張謙

（長江大學(xué)電子信息學(xué)院 434000）

淺談人體健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張謙

（長江大學(xué)電子信息學(xué)院 434000）

隨著全民健康意識(shí)的普遍提高，電子科技領(lǐng)域?qū)θ梭w健康監(jiān)測模塊的研究逐漸進(jìn)入了大眾視野。本文重點(diǎn)討論了基于單片機(jī)控制的人體健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和功能定位，并結(jié)合當(dāng)前的社會(huì)背景證實(shí)了人體健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用前景。

人體；健康；監(jiān)測系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

前言

人體健康監(jiān)測系統(tǒng)主要是通過對人體體溫、血壓和心率的信號(hào)采集為基礎(chǔ)，結(jié)合電子信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞和數(shù)據(jù)顯示的功能。目前國內(nèi)外對于人體健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路具有一定的共性，即以單片機(jī)為核心，電路設(shè)計(jì)為主要手段，輔以計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模塊化運(yùn)行。

1 人體健康監(jiān)測系統(tǒng)的整理方案和工作原理簡析

心率、體溫和血壓是人體健康問題中經(jīng)常需要檢測的三個(gè)指標(biāo)，我們可以通過鍵盤設(shè)定三種工作方式：心跳檢測、人體體溫檢測和血壓檢測。其中心跳檢測采用傳感器將心跳轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以接受的信號(hào)，每跳動(dòng)一次就產(chǎn)生一個(gè)脈沖，讓單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)中斷，每中斷一次就進(jìn)行一次計(jì)數(shù)，每分鐘進(jìn)行一次采樣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)心跳數(shù)。人體體溫檢測利用芯片DS18B20這個(gè)數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行溫度測量。測的數(shù)據(jù)通過CD4511進(jìn)行譯碼，輸入數(shù)碼管進(jìn)行顯示。測的數(shù)據(jù)如果超限則進(jìn)行報(bào)警。血壓檢測利用BP01型壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放由ADC0809轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送入單片機(jī)處理。如果血壓超限則報(bào)警。

在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的過程中，硬件起著至為關(guān)鍵的作用。人體健康監(jiān)測器的硬件主要包括主控芯片、傳感器和控制電路，芯片我們采用的是MCS-51，該芯片采用的是馮.諾伊曼提出的經(jīng)典計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)框架，即一臺(tái)計(jì)算機(jī)是由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備共五個(gè)基本部分組成。MCS-51單片機(jī)在一塊芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多功能I/O口等；傳感器我們采用DS18B20，該款傳感器是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS18B20之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？梢苑謩e在93.75ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源；控制電路主要由以下幾部分組成：時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、體溫測量電路、心率測量電路、血壓測量電路、顯示電路以及超常報(bào)警電路。

2 模塊化工作原理簡析

人體健康監(jiān)測系統(tǒng)的整理工作流程分為六大模塊，分別是單片機(jī)主控模塊、血壓監(jiān)測模塊、體溫檢測模塊、心率檢測模塊、顯示模塊以及超限報(bào)警模塊。

單片機(jī)主控模塊上述已經(jīng)介紹過了，我們采用的是MCS-51，值得一提的是，MCS-51單片機(jī)的中斷功能較強(qiáng)，以滿足控制應(yīng)用的需要。8051共有5個(gè)中斷源，即外中斷2個(gè)，定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷2個(gè)，串行中斷1個(gè)。所有中斷分為高級和低級兩個(gè)中斷優(yōu)先級。

對于血壓監(jiān)測模塊，BP01型壓力傳感器是為監(jiān)測血壓而專門設(shè)計(jì)的，主要用于便攜式電子血壓計(jì)。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龍塑料封裝，具有高線性、低噪聲和外界應(yīng)力小的特點(diǎn)；采用內(nèi)部標(biāo)定和溫度補(bǔ)償方式，從而提高了測量的精度、穩(wěn)定性以及可重復(fù)性，在全量程范圍內(nèi)，精度為±1%，零點(diǎn)失調(diào)不大于±300μV。

體溫檢測模塊使用DS18B20溫度傳感器，它一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。上述提到，對于傳統(tǒng)傳感器，它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較其它傳感器有了很大的優(yōu)勢，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。

心率檢測模塊采用壓阻式壓力傳感器MPX2100，其采集心跳信號(hào)輸出為電壓信號(hào)，然后經(jīng)過電壓比較器，將采集的電壓信號(hào)與閾值進(jìn)行比較，若采集的電壓信號(hào)高于閾值則輸出1，否則輸出0，然后單片機(jī)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)過程利用編程控制，計(jì)每10s脈沖個(gè)數(shù)再乘以6即為心率，同時(shí)顯示部分也設(shè)定為10s更新顯示一次，即可得到人體此時(shí)心率大小。

顯示模塊我們采用液晶顯示體溫以及心率值。液晶顯示屏（LCD）具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險(xiǎn)，平面直角以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，可視面積打，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。同時(shí)不只能顯示數(shù)字還可以顯示中文漢字及各種單位。

超限報(bào)警模塊，采用發(fā)光二極管作為上下限超常報(bào)警指示燈，方便人們觀察。當(dāng)人體溫度高于或低于一定的值時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)光報(bào)警。同樣，當(dāng)心率值高于或者低于一定的值時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)光報(bào)警。人體正常體溫范圍為36～37.5℃，正常心率為60～100次/分，所以當(dāng)測得的體溫以及心率超出以上范圍時(shí)，發(fā)光二級管發(fā)光進(jìn)行報(bào)警，提示人們注意自己的身體狀況。

3 人體健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用前景分析

在科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天，人工智能產(chǎn)品起到了不可忽視的作用，尤其是各種智能化的儀器、儀表在人們?nèi)粘Ｉ詈凸まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，給社會(huì)帶來了極大的便利。本設(shè)計(jì)就是一個(gè)用單片機(jī)控制的人體健康的例子，它完成了從體溫、心率的采集、轉(zhuǎn)換、顯示以及控制的一系列任務(wù)。傳統(tǒng)的體溫測量辦法是利用體溫計(jì)計(jì)，這樣不僅測量時(shí)間長、讀數(shù)不方便、攜帶不方便無法達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的，而且功能單一，已經(jīng)不能滿足人們在數(shù)字化時(shí)代的要求。本文提出了一種新型的設(shè)計(jì)方案，利用DS18B20溫度傳感器，通過單片機(jī)80C51控制，經(jīng)液晶顯示當(dāng)前體溫。系統(tǒng)的心率測量部分主要監(jiān)測人體心率，借以發(fā)現(xiàn)人體是否處于危險(xiǎn)狀況。雖然現(xiàn)今市面上有很多體溫、心率測試儀，但針對人們身體健康需要實(shí)時(shí)監(jiān)測的儀器卻很少，因此設(shè)計(jì)出可以實(shí)時(shí)監(jiān)測人體健康狀況的儀器十分必要。

4 結(jié)語

電子科技領(lǐng)域?qū)θ梭w健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究由來已久，單片機(jī)種類和各模塊的設(shè)計(jì)方案也很豐富，面對殘酷的市場競爭，如何研究出更智能、更精準(zhǔn)、更便攜的新型人體健康監(jiān)測產(chǎn)品是目前業(yè)內(nèi)人士共同追求的目標(biāo)。

[1]張瑞.基于ZigBee的人體健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].曲阜師范大學(xué)，2014.

[2]劉偉.基于BIA的人體健康監(jiān)測與智能評價(jià)系統(tǒng)研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[3]趙春燕.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的人體健康監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].河北工程大學(xué)，2012.

TP274

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1004-7344（2016）06-0258-01

2016-2-2