摘" 要：該研究致力于設(shè)計(jì)一款適用于家庭的醫(yī)療電子健康檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合現(xiàn)代醫(yī)療電子科技，集多種生理參數(shù)檢測(cè)功能于一體，為家庭用戶日常需要提供快捷、全面的健康檢測(cè)服務(wù)。該系統(tǒng)主要由ATM89C51單片機(jī)控制模塊、溫度采集模塊、心率血氧采集模塊、電源模塊、顯示模塊和報(bào)警模塊等部分組成。實(shí)現(xiàn)體溫、心率和血氧飽和度的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送并將初步處理結(jié)果顯示在屏幕上，便于用戶查看檢驗(yàn)結(jié)果，為疾病防控與健康管理提供強(qiáng)有力的支持。

關(guān)鍵詞：ATM89C51;體溫檢測(cè);心率血氧檢測(cè);數(shù)據(jù)采集;檢驗(yàn)結(jié)果

中圖分類號(hào)：TP212" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）11-0053-04

Abstract： This research is committed to designing a medical electronic health testing system suitable for home use. The system integrates modern medical electronic technology and integrates multiple physiological parameter detection functions to provide fast and comprehensive health testing services for the daily needs of home users. This system mainly consists of ATM89C51 MCU control module， temperature acquisition module， heart rate and blood oxygen acquisition module， power supply module， display module， alarm module and other parts. It realizes the data acquisition of body temperature， heart rate， and blood oxygen saturation， enabling real-time data transmission and displaying preliminary processing results on the screen for easy access by users， thereby providing robust support for disease prevention， control， and health management.

Keywords： ATM89C51; body temperature detection; heart rate and blood oxygen detection; data collection; inspection results

目前，健康狀況一直備受矚目，特別是近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人類所面臨的壓力也在不斷加大。然而，盡管科技不斷進(jìn)步，但人們的健康狀況并未得到明顯改善，許多疾病若能在其初始階段便被及時(shí)察覺(jué)和警示，其可能造成的傷害便可以得到有效的避免。因此，前期有效的健康檢測(cè)日趨重要。其中，具有自動(dòng)、實(shí)時(shí)、精確檢測(cè)人體生理參數(shù)功能的家用智能醫(yī)療器械已然成為了當(dāng)前研究的焦點(diǎn)。

1" 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能要求與系統(tǒng)組成

1.1" 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能

家庭多功能健康檢測(cè)儀是一種家庭便攜式的醫(yī)療設(shè)備，可以對(duì)體溫?cái)?shù)據(jù)和心率血氧數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、連續(xù)、精準(zhǔn)檢測(cè)，用戶可以實(shí)時(shí)了解其身體狀況的基本生理參數(shù)及其變化，為醫(yī)生的進(jìn)一步臨床診斷、治療及后期的護(hù)理提供重要依據(jù)[1]。隨著時(shí)代的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，公眾對(duì)于醫(yī)療保健服務(wù)的需求呈現(xiàn)出日益增長(zhǎng)的趨勢(shì)，廣泛應(yīng)用于日常生活中的多功能健康檢測(cè)儀有望成為醫(yī)療領(lǐng)域的必備工具。隨著生活品質(zhì)的提升，多功能健康檢測(cè)儀的市場(chǎng)需求愈發(fā)顯現(xiàn)。然而，現(xiàn)階段該類產(chǎn)品在我國(guó)屈指可數(shù)且價(jià)格相對(duì)較高，因此，設(shè)計(jì)一款家庭多功能健康檢測(cè)儀具有極大的社會(huì)價(jià)值。

1.2" 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由軟件、硬件2部分組成，硬件結(jié)構(gòu)主要由ATM89C51單片機(jī)、MAX30102脈搏血氧和心率檢測(cè)生物傳感器、DS18B20溫度傳感器、LCD液晶顯示及蜂鳴器報(bào)警等模塊組成。該系統(tǒng)的工作原理是：通過(guò)軟件編程，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊數(shù)據(jù)采集，然后系統(tǒng)通過(guò)指定算法對(duì)上述采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得到具體的溫度值、心率值、血氧值，并通過(guò)LCD模塊進(jìn)行顯示。

2" 總體設(shè)計(jì)

家庭多功能健康檢測(cè)儀是一種溫度測(cè)量、心率監(jiān)測(cè)、血氧檢測(cè)、當(dāng)前數(shù)值顯示和超出閾值報(bào)警的系統(tǒng)。其分為一個(gè)個(gè)具體的模塊，分別是ATM89C51主控器，該芯片負(fù)責(zé)接收信息并進(jìn)行處理加工，ATM89C51對(duì)各個(gè)模塊之間的運(yùn)行進(jìn)行精確控制與高效協(xié)調(diào);DS18B20溫度傳感器檢測(cè)人體體溫，經(jīng)放大電路將采集到的微弱溫度信號(hào)放大后，由模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換傳送給ATM89C51單片機(jī);MAX30102脈搏血氧和心率檢測(cè)生物傳感器模塊，將采集的數(shù)據(jù)傳送給ATM89C51單片機(jī);蜂鳴器報(bào)警模塊，在接受到的數(shù)據(jù)超過(guò)閾值時(shí)報(bào)警;LCD液晶顯示模塊，負(fù)責(zé)接收ATM89C51單片機(jī)發(fā)送的指令顯示當(dāng)前溫度、心率、血氧。

該系統(tǒng)包括ATM89C51數(shù)據(jù)處理、心率采集、溫度采集、LCD液晶顯示和蜂鳴器報(bào)警，其結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。

2.1" 硬件設(shè)計(jì)

ATM89C51是Atmel公司推出的一款基于8051內(nèi)核打造的低功率消耗且高效能的CMOS8位微型控制器。ATM89C51具有32個(gè)I/O口線，具備與外部設(shè)備或者電路進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸及精細(xì)化控制的強(qiáng)大功能，本系統(tǒng)中，P0.0—P0.7接四位數(shù)碼管控制段選;P3.5—P3.7接心率血氧采集模塊;P3.4與蜂鳴器相接，當(dāng)測(cè)量值超過(guò)閾值蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警;P3.3接溫度采集傳感器。單片機(jī)控制模塊電路如圖2所示。

2.2" 溫度采集模塊

DS18B20是一款創(chuàng)新式智能溫度傳感器。相較于傳統(tǒng)的熱敏電阻，這款傳感器具有更為卓越的性能，其能直接讀取測(cè)量溫度，更具直觀性，其測(cè)量范圍為-55～125 ℃，正常情況下誤差為±0.5 ℃，測(cè)量結(jié)果可以直接輸出數(shù)字溫度，而且它的抗干擾能力極好，即使在一些極端的環(huán)境下也能較準(zhǔn)確地輸出溫度值，同時(shí)將采集到的溫度傳給單片機(jī)[2-3]。溫度采集電路如圖3所示。

2.3" 心率血氧傳感器模塊

MAX30102是一個(gè)集成的脈搏血氧儀和心率檢測(cè)儀生物傳感器的模塊。這款脈搏血氧及心率檢測(cè)集成傳感器模塊的功耗極低，完善的系統(tǒng)方案可有效節(jié)省空間、簡(jiǎn)化智能設(shè)備及可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)流程。此外，還借助了光反射原理測(cè)量心率速率和血氧濃度。MAX30102有一個(gè)紅光RED和紅外光IR發(fā)光二極管，按照一定的先后順序使2個(gè)發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)過(guò)手指反射，光電傳感器將發(fā)射光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電壓;然后通過(guò)一個(gè)18位的高分辨率ADC將采集的模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量[4];在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體情況對(duì)其算法進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整校準(zhǔn)。最后經(jīng)過(guò)MAX30102內(nèi)置的I2C通信端口，將數(shù)字量送給主控制器。心率血氧采集電路如圖4所示。

2.4" 顯示模塊

LCD1602被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的屏幕顯示中，為用戶提供了清晰、生動(dòng)的視覺(jué)體驗(yàn)。其耗電量低、體積小和輻射低。對(duì)于本設(shè)計(jì)而言，通過(guò)液晶顯示模塊將檢測(cè)的溫度、心率、血氧數(shù)據(jù)信息展示給用戶。液晶顯示電路主要由LCD1602和外圍電路組成，顯示器電路如圖5所示。

2.5" 報(bào)警模塊

當(dāng)人體生理指標(biāo)出現(xiàn)異常狀況時(shí)，采用蜂鳴器發(fā)出警示功能，蜂鳴器報(bào)警電路配置了一個(gè)蜂鳴器及三極管驅(qū)動(dòng)器。三極管可視為蜂鳴器的開(kāi)關(guān)，通過(guò)開(kāi)啟三極管，就能夠?qū)毫蛘叻讲ㄐ盘?hào)施加至蜂鳴器的2個(gè)關(guān)鍵控制端口上，從而驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲響。而三極管的觸發(fā)是通過(guò)高低電平實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)其提供高電平時(shí)，便會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲響;反之，只需提供低電平，蜂鳴器則無(wú)須發(fā)出響聲。報(bào)警電路如圖6所示。

2.6" 電源模塊

為確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行并達(dá)到最佳性能，電源模塊由DC電源接口和開(kāi)關(guān)構(gòu)成。此外，考慮到電路穩(wěn)定性及各功能模塊對(duì)電源供電精確度的需求，其輸出電壓穩(wěn)定，能夠滿足整個(gè)系統(tǒng)的供電需求。首先，它可以通過(guò)高效率的轉(zhuǎn)換過(guò)程將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，減少能量的損耗。其次，可以提供穩(wěn)定的電壓輸出，避免電壓波動(dòng)對(duì)設(shè)備造成影響，可以提高設(shè)備的工作效率，減少能耗。因此，在此次設(shè)計(jì)過(guò)程中，選用5 V的DC電源接口通過(guò)USB線提供給控制系統(tǒng)所需的穩(wěn)定電壓。電源電路如圖7所示。

3" 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1" 軟件選擇及工作流程

完整的控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，本設(shè)計(jì)利用ATM89C51單片機(jī)為控制中心，利用Keil uVision5進(jìn)行編譯，設(shè)計(jì)主要分為主程序模塊、溫度控制模塊、心率血樣采集模塊、報(bào)警模塊和液晶顯示模塊。軟件設(shè)計(jì)主流程如圖8所示。

主程序模塊：系統(tǒng)上電后，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，配置傳感器的引腳，隨后DS18B20溫度傳感器及MAX30102心率血氧傳感器模塊將獲得用戶的體溫?cái)?shù)值、心率頻次和血氧飽和度生理數(shù)據(jù)發(fā)送給主控芯片，隨后對(duì)已采集到的各項(xiàng)生理指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行處理與算法分析;單片機(jī)將計(jì)算處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給LCD顯示模塊，并且將這些數(shù)據(jù)展示在顯示屏上，便于觀察。如果發(fā)現(xiàn)檢測(cè)的參數(shù)中任意一項(xiàng)出現(xiàn)異常（超出規(guī)定的閾值范圍），便立即啟動(dòng)警報(bào)系統(tǒng)。

3.2" 軟件功能實(shí)現(xiàn)

1）溫度顯示模塊功能實(shí)現(xiàn)。程序設(shè)計(jì)先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，DS18B20溫度傳感器讀取體溫?cái)?shù)值，經(jīng)過(guò)1s延時(shí)后[5-6]，利用傳感器內(nèi)部的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后輸出數(shù)據(jù)，返回到主程序，溫度采集模塊流程如圖9所示。

2）心率血氧模塊功能實(shí)現(xiàn)。程序設(shè)計(jì)首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，MAX30102心率血氧傳感器讀取脈搏波信號(hào)，隨后對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波去噪處理后放置于緩存區(qū)，單片機(jī)通過(guò)I2C接口讀寫內(nèi)部寄存器，計(jì)算出血氧和心率數(shù)值，讀取出相應(yīng)的數(shù)據(jù)并顯示數(shù)據(jù)，返回到主程序，心率血氧采集模塊流程如圖10所示。

3）顯示模塊程序設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，向LCD1602顯示屏發(fā)送字符串，隨后讀取結(jié)果，將讀取的數(shù)據(jù)顯示，最后返回到主程序，顯示模塊流程如圖11所示。

4）報(bào)警模塊程序設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，蜂鳴器判斷數(shù)據(jù)是否異常，即閾值判斷，當(dāng)溫度大于37 ℃或小于36 ℃;心率大于100次/min或小于60次/min;血氧飽和度大于100%或小于95%;數(shù)據(jù)異常蜂鳴器啟動(dòng)報(bào)警，反之則返回到主程序，報(bào)警模塊流程如圖12所示。

4" 系統(tǒng)仿真結(jié)果

Proteus是一款電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具軟件。該軟件集原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、虛擬模型仿真及PCB布局等功能于一體，提供豐富的調(diào)試功能。本文中仿真設(shè)置溫度為36 ℃，心率為78次/min，血氧飽和度為98%，最后編譯、加載、仿真，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖13所示。

當(dāng)設(shè)置的參數(shù)溫度大于37 ℃或小于36 ℃;心率大于100次/min或小于60次/min;血氧飽和度大于100%或小于95%蜂鳴器輸出高電平，進(jìn)行報(bào)警，提醒用戶注意健康問(wèn)題。

5" 結(jié)論

本文圍繞家庭多功能健康檢測(cè)儀器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開(kāi)研究，通過(guò)深入探討其設(shè)計(jì)意義、技術(shù)實(shí)現(xiàn)與市場(chǎng)前景，旨在為家庭健康檢測(cè)提供更為便捷、精準(zhǔn)的工具，為用戶提供便捷、高效的健康管理體驗(yàn)。本文詳細(xì)介紹了儀器的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)，包括傳感器工作原理、傳感器選擇、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)等方面。然而，在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些不足之處，如設(shè)備的便捷性、智能化等方面還有待進(jìn)一步改進(jìn)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)需求的變化，未來(lái)將繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)、提升設(shè)備性能，為用戶帶來(lái)更加完善的家庭多功能健康檢測(cè)體驗(yàn)。

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