余 庚

(福建工程學(xué)院 國脈信息學(xué)院，福州 350014；福州理工學(xué)院 工學(xué)院, 福州 350506)

呼吸監(jiān)測系統(tǒng)的研究

余 庚

(福建工程學(xué)院 國脈信息學(xué)院，福州 350014；福州理工學(xué)院 工學(xué)院, 福州 350506)

采用AT89C52單片機(jī)作為核心控制模塊，經(jīng)過A/D處理技術(shù)將呼吸模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過DS1302時鐘的計(jì)數(shù)、AT24C02的EEPROM存儲設(shè)備將信息讀取到LCD12864液晶顯示器上。該系統(tǒng)用于監(jiān)測、記錄人體呼吸不良時的血氧飽和度參數(shù)值，并在不良時給予警報(bào)處理。此外，通過RS232進(jìn)行串口通信將記錄的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)(即PC機(jī))達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)測的目的。

A/D；AT89C52；監(jiān)測；顯示

0 引言

醫(yī)療過程中，醫(yī)護(hù)人員要經(jīng)常測量病人的體溫、呼吸狀況等，以便能夠及時了解病人的身體狀況，對病人的病情做出相應(yīng)的判斷，為主治醫(yī)生制定治療方案提供一定的參考。目前，醫(yī)院里基本采用人工定時測量的方式，護(hù)士定時檢查全病區(qū)每個病人的呼吸狀況，然后記錄、繪制呼吸變化曲線等。此項(xiàng)工作不僅耗費(fèi)大量的人力資源，而且無法在病人出現(xiàn)突發(fā)的特殊情況時得到及時的反饋，從而可能會造成治療時間的延誤?；诖?，在向醫(yī)學(xué)研究人員了解呼吸記錄儀原理的基礎(chǔ)上提出一種以模擬血氧飽和度值變化來實(shí)現(xiàn)睡眠狀態(tài)下呼吸數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控與報(bào)警的研究。所設(shè)計(jì)的呼吸監(jiān)測系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為控制系統(tǒng)，結(jié)合外圍模擬量(血氧飽和度值)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后在DS1302時鐘上進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)讀取，LCD12864液晶顯示器等模塊來實(shí)現(xiàn)對模擬的血氧飽和度值進(jìn)行檢測和記錄，最終實(shí)現(xiàn)患者在睡眠時呼吸狀態(tài)的智能[1]監(jiān)測。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖1 呼吸監(jiān)測系統(tǒng)框圖

呼吸監(jiān)測系統(tǒng)可以對人體的呼吸參數(shù)(血氧飽和度)進(jìn)行檢測和記錄，根據(jù)設(shè)定的閾值參數(shù)自動報(bào)警。首先，通過調(diào)節(jié)可變電阻阻值大小，模擬獲取變化的血氧飽和度值作為外在檢測到的輸入量。采用ADC0832高精度A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的電路[2]對獲取的模擬呼吸信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。再以AT89C52構(gòu)成的單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，通過軟件控制實(shí)現(xiàn)時鐘的計(jì)數(shù)、存儲、參數(shù)的記錄和液晶實(shí)時顯示。如要具備自動警報(bào)的功能僅需設(shè)置報(bào)警閾值即可。系統(tǒng)架構(gòu)如下圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 按鍵設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)共設(shè)有5個按鍵，分別為設(shè)置、加、減、歷史上一頁和歷史下一頁記錄。這5個按鍵除前三個用于時鐘的設(shè)置外，第四個與第五個是用于對已經(jīng)測試記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行時間顯示和血氧飽和度值的查詢使用。按鍵處理流程如圖2所示。

圖2 按鍵處理流程圖

2.2 數(shù)據(jù)的采集和存儲設(shè)計(jì)

通過ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對血氧飽和度模擬值進(jìn)行實(shí)時的采集，并將采集時間與數(shù)值記錄在EEPROM(AT24C02存儲芯片)中供醫(yī)護(hù)人員查詢。由于血氧飽和度模擬的輸入量是電壓型模擬量，需采用ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生8比特的數(shù)據(jù)量。采集數(shù)據(jù)只需能夠反映人體呼吸時血氧飽和度異常即可，故通過可變電阻模擬血氧飽和度值的輸入量。監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的電路設(shè)計(jì)如下圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集存儲電路

2.3 數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中下位機(jī)即以AT89C52為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)接收上位機(jī)，即PC發(fā)送的時序命令后根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時序信號直接控制[3]相應(yīng)設(shè)備。下位機(jī)不時讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)(血氧飽和度值的模擬信號)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號反饋給上位機(jī)。硬件電路設(shè)計(jì)部分在這兩者之間是通過RS232 與MAX232[4]電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行串口通信，MAX232將TTL電平轉(zhuǎn)化為RS232信號進(jìn)行傳輸，每采集一次模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號就上傳輸一次，從而做到上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控的實(shí)時性。

圖4 主程序流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

整個監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行流程如下圖4所示。

3.2 EEPROM設(shè)計(jì)

EEPROM內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲格式設(shè)計(jì)為前三個字節(jié)依次是時間的時分秒，后一個字節(jié)為瞬間血氧飽和度數(shù)值。其中，在設(shè)計(jì)中每存完一組數(shù)據(jù)EEPROM地址+16，以保證地址不會被覆蓋改寫，以此保證系統(tǒng)在掉電之后對任意正確讀取記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，上電后不丟失。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊選用ADC0832(8位分辨)A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級，可適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換, 使用ADC0832進(jìn)行設(shè)計(jì)時，僅需要將8位數(shù)字輸出與濃度建立函數(shù)關(guān)系即可進(jìn)行血氧飽和度測量。在程序設(shè)計(jì)這方面不但可以滿足設(shè)計(jì)的要求，還可以節(jié)省一半的存儲空間。A/D轉(zhuǎn)換的流程圖如圖5所示。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

在Proteus ISIS環(huán)境下直接加載在keil C中生成的*．hex文件進(jìn)行仿真[5]。調(diào)節(jié)RV2的電阻值大小，當(dāng)液晶顯示的血氧飽和度值lt;100時,說明測試呼吸正常；液晶顯示的血氧飽和度值≥100時，說明測試呼吸不正常報(bào)警器發(fā)出警報(bào)。整機(jī)系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖6所示。經(jīng)實(shí)物測試按鍵模塊所設(shè)計(jì)的減少、增加、歷史上一頁、歷史下一頁鍵也均能實(shí)現(xiàn)液晶顯示、記錄、查詢功能。通過上述仿真驗(yàn)證了本次設(shè)計(jì)的呼吸監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性與準(zhǔn)確性。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行仿真圖

5 結(jié)語

本次研究提出了一種由按鍵、顯示、采集、復(fù)位等模塊構(gòu)成的基于AT89C52呼吸檢測系統(tǒng)。為使系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用意義，增加了上/下位機(jī)之間RS232、MAX232串口數(shù)據(jù)通信的設(shè)計(jì)。所研究的呼吸監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)軟硬件調(diào)試并仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。該設(shè)計(jì)可為醫(yī)療系統(tǒng)提供一定的參考價(jià)值。

[1] 沈紅衛(wèi).基于單片機(jī)的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2] 元紅妍,張鑫.電子綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教程[M].濟(jì)南：山東大學(xué)出版社，2015.

[3] 李美菊.基于單片機(jī)的直流電機(jī)變速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015(12)：260-263.

[4] 紀(jì)宗南.單片機(jī)外圍器件實(shí)用手冊[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

[5] 周潤景,張麗娜.PROTEUS的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[M].北京:北京航空大學(xué)出版社,2013.

責(zé)任編輯：程艷艷

ResearchonImplementationofRespiratoryMonitoringSystem

YU Geng

(Guomai Information College, Fujian University of Technology, Fuzhou 350014, China； Fuzhou Institute of Technology, Fuzhou 350506, China)

The design of respiratory monitoring system, by using AT89C52 microcontroller as the core control module, transfers breathe analog signal into digital signal through A/D processing technology, and displays information on LCD12864 monitor by counting of DS1302 clock and EEPROM storage device of AT24C02. The system is used to monitor and record oxygen saturation parameters of human respiratory, then to give the alarm processing in bad condition. In addition, it transfers the recorded data to the host computer (PC machine) through RS232 serial communication, so as to achieve the purpose of remote monitoring.

A/D; AT89C52; monitoring; display

2017-03-20

福建省教育廳科技項(xiàng)目(JAT160623)

余庚(1983-)，男，福建福州人，講師，碩士， 主要從事通信工程方面研究。

TP211

A

1009-3907(2017)10-0010-04