便攜式生命體征動(dòng)態(tài)監測儀設計

生命體征監測儀是醫院不可缺少的重要設備，它實(shí)時(shí)、連續、長(cháng)時(shí)間地監測病人的重要醫學(xué)生理參數，并將獲得的數據傳送給醫護人員，以供醫護人員進(jìn)行分析，使得醫護人員能夠對病人當前的狀態(tài)做出正確判斷，從而做出正確的處理。便攜式生命體征監測儀采用隨身式設計，小型輕便，能實(shí)時(shí)地進(jìn)行人體多生理參數的監護，最適合于野外及家中，并可用于普通醫院作為個(gè)人生命參數監護設備。

本文將該設計劃分為若干個(gè)模塊，分塊實(shí)現各生理參數的測量及處理。選用不同的傳感器對各生理參數進(jìn)行采集，以單片機為控制核心，編程實(shí)現對輸入信號的處理和輸出信號的控制。

1 系統整體設計

1.1 硬件系統設計

系統總體結構框圖如圖1所示。本設計以AVR單片機ATmega16為控制核心，通過(guò)溫度傳感器、硅光電池、壓力傳感器、加速度傳感器獲得人體溫度、脈搏、血壓及跑步者的步數情況，再由單片機實(shí)時(shí)計算測量值并將結果送至液晶顯示器顯示，當測量值超過(guò)設定的閾值時(shí)，觸發(fā)聲音報警。系統設有鍵盤(pán)、人工復位電路。

1.2 軟件系統設計

軟件采用模塊化設計方法，由主程序及參數測量、液晶顯示、和鍵盤(pán)處理等若干子程序組成。系統主程序流程圖如圖2所示，系統上電后首先初始化，然后進(jìn)行各參數的測定、判斷超量報警及顯示等操作。

2 各模塊設計

2.1 溫度檢測模塊

采用數字溫度傳感器DS18B20，其優(yōu)點(diǎn)是提供12位溫度讀數，從單片機到DS18B20僅需一條數據線(xiàn)。DS18B20的測量范圍從-55℃到+125℃，增量值為0.5℃，可在1 s內把溫度變換成數字。

完成溫度轉換經(jīng)過(guò)3個(gè)步驟：1)每一次讀寫(xiě)之前都要對DS18B20進(jìn)行初始化操作;2)初始化成功后發(fā)跳過(guò)ROM指令;3)最后發(fā)送溫度轉換RAM指令。這樣等轉換完成后將所測溫度值送入緩沖區以供LCD顯示，若溫度值超過(guò)預設閾值，則觸發(fā)報警提示。

2.2 脈搏檢測模塊

利用指套式光電傳感器，換能元件采用硅光電池，由于心臟的跳動(dòng)，引起手指尖的微血管的體積發(fā)生相應的變化，當光通過(guò)手指尖射到硅光電池上時(shí)，產(chǎn)生光電效應，兩極之間產(chǎn)生電壓由于指尖的微血管內的血液隨著(zhù)心臟的跳動(dòng)發(fā)生相應于脈搏的容積變化，因而使光透過(guò)指尖射到硅光電池時(shí)也發(fā)生相應的強度變化，這樣就把人體的脈搏轉換為相應的電信號。結構如圖3所示。

光電脈搏檢測電路共分為5個(gè)部分，由光發(fā)射電路、光電轉換電路、一級放大電路、二階低通放大電路和波形整形電路等五部分組成，整體電路如圖4所示。

光發(fā)射電路采用了常見(jiàn)恒流源電路，通過(guò)穩壓管保證流過(guò)LED的電流為恒定值。光電轉換電路采用硅光電池，將光信號轉換為電壓信號。一級放大電路對微弱信號進(jìn)行放大，放大約20倍，為了不影響有用信號又能濾掉50 Hz干擾，將頻率截止到31Hz。按人體脈搏最高跳動(dòng)次數240次/min計算，根據歸一化法設計低通放大器，理想放大倍數為-22.7倍。高頻轉折頻率為14 Hz，低頻特性滿(mǎn)足條件，不影響有用信號。波形整形電路是一個(gè)電壓比較器，該比較器的閥值電壓可調節在脈搏波的幅值范圍內。最終得到的信號為方波形式，送入單片機定時(shí)/計數器中計數，從而計算出脈搏數。

2.3 血壓檢測模塊

本設計中的血壓測量采用示波法。由于心搏的血液動(dòng)力學(xué)作用，在氣袖壓力上將重疊于心搏同步的壓力波動(dòng)，即脈搏波。示波法血壓測量就是根據脈搏波振幅與氣袖壓力之間的關(guān)系來(lái)估計血壓的。與脈搏波最大值對應的是平均壓，收縮壓和舒張壓分別以對應脈搏波最大振幅的比例來(lái)確定。

該模塊要完成信號的采集、處理和顯示等功能，最主要的部分是傳感器電路。

1)傳感器電路

傳感器電路主要包括傳感器、放大電路部分和帶通濾波電路，其電路原理圖如圖5所示。袖套通過(guò)氣管連接到壓力傳感器MPX2050上，MPX2050將壓力線(xiàn)性地轉化為模擬電壓信號。模擬信號通過(guò)儀用放大器AD620進(jìn)行第一級放大，放大后的模擬電壓信號通過(guò)電容將直流參量和交流分離。直流參量連接到ATmega16的模數轉換通道ADC3口上，其測量的是袖套中的平均壓力;交流參量通過(guò)OPA2277組成的帶通濾波電路。交流參量得到足夠大的放大增益并且有效減小噪聲干擾。放大后的交流信號再接入一個(gè)交流耦合電路。經(jīng)過(guò)處理的信號連接到ATmega16的模數轉換通道ADC2口上，用于測量脈搏波的振幅。

2)血壓檢測軟件設計

血壓測量控制按鍵按下后，啟動(dòng)血壓測量過(guò)程，袖袋開(kāi)始充氣。在袖袋充氣過(guò)程中，如果用戶(hù)感到不舒服或者有強烈的疼痛感，則可以再次按下血壓測控按鍵停止氣泵，袖袋快速放氣，從而結束測量。這主要是為了確保用戶(hù)在使用設備時(shí)的安全。如果袖袋充氣過(guò)程正常，則袖袋內的壓力將持續增加，直至160 mmHg。達到160 mmHg后，氣泵將停止，袖袋內的氣體將慢慢被放出。在此過(guò)程中，用戶(hù)也可以按下血壓測控按鍵，放棄本次測量。一旦單片機檢測到舒張壓和收縮壓后，將打開(kāi)氣閥，使袖袋全部放氣，完成一次測量過(guò)程，并將結果送緩沖區，以便在LCD上進(jìn)行顯示，若測量值超過(guò)預設閾值，則觸發(fā)報警提示。

2.4 計步器模塊

要實(shí)現檢測步數首先要對人走路的姿態(tài)有一定了解。人體行走時(shí)腰部有上下的垂直運動(dòng)，每步開(kāi)始時(shí)會(huì )有一個(gè)比較大的加速度，利用對加速度的峰值檢測可以得到行走的步

數。人體行走時(shí)腰部垂直加速度曲線(xiàn)中有多少個(gè)峰值，即代表行走了多少步。

1)加速度傳感器

根據資料顯示，人行走的垂直加速度在±1g之間(1g為9.8 m/s即重力加速度)，考慮到還有重力加速度的影響，可選擇測量范圍在+2g之間的加速度傳感器ADXL202來(lái)實(shí)現計步器。ADXL202輸出如圖6所示占空比(T1/T2)與加速度成一定比例的數字信號，因此信號可以直接用單片機的計數器來(lái)測量，無(wú)需AD轉換電路或是其他特殊電路。

占空比=T1/T2。一般情況下，0g(即加速度為零)時(shí)的占空比為50%，1g時(shí)的占空比為12.5%，則A(g)=(T1/T2-0.5)/0.125?？紤]到我們的最終目的是檢測加速度的峰值個(gè)數，而對加速度的具體值究竟是多少并不關(guān)心，T1完全可以反應加速度的變化趨勢，因此選擇對T1進(jìn)行測量和檢測峰值即可得到我們所需的步數。

T1的測量可利用單片機的中斷和計數器來(lái)實(shí)現，峰值的檢測通過(guò)門(mén)限判斷實(shí)現。選擇2個(gè)門(mén)限A和B，當數據大于門(mén)限B并且接下來(lái)變化小于門(mén)限A時(shí)判為一步，這樣可以有效地排除干擾影響。將判斷結果通過(guò)單片機計數即得跑步步數，再乘以步長(cháng)，即可得到行走距離和速度。

利用人體能量消耗量與某些生理指標之間的相關(guān)性，建立數學(xué)模型得到預測公式，即可預測能量消耗量。系統根據性別、體重、身高、年齡等生理指標，采用Harris—Bene dict預測公式計算能量損耗，計算方程如式(1)所示。

式中：BEE——基礎能量消耗，J;W——體重，kg;H——身高，cm;A——年齡，歲;

2)計步器軟件

計步器測量控制按鍵按下后開(kāi)始測量步數，由傳感器將信號送入單片機進(jìn)行計算并利用雙門(mén)限判斷峰值，計數得到所測步數，測控按鍵再次按下時(shí)，將兩時(shí)間點(diǎn)之間所測得的步數送至緩沖區，以供LCD顯示。

2.5 外圍電路

液晶顯示模塊采用點(diǎn)陣字符液晶顯示模塊HD44780，CVAVR中對這種模塊提供了一些基本的LCD應用接口函數，調用簡(jiǎn)單方便。鍵盤(pán)模塊共有3個(gè)按鍵，其中S1為復位按鍵，S2為血壓測量控制按鍵，S3為計步器控制按鍵。報警模塊采用蜂鳴器，當所測生理參數超過(guò)預先設定的閾值時(shí)，啟動(dòng)報警程序，蜂鳴器發(fā)聲報警。

3 結論

本文設計的基于單片機的便攜式生命體征檢測儀采用模塊化設計，共分為溫度檢測、脈搏檢測、血壓檢測和計步器等四個(gè)模塊，各模塊所測生理參數送至單片機后進(jìn)行信號的處理、顯示與報警提示等。該系統可實(shí)時(shí)監測運動(dòng)者的體溫、血壓變化、脈搏跳動(dòng)情況，記錄跑步者的步數等。采用人機對話(huà)、語(yǔ)音提示等方式實(shí)現液晶顯示、報警提示等功能。具備操作簡(jiǎn)單、功耗低、人性化及方便攜帶等特點(diǎn)。