趙文麗

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

生命體征監(jiān)測(cè)儀是醫(yī)院不可缺少的重要設(shè)備，它實(shí)時(shí)、連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間地監(jiān)測(cè)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(hù)人員，以供醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行分析，使得醫(yī)護(hù)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(cè)儀采用隨身式設(shè)計(jì)，小型輕便，能實(shí)時(shí)地進(jìn)行人體多生理參數(shù)的監(jiān)護(hù)，最適合于野外及家中，并可用于普通醫(yī)院作為個(gè)人生命參數(shù)監(jiān)護(hù)設(shè)備。

本文將該設(shè)計(jì)劃分為若干個(gè)模塊，分塊實(shí)現(xiàn)各生理參數(shù)的測(cè)量及處理。選用不同的傳感器對(duì)各生理參數(shù)進(jìn)行采集，以單片機(jī)為控制核心，編程實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的處理和輸出信號(hào)的控制。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本設(shè)計(jì)以AVR單片機(jī)ATmega16為控制核心，通過(guò)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(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算測(cè)量值并將結(jié)果送至液晶顯示器顯示，當(dāng)測(cè)量值超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，觸發(fā)聲音報(bào)警。系統(tǒng)設(shè)有鍵盤(pán)、人工復(fù)位電路。

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，由主程序及參數(shù)測(cè)量、液晶顯示、和鍵盤(pán)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(jìn)行各參數(shù)的測(cè)定、判斷超量報(bào)警及顯示等操作。

2 各模塊設(shè)計(jì)

2.1 溫度檢測(cè)模塊

采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其優(yōu)點(diǎn)是提供12位溫度讀數(shù)，從單片機(jī)到DSl8B20僅需一條數(shù)據(jù)線。DSl8B20的測(cè)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(guò)3個(gè)步驟：1）每一次讀寫(xiě)之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行初始化操作；2）初始化成功后發(fā)跳過(guò)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(cè)溫度值送入緩沖區(qū)以供LCD顯示，若溫度值超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，則觸發(fā)報(bào)警提示。

2.2 脈搏檢測(cè)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(dòng)，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(guò)手指尖射到硅光電池上時(shí)，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(dòng)發(fā)生相應(yīng)于脈搏的容積變化，因而使光透過(guò)指尖射到硅光電池時(shí)也發(fā)生相應(yīng)的強(qiáng)度變化，這樣就把人體的脈搏轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)[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(cè)電路共分為5個(gè)部分，由光發(fā)射電路、光電轉(zhuǎn)換電路、一級(jí)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(jiàn)恒流源電路，通過(guò)穩(wěn)壓管保證流過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。一級(jí)放大電路對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大，放大約20倍，為了不影響有用信號(hào)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(dòng)次數(shù)240次/min計(jì)算，根據(jù)歸一化法設(shè)計(jì)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(hào)。波形整形電路是一個(gè)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(hào)為方波形式，送入單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中計(jì)數(shù)，從而計(jì)算出脈搏數(shù)。

2.3 血壓檢測(cè)模塊

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

該模塊要完成信號(hào)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(cè)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(guò)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(hào)。模擬信號(hào)通過(guò)儀用放大器AD620進(jìn)行第一級(jí)放大，放大后的模擬電壓信號(hào)通過(guò)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(cè)量的是袖套中的平均壓力；交流參量通過(guò)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(hào)再接入一個(gè)交流耦合電路。經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)連接到ATmega16的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道ADC2口上，用于測(cè)量脈搏波的振幅。

圖5 傳感器電路Fig.5 The sensor circuit

2）血壓檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

血壓測(cè)量控制按鍵按下后，啟動(dòng)血壓測(cè)量過(guò)程，袖袋開(kāi)始充氣。在袖袋充氣過(guò)程中，如果用戶感到不舒服或者有強(qiáng)烈的疼痛感，則可以再次按下血壓測(cè)控按鍵停止氣泵，袖袋快速放氣，從而結(jié)束測(cè)量。這主要是為了確保用戶在使用設(shè)備時(shí)的安全。如果袖袋充氣過(guò)程正常，則袖袋內(nèi)的壓力將持續(xù)增加，直至160 mmHg。達(dá)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(guò)程中，用戶也可以按下血壓測(cè)控按鍵，放棄本次測(cè)量。一旦單片機(jī)檢測(cè)到舒張壓和收縮壓后，將打開(kāi)氣閥，使袖袋全部放氣，完成一次測(cè)量過(guò)程，并將結(jié)果送緩沖區(qū)，以便在LCD上進(jìn)行顯示，若測(cè)量值超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，則觸發(fā)報(bào)警提示。

2.4 計(jì)步器模塊

要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)步數(shù)首先要對(duì)人走路的姿態(tài)有一定了解。人體行走時(shí)腰部有上下的垂直運(yùn)動(dòng)，每步開(kāi)始時(shí)會(huì)有一個(gè)比較大的加速度，利用對(duì)加速度的峰值檢測(cè)可以得到行走的步數(shù)[7]。人體行走時(shí)腰部垂直加速度曲線中有多少個(gè)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(cè)量范圍在±2g之間的加速度傳感器ADXL202來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)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(hào)，因此信號(hào)可以直接用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量，無(wú)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(cè)量可利用單片機(jī)的中斷和計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，峰值的檢測(cè)通過(guò)門(mén)限判斷實(shí)現(xiàn)。選擇2個(gè)門(mén)限A和B，當(dāng)數(shù)據(jù)大于門(mén)限B并且接下來(lái)變化小于門(mén)限A時(shí)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(guò)單片機(jī)計(jì)數(shù)即得跑步步數(shù)，再乘以步長(zhǎng)，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(cè)公式，即可預(yù)測(cè)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(cè)公式計(jì)算能量損耗[8]，計(jì)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(jì)步器軟件

計(jì)步器測(cè)量控制按鍵按下后開(kāi)始測(cè)量步數(shù)，由傳感器將信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算并利用雙門(mén)限判斷峰值，計(jì)數(shù)得到所測(cè)步數(shù)，測(cè)控按鍵再次按下時(shí)，將兩時(shí)間點(diǎn)之間所測(cè)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(diǎn)陣字符液晶顯示模塊HD44780，CVAVR中對(duì)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(jiǎn)單方便。鍵盤(pán)模塊共有3個(gè)按鍵，其中S1為復(fù)位按鍵，S2為血壓測(cè)量控制按鍵，S3為計(jì)步器控制按鍵。報(bào)警模塊采用蜂鳴器，當(dāng)所測(cè)生理參數(shù)超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警程序，蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的便攜式生命體征檢測(cè)儀采用模塊化設(shè)計(jì)，共分為溫度檢測(cè)、脈搏檢測(cè)、血壓檢測(cè)和計(jì)步器等四個(gè)模塊，各模塊所測(cè)生理參數(shù)送至單片機(jī)后進(jìn)行信號(hào)的處理、顯示與報(bào)警提示等。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)者的體溫、血壓變化、脈搏跳動(dòng)情況，記錄跑步者的步數(shù)等。采用人機(jī)對(duì)話、語(yǔ)音提示等方式實(shí)現(xiàn)液晶顯示、報(bào)警提示等功能。具備操作簡(jiǎn)單、功耗低、人性化及方便攜帶等特點(diǎn)。

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