路如圖5所示。

圖5 穩壓電路

4 軟件設計

系統設計使用C語言進行軟件設計。系統使用前進行初始操作，系統設置按鍵用于選擇體溫測量功能、血壓脈搏測量功能，選擇使用血壓脈搏測量功能前需要提前佩戴好袖帶。測量功能選擇完畢后，由單片機控制進行測量、顯示等過程，血壓脈搏測量流程圖如圖6所示。

圖6 血壓脈搏測量流程圖

血壓脈搏測量過程可分為以下3個階段：

第一階段為測量準備階段，單片機P2.1引腳輸出低電平，充氣泵開始向袖帶內快速充氣，當袖帶內氣壓值達到180 mmHg時，單片機控制P2.1引腳輸出高電平，氣泵停止充氣。

第二階段為測量階段，第一階段結束時，血管受壓迫，血流不通。由于袖帶緩慢漏氣袖帶內氣壓值逐漸降低，血管內的血液由受阻狀態變為緩慢流通狀態，脈搏跳動引起袖帶內氣壓值變化。壓力傳感器將袖帶內氣壓變化轉化為頻率波形通過引腳P3.5輸入到單片機。

第三階段測量結束階段，單片機控制電磁閥開啟快速放出袖帶內空氣，袖帶內氣壓值迅速下降。

血壓脈搏測量過程中需要記錄關注脈搏振蕩波變化情況，對記錄的血壓值和振幅進行處理后，得到脈搏振蕩波振幅的最大值AM，并得到第一個脈搏波振幅大于0.5AM和最后一個振幅大于0.8AM時袖帶內的氣壓值，分別即為收縮壓和舒張壓。脈搏通過單片機內部定時器/計數器對傳感器Sensor101輸入的濾波后的脈搏波進行計數得到。

5 系統調試

系統設計中使用到+6 V和+5 V兩個電源，在上電前需檢查電壓是否符合要求。硬件電路檢查完畢后，就將編譯好的程序燒寫到單片機上，進行調試。

系統對血壓脈搏進行測量時，需要將袖帶佩戴在手肘上處，佩戴過程中保持手臂放松，測量過程避免說話保持平靜。血壓脈搏測量過程中，袖帶內氣壓值變化速度較快，而LCD1602液晶顯示屏為慢顯示器件，為使液晶顯示器顯示正常，可以采用讀忙標志位或者適當延時一定時間再顯示下一個字符，本系統設計中采用第二種方式。血壓脈搏測量過程中，液晶顯示器顯示袖帶內氣壓值實物圖如圖7(a)所示。

系統對血壓脈搏測量結束，液晶顯示器上顯示血壓和脈搏值，其中，SBP、DBP、Pulse分別代表收縮壓、舒張壓、脈搏的數值。圖7(b)為某次血壓脈搏測量結果，由液晶屏顯示數值可看出：被測者收縮壓為104 mmHg，舒張壓為67 mmHg，脈搏為77次/min，生理指標屬正常范圍。系統多次測量與傳統水銀血壓計比較，所測的血壓誤差不超過10 mmHg，每分鐘脈搏誤差平均值為2。

圖7 血壓脈搏測量實物顯示

6 結 論

本文設計使用STC89C52單片機設計人體健康監測系統用于快速監測人體體溫、血壓脈搏生理指標，并可以在生理指標異常時報警提示。所設計系統具有測量快、低能耗、結構簡單、操作簡便、成本低廉等的優勢，同時系統設計還有需要完善的地方，如系統體積較大未達到便攜式要求。