李亞妹，楊川

（重慶機電職業(yè)技術(shù)大學(xué)，重慶璧山，402760）

0 前言

當(dāng)今社會，隨著經(jīng)濟和科技的快速發(fā)展，人們在生活水平提高、物質(zhì)需求得到滿足之后，越來越重視身體的保健和疾病的預(yù)防治療，慢性疾病是威脅健康的主要隱患之一。其中心血管疾病[1]已經(jīng)成為人類“第一大殺手”，對于此類疾病來說，預(yù)防為重中之重，可以做到防患于未然，并在發(fā)病的黃金時段做出診斷和治療。

本文針對以上問題，設(shè)計脈搏波以及體溫的測量系統(tǒng)。該測量儀由單片機主控芯片模塊、電源模塊，傳感器檢測模塊、信號處理模塊、上位機PC 模塊以及相應(yīng)的軟件構(gòu)成，包括體溫測試、脈搏測試兩個主要功能。其中電源模塊主要實現(xiàn)測量儀的供電，保證測量儀的正常工作。傳感器檢測模塊實現(xiàn)人體生理信號脈搏和體溫的采集，信號處理模塊通過硬件電路和程序?qū)Σ杉男盘栠M行處理并通過USB 口上傳到上位機。測量儀上電后由工作指示燈和收發(fā)指示LED 顯示基本工作情況和監(jiān)測系統(tǒng)的通信狀態(tài)。下文中將詳細介紹體溫測量儀的主要功能、特點以及硬件系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 體溫脈搏測量儀功能特點

本測量儀工作電壓為5VDC，脈搏波測量范圍為幅值0～5VDC，體溫測量范圍為10～45°，主要實現(xiàn)對人體體溫、脈搏波的采集和處理，具有可操作性好、成本低、重復(fù)性好的優(yōu)勢，非常方便與居家使用以及社區(qū)的推廣服務(wù)，可以實現(xiàn)以下幾個功能。

①實現(xiàn)脈搏、體溫的全自動測量；②模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸功能及USB 通信；③電池供電或USB 供電兩種備選供電模式。

2 硬件設(shè)計方案

本測量儀的硬件系統(tǒng)主要由主控芯片HT66F0185模塊、體溫脈搏采集模塊、電源模塊、通訊模塊四個主要模塊構(gòu)成，其硬件框圖如圖1 所示。

圖1 測量儀硬件系統(tǒng)組成框圖

■2.1 體溫脈搏測量儀功能設(shè)計

本文設(shè)計的體溫脈搏測量儀主要實現(xiàn)的功能設(shè)計為：電池或者USB 為系統(tǒng)提供5V 電源；HK-2000B 型脈搏傳感器輸出的信號通過硬件電路進行放大、濾波等處理后輸入單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口；PT1000 體溫傳感器輸出的信號通過硬件電路放大、濾波等處理后輸入單片機I/O 端口；考慮到具有RS-232 接口的電腦越來越少，作品選用USB 芯片CH341 作為通信接口，數(shù)據(jù)通過USB 口將數(shù)據(jù)傳送到上位機進行處理。最終可記錄到實時體溫和兩路脈搏信號，通過兩個脈搏信號傳輸時間差，可方便的計算出心血管重要評價參數(shù)PWV。

■2.2 電源模塊設(shè)計

電源模塊采用兩種供電方式，分別為電池供電和USB供電。如圖2 所示。單片機工作電壓為3.3V-5.5V?？刹捎? 節(jié)1.2V 充電電池給系統(tǒng)供電，也可以通過USB 接口為主板供電。設(shè)計中需要的負電源由鏡像電源提供。使用電荷泵芯片LMC7660 產(chǎn)生鏡像電壓，通過2 芯片并聯(lián)為放大電路提供足夠的電流。LMC7660 應(yīng)用電路見圖2。

圖2 鏡像電源設(shè)計

■2.3 體溫采集模塊設(shè)計

對體溫以及脈搏波的采集利用傳感器完成。針對現(xiàn)有的傳感器進行功能對比，選擇性價比高，體溫性符合測量儀要求的采集方案。脈搏波采集選擇合肥華科電子技術(shù)研究所所生產(chǎn)的HK-2000B 型脈搏傳感器，傳感器為壓力傳感器，基于脈壓法原理輸出完整的脈搏波電壓信號，經(jīng)過放大處理獲取0～5V 的脈搏信號[3]。單片機對信號采集后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C 端顯示，并能夠在PC 端完成信號的分析和診斷。

傳感器[4]主要技術(shù)參數(shù)如下：（1）工作電壓：直流5～6V；（2）壓力量程：-50mmHg～+300mmHg；（3）靈敏度：2000uV/mmHg；（4）靈敏度體溫系數(shù)：1×10-4/℃；（5）精度：0.5%；（6）重復(fù)性：0.5%；（7）遲滯：0.5%（8）過載：100 倍。

脈搏信號前端放大電路如圖3 所示，由于脈搏傳感器輸出的模擬信號電壓范圍是-0.1～0.6V，輸出的模擬信號電壓值相對較小，因此需要通過設(shè)計反相比例放大器的方式將輸出的信號放大到合適的范圍。

圖3 脈搏信號放大電路

傳感器輸出的脈搏信號頻率較低，容易引入干擾。比如肌體抖動、精神緊張帶來的假象信號或者是50Hz 的工頻干擾等等?？梢圆捎糜布V波、單片機軟件濾波等放來來處理這些干擾。在本文中硬件低通濾波電路來實現(xiàn)。

采用運算放大器LF444 和相應(yīng)的電阻、電容組成一個二階巴特沃斯低通濾波器。該脈搏傳感器輸出的模擬信號電壓范圍是-0.1～0.6V，輸出有負值，在第一級放大電路中采用的是反相放大電路，因此在此電路中用反相放大電路來實現(xiàn)電壓抬升。具體電路如圖4 所示。測量的脈搏信號經(jīng)過處理后通過單片機I/O 端口傳送到單片機中，在程序控制下進行兩路脈搏波同步采樣；將A/D 轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量由單片機通過USB 接口將脈搏波數(shù)據(jù)傳送到PC 機。

圖4

■2.4 脈搏采集模塊設(shè)計

體溫采集利用鉑電阻體溫傳感器PT1000 檢測體溫輸出電信號，再將電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字顯示體溫，所測得的體溫變化曲線和體溫值在PC 機上實時顯示，實現(xiàn)體溫測量。

將PT1000 測量體溫設(shè)定在10°～45°范圍。作品采用的測溫電路為恒流電路，首先經(jīng)過MC1403 芯片產(chǎn)生2.5V 基準(zhǔn)電壓，而后通過運放構(gòu)成的恒流電路使得流經(jīng)Rt 的電流是恒定的，由于流經(jīng)體溫傳感器的電流不變，其電壓隨著阻值的變化而變化，因此反映出的就是體溫變化狀況。恒流電路如圖5 所示。根據(jù)體溫變化對PT1000 進行體溫標(biāo)定，對測得五組數(shù)據(jù)進行方差分析，可近似認(rèn)為PT1000 測量電路輸出在10°～45°范圍內(nèi)隨體溫變化為線性關(guān)系，在LabVIEW 程序中可以通過線性映射把體溫計算出來。

圖5 恒流電路

3 軟件設(shè)計

該設(shè)計利用合泰單片機對脈搏、溫度信號的采集進行定時控制，通過傳感器采集實時的脈搏和溫度信號，并將信號進行放大、濾波等處理。利用硬件電路對信號進行采集及處理，簡化了系統(tǒng)軟件設(shè)計的復(fù)雜程度，使設(shè)計可行性更好，相對更加穩(wěn)定。

軟件系統(tǒng)工作流程大致為：系統(tǒng)進行初始化設(shè)置，通過選項判斷采集體溫或脈搏信號，進入相應(yīng)的信號采集環(huán)節(jié)。體溫采集通過傳感器PT100 實現(xiàn)，脈搏波通過傳感器采集兩路脈搏信號，信號采集完成后，經(jīng)過處理后將結(jié)果通過USB 端口送入上位機中。采用LabVIEW 進行結(jié)果的運算（PWV 運算）及波形的顯示，可以更加直觀的觀察脈搏和溫度信號，并可將最終結(jié)果進行打印，以紙質(zhì)結(jié)果的形式供給醫(yī)護人員查看和存檔。

4 結(jié)論

文中所設(shè)計的脈搏體溫測量儀設(shè)計方案簡單，可行性高。利用單片機控制傳感器采集脈搏和溫度信號，并通過硬件電路進行信號的處理，將最終的結(jié)果通過上位機進行顯示。經(jīng)過測試，該設(shè)計可以實現(xiàn)脈搏波和溫度的測量，并通過上位機進行脈搏波波形顯示、PWV 脈搏波測速、溫度實時顯示以及報告單打印。操作簡單方便，可供給家庭、社區(qū)醫(yī)護人員使用，實現(xiàn)人體脈搏溫度信號的自測，為心腦血管慢性病的預(yù)防提供便利。