周志向，齊愛學(xué)，耿 榮，郭 雪

（濱州學(xué)院 山東 濱州256600）

人體健康參數(shù)測定儀

周志向，齊愛學(xué)，耿 榮，郭 雪

（濱州學(xué)院 山東 濱州256600）

隨著科技和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，手機(jī)、電腦微波爐等高新高科技電子產(chǎn)品產(chǎn)生的電磁輻射也在危害著人體健康，我們針對降低電磁輻射對人體產(chǎn)生的危害，采用了基于stm32單片機(jī)的高精度人體健康參數(shù)測定儀這一方法，通過使用制作完成的測試儀測試的數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)參數(shù)的醫(yī)學(xué)儀器檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，得出我們的儀器檢測的數(shù)據(jù)與人體醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)據(jù)的最大誤差保持在4.9%以內(nèi)。我們對電路進(jìn)行了模塊化，使產(chǎn)品易于攜帶；成本低，符合大眾的消費心理。

電子技術(shù)；實用新型專利；單片機(jī)編程；電磁輻射

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著國民經(jīng)濟(jì)和高科技產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，手機(jī)、電腦等高新高科技電子產(chǎn)品也在蓬勃發(fā)展著，伴隨著他們的快速發(fā)展，人們的生活也在朝向智能城市的方向發(fā)展，人們無時不刻的都在使用各種電子產(chǎn)品，使自己長時間處于電磁輻射場的環(huán)境中[1]，而手機(jī)、電腦等高新高科技電子產(chǎn)品產(chǎn)生的電磁輻射通過熱效應(yīng)、非熱效應(yīng)、累積效應(yīng)等損害著人們的健康，而人們對電子產(chǎn)品的不恰當(dāng)利用也使得電磁輻射加強(qiáng)，電磁輻射問題開始成為影響人們身體健康的重要因素之一，因此對電磁環(huán)境監(jiān)測方面的要求越來越高[2]。但是現(xiàn)在國產(chǎn)儀器及設(shè)備存在價格高、智能化程度低、反應(yīng)遲鈍等諸多問題。所以，如何讓人體健康參數(shù)測定儀更加高智能化、普遍化也成為了人們的創(chuàng)新切入點，為了能夠幫助工作族了解自己的身體健康情況和隨時對自己的身體健康進(jìn)行檢測，我們提出基于stm32單片機(jī)[3]的高精度的人體健康參數(shù)測定儀這一構(gòu)想并組建。本系統(tǒng)為智能生活的發(fā)展貢獻(xiàn)出自己的一份力。

人體健康參數(shù)測定儀的硬件部分主要有電磁輻射檢測模塊、人體體溫感應(yīng)模塊、肺活量檢測模塊、心率檢測模塊、語音提示模塊、聲光報警模塊和LCD液晶顯示模塊構(gòu)成，可以隨時進(jìn)行體溫檢測、肺活量檢測、心率檢測和輻射檢測，讓人們可以隨時隨地的了解自身的健康狀況，發(fā)現(xiàn)問題可以立馬就醫(yī)，避免意外情況的發(fā)生。

1 總體設(shè)計

本設(shè)計采用環(huán)形線圈輻射探頭、濾波、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機(jī)單元組成[4]。當(dāng)檢測模塊檢測到信號后，經(jīng)低通濾波電路濾除高頻成分后送至放大電路[5]，放大后的信號由A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送至單片機(jī)進(jìn)行處理，通過單片機(jī)程序完成數(shù)字信號處理和計算，并在顯示屏上顯示[6]。同時儀器還有自動報警功能，我們將設(shè)計一個閾值，當(dāng)超過此值時儀器自動報警，系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示， 該系統(tǒng)以stm32f103z8t6單片機(jī)為主芯片[3]，外接電磁輻射檢測模塊、人體體溫感應(yīng)模塊、肺活量檢測模塊、聲光報警模塊和LCD液晶顯示模塊等。通過各個模塊檢測外界環(huán)境將采集的信號送到A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路，然后將數(shù)字信號傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理，進(jìn)而單片機(jī)控制各個模塊進(jìn)行工作：電磁輻射檢測模塊進(jìn)行輻射檢測、人體體溫感應(yīng)、肺活量檢測、液晶屏的顯示、聲光報警以及系統(tǒng)與用戶的交互。在這個過程中，各模塊對外界環(huán)境不斷檢測，將檢測的信息反饋給單片機(jī)輔助其工作。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

人體體溫檢測電路起到隨身量體溫的功能，溫度傳感器（temperature transducer），是利用物質(zhì)的物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律，把溫度轉(zhuǎn)換為電量的傳感器，根據(jù)溫度傳感器電路的PN結(jié)伏安特性可得兩晶體管基極和發(fā)射極電位差之差，這就是溫度傳感器的基本原理[7]。 我們將38度設(shè)置為一個閾值，當(dāng)人體體溫超過38°C時，屬于高溫發(fā)燒狀態(tài)，核心溫度在36.8～37.7℃范圍內(nèi)，晝夜節(jié)律變化約為0.6℃[8]，向用戶報警提示，讓用戶及時采取相應(yīng)措施。溫度傳感器仿真圖[9-11]如圖3所示。

圖3 溫度傳感器仿真圖

心率檢測電路起到了隨時測人體心率的功能，正常成年人的心率正常值在60-100次/分范圍內(nèi)，平均標(biāo)準(zhǔn)為75次/分，當(dāng)心率低于60次/分成為心率過緩，當(dāng)心率大于100次/分成為心率過速[12]，所以我們將60和100設(shè)置閥值，當(dāng)心率低于60次/分或高于100次/分向用戶報警提示心率過緩和心率過速，讓用戶及時采取相應(yīng)措施。心率傳感器仿真圖[9]如圖4所示。

圖4 心率傳感器仿真圖

A/D轉(zhuǎn)換電路[3]是將各個傳感器檢測電路采集的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供單片機(jī)處理。從而實現(xiàn)各個傳感器電路與單片機(jī)的信息傳送與狀態(tài)反饋，進(jìn)而輔助單片機(jī)發(fā)送動作指令。A/D轉(zhuǎn)換電路仿真圖[9]如圖5所示。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路的仿真圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的軟件采用Keil軟件編程，首先通過4個參數(shù)檢測模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再將數(shù)字信號通過I/O口交由單片機(jī)分析處理后[13]晶顯示模塊的控制信號，進(jìn)而實現(xiàn)相應(yīng)的功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集模塊主要用來實現(xiàn)對人體健康狀況的采集；數(shù)模信號轉(zhuǎn)換模塊是通過stm32芯片內(nèi)自帶的AD數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊對系統(tǒng)中模擬量信號和數(shù)字量信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過該模塊可以實現(xiàn)外界環(huán)境狀況與單片機(jī)的交流通信；單片機(jī)輸出控制模塊主要用來實現(xiàn)對其獲得的信息處理分析，并能夠發(fā)出對整個系統(tǒng)輸出控制信號的指令；軟件硬件通信模塊主要用來實現(xiàn)該系統(tǒng)軟件與硬件之間的通信功能，軟件設(shè)計的流程圖如圖7所示。

圖7 軟件設(shè)計的流程圖

4 實驗結(jié)果

本裝置外接電磁輻射檢測模塊、人體體溫感應(yīng)模塊、肺活量檢測模塊和心率傳監(jiān)測模塊，為了防止模塊之間的數(shù)據(jù)干擾和工作環(huán)境干擾，每個模塊外接一個自鎖開關(guān)，只有當(dāng)自鎖開關(guān)按下時，模塊才能開始工作，我們根據(jù)人體對于體溫、心率、肺活量的正常標(biāo)準(zhǔn)及允許承受的最大電磁輻射的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定一個閥值，當(dāng)某一項的數(shù)值超過正常標(biāo)準(zhǔn)時，裝置同時聲光報警和語音提示，使人們能夠及時做出反應(yīng)，避免發(fā)生安全問題，通過LCD來顯示監(jiān)測到的四項數(shù)值。

5 數(shù)據(jù)分析

5.1 電磁輻射數(shù)據(jù)分析

電場和磁場的交互變化產(chǎn)生的電磁波，電磁波向空中發(fā)射或泄露的現(xiàn)象，叫電磁輻射。圍繞在人類身邊的天然磁場、太陽光、家用電器等都會發(fā)出強(qiáng)度不同的輻射[14]。

由于電磁輻射強(qiáng)度與外界的電場和磁場都存在著關(guān)系，所以測量時數(shù)據(jù)會呈不穩(wěn)定的高低變化[15]，所以我們記錄這個時間段內(nèi)最大的強(qiáng)度數(shù)值。

我們對人們身邊存在電磁輻射的手機(jī)等電子產(chǎn)品進(jìn)行了測量，檢測到的電磁輻射強(qiáng)度如表1所示。

表1 輻射強(qiáng)度統(tǒng)計表

5.2 心率數(shù)據(jù)分析

正常成年人的心率正常值在60～100次/分范圍內(nèi)，平均標(biāo)準(zhǔn)為75次/分。為了使實驗數(shù)據(jù)更加的完善和科學(xué)，我們對10名同學(xué)（年齡在20～22歲范圍內(nèi)）進(jìn)行了心率的醫(yī)學(xué)檢測和儀器檢測，10名同學(xué)中兩次的靜息心率數(shù)據(jù)如下表所示，醫(yī)學(xué)檢測的數(shù)據(jù)符合正常成年人60～80次/分的標(biāo)準(zhǔn)，而且儀器檢測的數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)，檢測儀檢測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)學(xué)儀器數(shù)據(jù)的比對如表2所示。

表2 心率統(tǒng)計表

5.3 肺活量數(shù)據(jù)分析

肺活量是指在不限時間的情況下，一次最大吸氣后再盡最大能力所呼出的氣體量，這代表肺一次最大的機(jī)能活動量，是反映人體生長發(fā)育水平的重要機(jī)能指標(biāo)之一。成年男子肺活量約為3 500毫升，女子約為2 500毫升。壯年人的肺活量最大，幼年和老年人較小，同時肺活量又與人體的體重有一定關(guān)聯(lián)，大小順序為正常人>超重人>肥胖者>體重較輕的人[16]。

我們對10名男同學(xué) （年齡在20～22歲范圍內(nèi)）進(jìn)行了肺活量的檢測，檢測儀檢測到的肺活量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)學(xué)儀器數(shù)據(jù)的比對如表3所示。

表3 男性肺活量統(tǒng)計表

5.4 體溫數(shù)據(jù)分析

體溫是指機(jī)體內(nèi)部溫度，正常人腋下體溫為36-37度。我們對10名正常男同學(xué)進(jìn)行了體溫檢測，10名同學(xué)經(jīng)檢測儀檢測數(shù)據(jù)與體溫計測量數(shù)據(jù)的比對如表4所示。

表4 體溫統(tǒng)計表

由表中數(shù)據(jù)可以看出，10名正常男同學(xué)的體溫數(shù)據(jù)符合正常體溫。

6 實驗應(yīng)用

本裝置提供了一種人體健康指數(shù)測試儀的技術(shù)方案，該裝置包括輻射檢測、體溫檢測、肺活量檢測和心率監(jiān)測的4種功能，所述的輻射探頭通過低通濾波電路與放大電路連接，所述的放大電路通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與單片機(jī)連接，所述的單片機(jī)與一顯示屏連接，該方案的檢測儀當(dāng)輻射探頭檢測到信號后，經(jīng)低通濾波電路濾除高頻成分后送至放大電路，放大后的信號由AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送至單片機(jī)進(jìn)行處理，通過單片機(jī)程序完成數(shù)字信號處理和計算，并在顯示屏上顯示，使裝置更加的智能化，易于攜帶，成本低，利于推廣。

7 結(jié) 論

該裝置解決了國內(nèi)可以檢測人體健康參數(shù)綜合檢測的儀器較少、智能化程度低、價格昂貴等問題，具有便于攜帶、使用方便、價格低等優(yōu)點，我們依據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計一個綜合輻射監(jiān)測模塊，并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算，提高探頭的靈敏度[17-20]；將輻射檢測、體溫檢測、肺活量檢測和心率監(jiān)測的4種功能結(jié)合在一起，使裝置更加智能化，總體制造價格低，符合大眾的消費心理，可用于普通家庭的推廣，推動智能化城市、智能化家居的發(fā)展。

[1]胡冀.移動通信基站微波輻射對周圍居民神經(jīng)行為功能的影響及機(jī)制探討[D].湖南:中南大學(xué)，2010.

[2]黃彥柳.城市電磁輻射場的環(huán)境能量效應(yīng)研究[D].上海:東華大學(xué)，2005.

[3]劉火良，楊森.STM32庫開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[4]徐彬，石文星.張立輝.張凱.生活環(huán)境中的電磁輻射檢測儀[J].實驗室研究與探索報，2013，32（10）：26-27.

[5]楊素行，模擬電子技術(shù)簡明教程[M].北京:高等教育出版社，2010.

[6]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[7]黃玉蘭.物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社，2014.

[8]胡學(xué)鋒,呂永生,漆少廷,人體體溫測量方法概述[J].南京:口岸衛(wèi)生控制，2013，18（6）：55-55.

[9]謝龍漢.Altium Designer原理圖與PCB設(shè)計及仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社，2012.

[10]張慧敏.基于加速度傳感器的微弱信號放大電路設(shè)計 [J].重慶師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2016（3）：132-136.

[11]李健蘋 一種基于光纖光柵的應(yīng)力傳感器研究[J].重慶師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2016（4）：123-127.

[12]魯池梅，周航，李焱奎.人體心率測量的研究與實現(xiàn)[J].湖北:湖北師范學(xué)院報，2015，35（3）:82-85.

[13]張迎新.單片機(jī)初級教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[14]郭翠鋒.家用電器的電磁描射分析與預(yù)防[J].吉林廣播電視大學(xué)學(xué)報，2010，98（2）:90-92.

[15]盧矜遠(yuǎn)，朱滿座，侯龍.電磁場與電磁波[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2012.

[16]王梅，人體質(zhì)量指數(shù)不同的中國成年人身體機(jī)能對比分析[J].北京:中國臨床康復(fù)，2005，9（28）：190-191.

[17]楊儒.電磁定現(xiàn)和職理及扣成用[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，2002.

[18]周志文，馬安仁.基于單片機(jī)的磁控濺射穩(wěn)壓開關(guān)電源設(shè)計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2014（1）：106-108.

[19]程世田，李娟，于艷，等.基于單片機(jī)與工控軟件的多點測溫系統(tǒng)的研發(fā)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2014（1）：27-31，35.

[20]淡海英.基于AT89C51單片機(jī)的新型電水瓶電路設(shè)計與分析[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2015（1）：114-116.

Human health parameter tester

ZHOU Zhi-xiang，QI Ai-xue，GENG Rong，GUO Xue
（Binzhou University，Binzhou 256600，China）

With the rapid development of science and technology，and economy，the electromagnetic radiation from cell phones，computers，microwave ovens and other high-tech electronic products endangers human beings'health.Human health parameter tester with high accuracy，which bases on stm32 microcontroller is introduced in this experiment to reduce this electromagnetic raiation.When comparing the data from this tester with the data from certain medical equipmenrt with relative paremeter，it is concluded that the maximum error of data between the tester and human body medical standards is less than 4.9%.This modularized circuit is very easy to carry，the low cost of this product conforms to the public consumption tendency.

electronic technology；the patent for utility model；microcontroller programming； the electromagnetic radiation

TN302

A

1674－6236（2017）10-0097-05

2016-04-13稿件編號：201604153

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201410449013）

周志向（1995—），男，山東青島人。研究方向：光電檢測技術(shù)。