基于单片机的便携式多功能实时生理参数监测仪设计

前言

　　随着单片机功能集成化的发展，其应用领域逐渐由传统的、单一的控制处理扩展到控制处理、数据处理以及数字信号处理等领域。凌阳16位单片机就是适应这种发展而设计的，并以其出色的语音处理能力成为越来越多单片机用户选择的对象。

　　系统硬件设计

　　系统以单片机为核心，配置了各种集成传感器，体积小巧。由于采用了微型封装的芯片及元器件，使连线变短，减少了通信接口，从而提高了整机工作的可靠性。系统硬件结构如图1所示。

　　SPCE061A单片机

　　SPCE061A 是凌阳科技公司？’nSPTM （Microcontroller And Signal Processor） 系列产品中的16位微控制器芯片， 内置32k闪存， 其较高的处理速度使芯片能够非常容易、快速地处理复杂的数字信号， 适用于数字语音识别等应用领域。

　　                                          图1 系统硬件结构框图

　　DS18B20温度传感器

　　DS18B20温度传感器采用12位存储温度值对应的数字表示形式，理论精度可达到0.05℃ ，能实时、精确地检测到人体温度的变化，可通过单片机在液晶显示器上显示温度。

　　DS18B20与单片机的典型接口设计

　　可以采用外接电源与寄生电源（即从数据线上得到供电电源）两种方式供电，如图2所示。

　　使用DS18B20的注意事项

　　（1）DS18B20从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间，这是必须保证的，不然会导致转换错误，使温度输出总是显示85℃。

　　（2）在实际使用中发现，应使电源电压保持在5V左右，若电源电压过低，会使所测得的温度与实际温度出现偏高现象，经过试验发现，一般在5V左右。

　　（3）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与单片机间采用串行方式传送数据，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格保证读写时序，否则将无法读取测温结果。

　　（4）在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环，这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。

　　ZD-3微震动传感器

　　ZD-3微震动传感器是一种有源的高灵敏度微功耗检测元件，以正弦波形式输出，可利用74LS14施密特触发器将其转换成脉冲波，输入单片机检测高电平，能实时记录跑步者或锻炼者的步数，进而得到锻炼者的能量损耗，以利于更有效地进行锻炼。

　　HK-2000A脉搏检测传感器

　　该产品采用高度集成化工艺将力敏元件（PVDF压电膜）、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路电路集成在传感器内。脉搏波动一次输出一正脉冲。该产品用于脉率检测，主要用于运动、健身器材中的心率测试。

　　OCM4X8C液晶显示模块

　　OCM4X8C液晶显示模块采用128×64点阵的汉字图形液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置国标GB2312码简体中文字库（16×16点阵）、128个字符（8×16点阵）及64×256点阵的GDRAM绘图区域。可与CPU直接接口，提供8位并行及串行连接方式连接微处理器。模块提供用户最简单液晶应用上的方案，用一条指令，即可实现包括汉字、图片、英文字母及特大、特小数字等在液晶屏幕上任意点开始显示，任意指定区域闪烁，移动、反显等原本需要用户花费大量时间精力去编程实现的功能。使得用户在CPU选型时，对程序存储空间的要求大幅降低。同时，模块自带的温度补偿及省电功能，（微安级），对低功耗或高低温显示效果有要求的用户，如手持终端、电力设备等，是绝佳的选择对象。

;                              图 2 寄生电源供电 报警模块

　　呼吸气流温度检测模块

　　为了减少热惰性带来的误差，准确地测量呼吸气流温度的变化，要求热敏元件热容量越小越好，其位置位于呼吸道中气流速度最大的地方。因此，在电路中选用BLTS101 PN结温度传感器（热响应时间τ<0.2s）。恒流源向PN结提供100μA的恒定正向电流，则PN结的正向压降仅随温度T的变化而变化，该电压信号由前置放大器放大后，通过一个4.84Hz低通滤波器，再变换为数字信号送入单片机。

　　系统软件设计

　　软件设计采用模块化结

　　构和菜单操作。利用C61（类似于C语言的凌阳单片机编程语言）及汇编语言编写软件，在液晶显示屏上实时显示各种生理参数数据，数据存储采用Flash， 这样，在更换仪器电池时不会丢失数据。所有测量参数均可设定上、下报警阈值，当任一参数超过阈值时都能发出声、光报警。根据设计的需要，可以利用消声键停止报警。由于呼吸阻抗信号具有基线漂移现象，因此，在软件设计中采用一种变化中值检测法对基线进行校正，具体方法是把上一次呼吸周期内的中值点作为本次呼吸周期的检测点，这样即可克服在正常检测电压范围内的基线漂移现象所带来的漏检情况。

　　数据采集部分

　　生理参数的实时数据采集主要通过传感器进行。在测量人体温度时，由于体温在锻炼时的变化比较缓慢，因此，主要运用软件定时中断的方法进行检测。在检测步数和脉搏等参数时，主要记录的是频率，只需采用软件计数就可以，根据检测到的高电平，计数器进行自加运算，从而记录频率。

　　参数阈值设定

　　由于正常情况下人体温度在36.5℃左右。因此，设定温度阈值的初值为36.5℃，以0.25℃为步进量，可以用上下键增减，每按一次按键，就递增或递减0.25℃，直到达到锻炼者想要设定的阈值为止（在35℃～42℃之间）。

　　液晶驱动程序设计

　　系统显示功能的实现，实际上就是对OCM4X8C液晶显示模块的驱动编程。本文按照结构化的编程思想，利用C61语言将上翻、下翻、返回和确定等按键功能编成子函数，这样便于主程序的调用。限于篇幅，液晶驱动程序不在此详述。

　　结语

　　本方案的研究成功让人们更加方便的在自己的家里锻炼，同时还可以实施无线传输，让老人和病人在家里或医院里更加安全，让家人更加放心。