丁青鋒， 王麗姚

(華東交通大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

0 引 言

生活節(jié)奏加快，生活和工作壓力加大，導(dǎo)致人們健康多處于亞健康狀態(tài)，且在健康意識日益深入的情勢下，通過方便快捷的方式獲取人體生理狀況成為迫切需求。血壓、脈搏和體溫是人體非常關(guān)鍵的生理指標(biāo)，在臨床上通常作為檢查疾病與判斷醫(yī)療成效的重要依據(jù)[1,2]。

血壓、脈搏和體溫的傳統(tǒng)測量方式需要人手動操作的環(huán)節(jié)較多，且存在測量耗時長效率低的問題。為此，本文設(shè)計利用單片機控制傳感器測量生理指標(biāo)，代替了在傳統(tǒng)測量過程中需要手動操作的環(huán)節(jié)，同時可避免測量結(jié)果受主觀因素影響。系統(tǒng)設(shè)計選擇使用傳感器簡單，整體系統(tǒng)具有硬件設(shè)計制作簡單易實現(xiàn)，成本低廉，功耗低，操作簡便等優(yōu)點[3]。

1 血壓檢測原理

示波法又稱測振法，采用充氣袖帶來阻斷動脈血流，由于動脈血流的脈動，在放氣過程中通過壓力傳感器檢測袖帶內(nèi)動脈血流產(chǎn)生的氣壓振蕩波[4]。示波法測量血壓需要找到脈搏波振幅最大值A(chǔ)M，其最大值對應(yīng)于脈搏波平均值[5]。收縮壓和舒張壓分別由對應(yīng)脈搏波最大振幅AM比例確定[6]，記第一個脈搏波振幅大于0.5AM時的血壓值為收縮壓；記最后一個脈搏振幅大于0.8AM時的血壓值為舒張壓。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于單片機控制的人體健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計以單片機為核心，其功能為監(jiān)測人體體溫、脈搏和血壓生理特征。硬件系統(tǒng)總體設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計

3 硬件組成模塊

3.1 單片機控制模塊

單片機控制模塊硬件組成包括單片機、晶振電路和復(fù)位電路。單片機控制模塊電路圖如圖2，本文系統(tǒng)選用價格較低且性能強大的STC89C52單片機。

圖2 單片機控制模塊電路

STC89C52單片機共有40個引腳，系統(tǒng)設(shè)計用到的引腳及功能如下：1)40引腳連接+5 V電源VCC輸入端，為單片機工作提供電源；20引腳接地。2)19引腳和18引腳連接外部晶振，為使系統(tǒng)運行速度較快，系統(tǒng)選用24 MHz外部晶振。3)9引腳是單片機的復(fù)位信號端，系統(tǒng)采用按鍵復(fù)位。4)P0口為8位雙向I/O口，連接上拉電阻與液晶屏連接。5)P1口、P2口、P3口為準(zhǔn)雙向輸入輸出端口，用作外部設(shè)備與單片機之間的信號傳遞，例如系統(tǒng)使用引腳P2.0控制電磁閥釋放袖帶內(nèi)的空氣，使用引腳P2.1控制氣泵向袖帶充氣。

3.2 血壓脈搏測量模塊

血壓脈搏測量模塊主要是由Sensor101電容式壓力傳感器、74HC02芯片和充放氣裝置構(gòu)成，Sensor101傳感器和74HC02芯片完成對血壓和脈搏的測量任務(wù)，電路圖如圖3所示。Sensor101電容式壓力傳感器在電路中相當(dāng)于一個可變電容。Sensor101傳感器輸出的信號為數(shù)字信號，不需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，電路圖設(shè)計簡單。74HC02芯片實現(xiàn)4路2輸入或非門功能。

圖3 傳感器電路

Sensor101傳感器輸出的頻率值與所受的壓力值呈反比例關(guān)系，即當(dāng)受到的壓力變大時，極板間距離變小，電容值變大，輸出的頻率值變??；反之，輸出的頻率值將增大。Sensor101傳感器輸出特性如表1所示。單片機可使用內(nèi)部定時器進行同步計數(shù)得到壓力傳感器輸入的頻率值[7,8]。

表1 Sensor101傳感器輸出特性

血壓脈搏測量過程首先需要對袖帶進行充氣操作，測量結(jié)束后，需要進行放氣，袖帶充氣需要用到氣泵，充氣電路圖如圖4(a)所示，放氣需要使用電磁閥，電磁閥電路圖如圖4(b)所示。

圖4 充/放氣電路

3.3 體溫測量模塊

為了簡化電路，減低復(fù)雜度，系統(tǒng)設(shè)計采用接觸式測量方式[9]，選用較為簡單的DS18B20溫度傳感器來監(jiān)測人體體溫。

本系統(tǒng)設(shè)計中DS18B20溫度傳感器選用電源供電方式，即傳感器的VDD引腳與電源相連，GNG接地。DS18B20溫度傳感器測量得到的溫度值通過單片機P 3.7口傳送給單片機控制模塊。

3.4 報警顯示模塊

由于設(shè)計中需要顯示的字符較多，因此選用LCD1602液晶顯示器。單片機將顯示指令和顯示內(nèi)容通過P0口傳輸給液晶顯示器。

當(dāng)系統(tǒng)測得的血壓、脈搏、體溫超出正常范圍時，蜂鳴器發(fā)出報警聲音，提示被測者生理指標(biāo)異常。當(dāng)測得到的生理指標(biāo)超出正常范圍時，單片機端口P1.3輸出低電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出聲音；端口P1.3輸出高電平時，三極管截止，蜂鳴器不發(fā)聲。程序中改變單片機P1.3引腳輸出波形的頻率，可以調(diào)整控制蜂鳴器音調(diào)，產(chǎn)生各種不同音色、音調(diào)的聲音，用于提示不同生理指標(biāo)異常。

3.5 電源模塊

本系統(tǒng)設(shè)計中，充氣泵電路和電磁閥電路需要使用+6 V電源，單片機、液晶屏、溫度傳感器等需要使用+5 V電源。為方便實用，系統(tǒng)設(shè)計使用AMS1117—5低壓差穩(wěn)壓器設(shè)計穩(wěn)壓電路，輸出+5 V直流電源，穩(wěn)壓電路如圖5所示。

圖5 穩(wěn)壓電路

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計使用C語言進行軟件設(shè)計。系統(tǒng)使用前進行初始操作，系統(tǒng)設(shè)置按鍵用于選擇體溫測量功能、血壓脈搏測量功能，選擇使用血壓脈搏測量功能前需要提前佩戴好袖帶。測量功能選擇完畢后，由單片機控制進行測量、顯示等過程，血壓脈搏測量流程圖如圖6所示。

圖6 血壓脈搏測量流程圖

血壓脈搏測量過程可分為以下3個階段：

第一階段為測量準(zhǔn)備階段，單片機P2.1引腳輸出低電平，充氣泵開始向袖帶內(nèi)快速充氣，當(dāng)袖帶內(nèi)氣壓值達到180 mmHg時，單片機控制P2.1引腳輸出高電平，氣泵停止充氣。

第二階段為測量階段，第一階段結(jié)束時，血管受壓迫，血流不通。由于袖帶緩慢漏氣袖帶內(nèi)氣壓值逐漸降低，血管內(nèi)的血液由受阻狀態(tài)變?yōu)榫徛魍顟B(tài)，脈搏跳動引起袖帶內(nèi)氣壓值變化。壓力傳感器將袖帶內(nèi)氣壓變化轉(zhuǎn)化為頻率波形通過引腳P3.5輸入到單片機。

第三階段測量結(jié)束階段，單片機控制電磁閥開啟快速放出袖帶內(nèi)空氣，袖帶內(nèi)氣壓值迅速下降。

血壓脈搏測量過程中需要記錄關(guān)注脈搏振蕩波變化情況，對記錄的血壓值和振幅進行處理后，得到脈搏振蕩波振幅的最大值A(chǔ)M，并得到第一個脈搏波振幅大于0.5AM和最后一個振幅大于0.8AM時袖帶內(nèi)的氣壓值，分別即為收縮壓和舒張壓。脈搏通過單片機內(nèi)部定時器/計數(shù)器對傳感器Sensor101輸入的濾波后的脈搏波進行計數(shù)得到。

5 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)設(shè)計中使用到+6 V和+5 V兩個電源，在上電前需檢查電壓是否符合要求。硬件電路檢查完畢后，就將編譯好的程序燒寫到單片機上，進行調(diào)試。

系統(tǒng)對血壓脈搏進行測量時，需要將袖帶佩戴在手肘上處，佩戴過程中保持手臂放松，測量過程避免說話保持平靜。血壓脈搏測量過程中，袖帶內(nèi)氣壓值變化速度較快，而LCD1602液晶顯示屏為慢顯示器件，為使液晶顯示器顯示正常，可以采用讀忙標(biāo)志位或者適當(dāng)延時一定時間再顯示下一個字符，本系統(tǒng)設(shè)計中采用第二種方式。血壓脈搏測量過程中，液晶顯示器顯示袖帶內(nèi)氣壓值實物圖如圖7(a)所示。

系統(tǒng)對血壓脈搏測量結(jié)束，液晶顯示器上顯示血壓和脈搏值，其中，SBP、DBP、Pulse分別代表收縮壓、舒張壓、脈搏的數(shù)值。圖7(b)為某次血壓脈搏測量結(jié)果，由液晶屏顯示數(shù)值可看出：被測者收縮壓為104 mmHg，舒張壓為67 mmHg，脈搏為77次/min，生理指標(biāo)屬正常范圍。系統(tǒng)多次測量與傳統(tǒng)水銀血壓計比較，所測的血壓誤差不超過10 mmHg，每分鐘脈搏誤差平均值為2。

圖7 血壓脈搏測量實物顯示

6 結(jié) 論

本文設(shè)計使用STC89C52單片機設(shè)計人體健康監(jiān)測系統(tǒng)用于快速監(jiān)測人體體溫、血壓脈搏生理指標(biāo)，并可以在生理指標(biāo)異常時報警提示。所設(shè)計系統(tǒng)具有測量快、低能耗、結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、成本低廉等的優(yōu)勢，同時系統(tǒng)設(shè)計還有需要完善的地方，如系統(tǒng)體積較大未達到便攜式要求。