基于單片機的體溫脈搏測量儀設計

李亞妹，楊川

（重慶機電職業技術大學，重慶璧山，402760）

0 前言

當今社會，隨著經濟和科技的快速發展，人們在生活水平提高、物質需求得到滿足之后，越來越重視身體的保健和疾病的預防治療，慢性疾病是威脅健康的主要隱患之一。其中心血管疾病[1]已經成為人類“第一大殺手”，對于此類疾病來說，預防為重中之重，可以做到防患于未然，并在發病的黃金時段做出診斷和治療。

本文針對以上問題，設計脈搏波以及體溫的測量系統。該測量儀由單片機主控芯片模塊、電源模塊，傳感器檢測模塊、信號處理模塊、上位機PC 模塊以及相應的軟件構成，包括體溫測試、脈搏測試兩個主要功能。其中電源模塊主要實現測量儀的供電，保證測量儀的正常工作。傳感器檢測模塊實現人體生理信號脈搏和體溫的采集，信號處理模塊通過硬件電路和程序對采集的信號進行處理并通過USB 口上傳到上位機。測量儀上電后由工作指示燈和收發指示LED 顯示基本工作情況和監測系統的通信狀態。下文中將詳細介紹體溫測量儀的主要功能、特點以及硬件系統設計方案。

1 體溫脈搏測量儀功能特點

本測量儀工作電壓為5VDC，脈搏波測量范圍為幅值0～5VDC，體溫測量范圍為10～45°，主要實現對人體體溫、脈搏波的采集和處理，具有可操作性好、成本低、重復性好的優勢，非常方便與居家使用以及社區的推廣服務，可以實現以下幾個功能。

①實現脈搏、體溫的全自動測量；②模數轉換、數據存儲、數據傳輸功能及USB 通信；③電池供電或USB 供電兩種備選供電模式。

2 硬件設計方案

本測量儀的硬件系統主要由主控芯片HT66F0185模塊、體溫脈搏采集模塊、電源模塊、通訊模塊四個主要模塊構成，其硬件框圖如圖1 所示。

圖1 測量儀硬件系統組成框圖

■2.1 體溫脈搏測量儀功能設計

本文設計的體溫脈搏測量儀主要實現的功能設計為：電池或者USB 為系統提供5V 電源；HK-2000B 型脈搏傳感器輸出的信號通過硬件電路進行放大、濾波等處理后輸入單片機的模數轉換端口；PT1000 體溫傳感器輸出的信號通過硬件電路放大、濾波等處理后輸入單片機I/O 端口；考慮到具有RS-232 接口的電腦越來越少，作品選用USB 芯片CH341 作為通信接口，數據通過USB 口將數據傳送到上位機進行處理。最終可記錄到實時體溫和兩路脈搏信號，通過兩個脈搏信號傳輸時間差，可方便的計算出心血管重要評價參數PWV。

■2.2 電源模塊設計

電源模塊采用兩種供電方式，分別為電池供電和USB供電。如圖2 所示。單片機工作電壓為3.3V-5.5V。可采用4 節1.2V 充電電池給系統供電，也可以通過USB 接口為主板供電。設計中需要的負電源由鏡像電源提供。使用電荷泵芯片LMC7660 產生鏡像電壓，通過2 芯片并聯為放大電路提供足夠的電流。LMC7660 應用電路見圖2。

圖2 鏡像電源設計

■2.3 體溫采集模塊設計

對體溫以及脈搏波的采集利用傳感器完成。針對現有的傳感器進行功能對比，選擇性價比高，體溫性符合測量儀要求的采集方案。脈搏波采集選擇合肥華科電子技術研究所所生產的HK-2000B 型脈搏傳感器，傳感器為壓力傳感器，基于脈壓法原理輸出完整的脈搏波電壓信號，經過放大處理獲取0～5V 的脈搏信號[3]。單片機對信號采集后將數據傳輸到PC 端顯示，并能夠在PC 端完成信號的分析和診斷。

傳感器[4]主要技術參數如下：（1）工作電壓：直流5～6V；（2）壓力量程：-50mmHg～+300mmHg；（3）靈敏度：2000uV/mmHg；（4）靈敏度體溫系數：1×10-4/℃；（5）精度：0.5%；（6）重復性：0.5%；（7）遲滯：0.5%（8）過載：100 倍。

脈搏信號前端放大電路如圖3 所示，由于脈搏傳感器輸出的模擬信號電壓范圍是-0.1～0.6V，輸出的模擬信號電壓值相對較小，因此需要通過設計反相比例放大器的方式將輸出的信號放大到合適的范圍。

圖3 脈搏信號放大電路

傳感器輸出的脈搏信號頻率較低，容易引入干擾。比如肌體抖動、精神緊張帶來的假象信號或者是50Hz 的工頻干擾等等。可以采用硬件濾波、單片機軟件濾波等放來來處理這些干擾。在本文中硬件低通濾波電路來實現。

采用運算放大器LF444 和相應的電阻、電容組成一個二階巴特沃斯低通濾波器。該脈搏傳感器輸出的模擬信號電壓范圍是-0.1～0.6V，輸出有負值，在第一級放大電路中采用的是反相放大電路，因此在此電路中用反相放大電路來實現電壓抬升。具體電路如圖4 所示。測量的脈搏信號經過處理后通過單片機I/O 端口傳送到單片機中，在程序控制下進行兩路脈搏波同步采樣；將A/D 轉換成的數字量由單片機通過USB 接口將脈搏波數據傳送到PC 機。

圖4

■2.4 脈搏采集模塊設計

體溫采集利用鉑電阻體溫傳感器PT1000 檢測體溫輸出電信號，再將電流信號轉換成數字顯示體溫，所測得的體溫變化曲線和體溫值在PC 機上實時顯示，實現體溫測量。

將PT1000 測量體溫設定在10°～45°范圍。作品采用的測溫電路為恒流電路，首先經過MC1403 芯片產生2.5V 基準電壓，而后通過運放構成的恒流電路使得流經Rt 的電流是恒定的，由于流經體溫傳感器的電流不變，其電壓隨著阻值的變化而變化，因此反映出的就是體溫變化狀況。恒流電路如圖5 所示。根據體溫變化對PT1000 進行體溫標定，對測得五組數據進行方差分析，可近似認為PT1000 測量電路輸出在10°～45°范圍內隨體溫變化為線性關系，在LabVIEW 程序中可以通過線性映射把體溫計算出來。

圖5 恒流電路

3 軟件設計

該設計利用合泰單片機對脈搏、溫度信號的采集進行定時控制，通過傳感器采集實時的脈搏和溫度信號，并將信號進行放大、濾波等處理。利用硬件電路對信號進行采集及處理，簡化了系統軟件設計的復雜程度，使設計可行性更好，相對更加穩定。

軟件系統工作流程大致為：系統進行初始化設置，通過選項判斷采集體溫或脈搏信號，進入相應的信號采集環節。體溫采集通過傳感器PT100 實現，脈搏波通過傳感器采集兩路脈搏信號，信號采集完成后，經過處理后將結果通過USB 端口送入上位機中。采用LabVIEW 進行結果的運算（PWV 運算）及波形的顯示，可以更加直觀的觀察脈搏和溫度信號，并可將最終結果進行打印，以紙質結果的形式供給醫護人員查看和存檔。

4 結論

文中所設計的脈搏體溫測量儀設計方案簡單，可行性高。利用單片機控制傳感器采集脈搏和溫度信號，并通過硬件電路進行信號的處理，將最終的結果通過上位機進行顯示。經過測試，該設計可以實現脈搏波和溫度的測量，并通過上位機進行脈搏波波形顯示、PWV 脈搏波測速、溫度實時顯示以及報告單打印。操作簡單方便，可供給家庭、社區醫護人員使用，實現人體脈搏溫度信號的自測，為心腦血管慢性病的預防提供便利。