姜銘 李亦寧 苗紫民 呂東艷 周慧

摘要：生活中很多潛在的病毒會(huì)引起發(fā)熱，心律不齊，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)將會(huì)帶來(lái)很?chē)?yán)重的后果，就如現(xiàn)在的新冠病毒引起的癥狀（發(fā)熱和呼吸困難），這時(shí)就需要心率體溫測(cè)量計(jì)，可以方便實(shí)時(shí)檢測(cè)體溫，有效監(jiān)測(cè)心率是否正常。特別是免疫系統(tǒng)比較差幼兒和老人的，這時(shí)就需要一款方便快捷的測(cè)量工具。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);溫度傳感器;多功能;便攜式

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）16-0232-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Heart Rate and Temperature Meter Based on Single Chip Microcomputer

JIANG Ming， LI Yi-ning， MIAO Zi-min， LV Dong-yan， ZHOU Hui

（College of Information Science and Technology， Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， China）

Abstract： some potential viruses can cause fever， arrhythmia， if not detected in time will bring very serious consequences， such as the current symptoms caused by the new coronavirus is fever and breathing difficulties， then the need for the heart rate and temperature meter， not only can facilitate the detection of body temperature， but also can effectively monitor whether the heart rate is normal.And young children and the elderly have poor immune systems， which requires a quick and easy measurement tool.

Key words： SCM; Temperature sensor; Multi-function; portable

測(cè)量體溫和心率是生活中常用的醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)手段，傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)和聽(tīng)診器存在測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)讀取不方便，數(shù)據(jù)測(cè)量不準(zhǔn)確，玻璃溫度計(jì)易破損等缺點(diǎn)，容易造成測(cè)量人員的傷害。

如今隨著人們?nèi)粘Ｉ钯|(zhì)量水平的提高，及二胎政策的開(kāi)放，人口逐步老齡化，日益發(fā)展的電子信息技術(shù)在家用醫(yī)療保健中得到更加廣泛應(yīng)用，隨著國(guó)家越來(lái)越重視醫(yī)療健康技術(shù)水平的發(fā)展，此時(shí)人們就需要一款便捷測(cè)量心率和體溫的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)心率體溫測(cè)量計(jì)可以快速方便的檢測(cè)體溫和心率，預(yù)防疾病，監(jiān)測(cè)兒童和老人的健康狀況。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

本次設(shè)計(jì)使用單片機(jī)MCS-51作為控制核心來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的測(cè)量功能，此單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于控制簡(jiǎn)單且比較實(shí)用，性?xún)r(jià)比較高[1]。該系統(tǒng)的功能在于主控制器、收集心率、檢測(cè)體溫，采用AT89C51單片機(jī)能夠及時(shí)、高效的監(jiān)測(cè)心率、體溫并顯示其數(shù)據(jù)。圖1系統(tǒng)模型框圖。首先心率被MPX2100壓阻傳感器收集，然后由電壓比較器轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，最終發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理和顯示。二進(jìn)制碼形式串行在DS18B20溫度傳感器被運(yùn)用，目的在于將收集的溫度信號(hào)送到單片機(jī)處理并顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 AT89C51 單片機(jī)主控電路

單片機(jī)是系統(tǒng)的重心，時(shí)鐘器外部連接振蕩電路（12MHz），復(fù)位鍵為S，構(gòu)成如圖2。測(cè)溫傳感器接于P3.7，超聲波接收電路連于P3.4。硬件電路分為：時(shí)鐘、復(fù)位、溫度、心率檢測(cè)、顯示和異常報(bào)警電路。

2.2 心率監(jiān)測(cè)模塊

心率的監(jiān)測(cè)是該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)較重要的一部分，其硬件的設(shè)計(jì)也較為豐富復(fù)雜。心率測(cè)量使用壓式傳感器，該傳感器優(yōu)勢(shì)為：（1）電橋由4個(gè)等值電阻構(gòu)成;（2）先進(jìn)的半導(dǎo)體電子技術(shù)微細(xì)加工;（3）具有很好的溫度補(bǔ)償、線(xiàn)性度功能;（4）輸出電壓和所加壓力形成正比關(guān)系[1]。測(cè)量過(guò)程為：（1）將傳感器貼在體表;（2）采集心率信號(hào);（3）由比較器將收集信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào);（4）送到單片機(jī)P3.4口;（5）單片機(jī)脈沖計(jì)數(shù)（次/10s），測(cè)得心率值。另設(shè)有心跳指示燈，LED指示燈隨心跳的次數(shù)而閃爍，電路如圖3所示。誤差分析：原因有：（1）環(huán)境溫度較低時(shí)，導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生誤差（溫度范圍0～85C）。（2）操作不規(guī)范。（比較器由LM324集成運(yùn)放器構(gòu)成）

2.3 體溫檢測(cè)模塊

熱敏電阻器測(cè)溫時(shí)是利用電阻值的溫度依賴(lài)性的，溫度傳感電路將傳感器產(chǎn)生的點(diǎn)阻值與溫度變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，形成電路。 半導(dǎo)體熱敏電阻器可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是正溫度系數(shù)型，另一類(lèi)是負(fù)溫度系數(shù)型，它隨溫度的升高而減小[3]。熱敏電阻器的進(jìn)行具有高電阻率和高溫度影響系數(shù)，但它們可以是非線(xiàn)性的，排列產(chǎn)生不良和穩(wěn)定性差。 它們通常只適用于低溫測(cè)量。本次心率體溫測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用DS18B20對(duì)人體體溫進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將結(jié)果顯示在1602LCD顯示屏上，溫度測(cè)量范圍為-55C～+125C，可用來(lái)編程的分辨率為9～ 12位[4]，與其相對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5C、0.25C、0.125 C和0.0625C，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度測(cè)量。

2.4 顯示電路設(shè)計(jì)

顯示電路模塊采用LM016L液晶模塊，模塊內(nèi)部帶有控制器，接口為數(shù)字式接口，顯示質(zhì)量高，并且還具備字符閃爍、移動(dòng)等功能[5]。與單片機(jī)通信有兩種傳輸方式：8位、4位并行傳輸， 引腳連接為D0～D7與單片機(jī)P1.0～1.7。

2.5 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警電路由二極管、電阻組成，如需報(bào)警，LED會(huì)發(fā)光，報(bào)警時(shí)間可以通過(guò)寫(xiě)程序控制，報(bào)警電路與單片機(jī)P2.0口相連（圖6）。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序組成為：主程序、測(cè)溫程序、心率測(cè)量程序和顯示模塊。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)和LCD會(huì)被初始化，初始化的過(guò)程主要是集單片機(jī)的每個(gè)部分的工作狀態(tài)，然后就可以開(kāi)始測(cè)量體溫和心率，通過(guò) lm016l 顯示器輸出并顯示，當(dāng)體溫、心率超過(guò)自己一定時(shí)間限度時(shí)，報(bào)警信息系統(tǒng)會(huì)做出提示。過(guò)程中所使用的DS18B20溫度傳感器與AT89C51的P3.7口串接，測(cè)溫程序過(guò)程中，時(shí)序讀寫(xiě)為重，否則結(jié)果會(huì)異常[2]。心率信號(hào)被壓式傳感器送到單片機(jī)的P3.4口完成中斷，將存儲(chǔ)計(jì)數(shù)值設(shè)置為零后，初始化計(jì)時(shí)器，然后確定計(jì)數(shù)是否達(dá)到10秒，如果不是10秒鐘則繼續(xù)計(jì)數(shù)，否則10秒鐘停止計(jì)數(shù)，讀取計(jì)數(shù)值，然后我們?cè)匍_(kāi)始重新循環(huán)。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)心率計(jì)溫功能穩(wěn)定、使用方便，應(yīng)用廣泛，具有實(shí)際意義。綜合了很多問(wèn)題，調(diào)試過(guò)程中一些數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。 心率檢測(cè)分析數(shù)據(jù)受外部環(huán)境的影響，實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件有限，數(shù)據(jù)主要分布趨于均勻，偶爾有一些異常數(shù)據(jù)，心率數(shù)據(jù)是一種異常現(xiàn)象，可能是外部環(huán)境的影響，也可能是一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件不穩(wěn)定，但大部分?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)域是可以通過(guò)理解的。起初體溫?cái)?shù)據(jù)呈上升趨勢(shì)，然后逐漸穩(wěn)定，可能是因?yàn)閭鞲衅饕婚_(kāi)始不適應(yīng)環(huán)境溫度，然后人體體溫慢慢傳到傳感器，溫度開(kāi)始逐漸升高，最后穩(wěn)定，數(shù)據(jù)基本在人體體溫正常測(cè)量范圍內(nèi)波動(dòng)。

通過(guò)本項(xiàng)目的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，我們了解了理論與實(shí)踐的差距，對(duì)項(xiàng)目具體的設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程有了更進(jìn)一步的了解。此次的設(shè)計(jì)研究結(jié)果也達(dá)到了預(yù)想的目的，也為以后需要我們可以在其他設(shè)計(jì)中熟練使用相應(yīng)的軟件提供了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]? 陳圣林，侯成晶.圖解傳感器技術(shù)及應(yīng)用電路（第一版）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[2] 劉文，楊欣，張鎧麟.基于AT89C2051單片機(jī)的指脈檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J].醫(yī)療裝備，2005，18（9）：9-11.

[3] 李金義，杜振輝，齊汝賓，等.利用熱敏電阻精確測(cè)量DFB激光器動(dòng)態(tài)結(jié)溫度[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2012，33（9）：2088-2093.

[4] 歐陽(yáng)俊，謝定，李曉春，等.基于BL-410的指端脈搏波采集系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].實(shí)用預(yù)防醫(yī)學(xué)，2004，11（2）：385-386.

[5] 張靖武，周靈彬.單片機(jī)系統(tǒng)的PROTEUS設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】