人体生物信息检测仪

人体生物信息检测仪 摘 要：病人感到身体不舒服去医院检查时，医生通常都是先测出病人的体温和脉搏。可见准确检测人的体温和脉搏在我们的日常生活中已经非常重要。为了提高仪器的简便性和精确度，本文介绍了一种用单片机制作的人体生物信息检测仪，系统以STC89C5160S2为核心，在检测仪的探头处，由压电传感器检测到脉搏的信号，由低通滤波放大器对信号进行滤波和放大，再利用施密特电路对其整形，得到脉冲信号，与此同时再利用DS18B20测出体表温度，将所得的信号送入STC89C5A60S2单片机处理，最后将测得的数据显示在12864LCD显示屏上。经测试，系统工作正常，达到设计要求。 关键词：STC89C5A60S2单片机 脉搏测量 体温检测1、 引言随着科技的发展，现代社会对各种信息参数的精确度和准确度的要求都急剧增长，而想要迅速又准确的获得这些参数则决定于现代信息基础的发展水平。在三大信息信息采集(即传感器技术)、信息处理(计算机技术)、信息传输(通信技术)中，传感器处于前沿尖端位置，在我国各领域引用的都非常广泛，几乎渗透到社会的每一个领域，人民的身体健康与自身的体温和脉搏息息相关。脉搏是反映心脏是否正常工作的一个重要参数，同时脉搏值也是衡量体力劳动强度和脑力劳动强度的重要指标。因此脉搏的测量是一种评价病人生理状况很好的方法。脉搏计是用于测量心率值的医疗设备，它的应用在于心血管疾病的研究和诊断方面也发挥出显著的作用，它们所能记录的心脏活动时的生物电信号，已成为临床诊断的重要依据。体温，通常指人体内部的温度，正常人腋下温度为36-37度。人体的温度是相对恒定的，正常人在24小时内体温略有波动，一般相差不超过1度。生理状态下，早晨体温略低，下午略高。运动、进食后等体温稍高，老年人体温偏低。体温达到37.5-38度称为低热，38-39度为中度发热，39-40度为高热，40度以上为超高热。如体温高于41度或低于25度时将严重影响各系统的机能活动，甚至危害生命。临床上对病人检查体温，观察其变化对诊断疾病或判断某些疾病的预防有重要的意义。脉搏和体温的异常表明人体遭受了某些疾病，在古代中医采用的方法中就有把脉这一项，就现代来说心率作为一项重要的生理指标被广泛的研究，在非典时期体温的测量尤为重要，现代医学的不断发展和进步，使人们对各种测量仪器的要求越来越高，而脉搏和体温的测量是一种评价人生理状况的好方法，可见研究体温、心率的测量方法和装置的重要性。作为现代电子仪器与医学相结合的一个重要应用课题，具有深远意义。 随着社会的进步，科学技术的发展，特别是近20年来，电子技术日新月异，计算机的普及和应用把人类带到了信息时代，各种电器设备充满了人们生产和生活的各个领域，相当大一部分的电器设备都应用到了传感器件，传感器技术是现代信息技术中主要技术之一，在国民经济建设中占据有极其重要的地位。在医疗诊断中， 快速脉搏测定已从传统的测量方法向多参数生命体征监护仪和自动脉搏测量仪发展。由于其操作简单、快捷、准确、可定时、可记忆存储数据等功能特点，不仅减轻了医务人员的工作强度,也使医疗手段得以现代化、高科技化。新技术和新工艺使传感器和实验室仪表两者成为同一个芯片，这是全新的提高。这种多元化的测量系统正朝着体积小，功耗低、使用灵活、 便于携带， 适合于社区和住院病房使用,有较强的分析能力，可扩展等方向发展。 如与PC 机进行通信，将采集到的脉搏信号通过无线网络传输到PC 端，从而实现远程医疗等。现今多数医生用听诊器测量脉搏，医用脉搏计可以精确测出心率，从而判断病人的健康状况；而家用脉搏计只需测出脉搏的频率，功能简单，数字脉搏计正好适应了这一要求，使用简单，便于携带。而目前市场上许多有关血压、脉搏、体温等电子仪器体积小，使用方便，但相对的价格比较贵。目前的脉率采集主要有三种方法：采用一对红色发光二极管实现、采用反射式的红外管实现和采用压电陶瓷芯片实现。采用红色发光二极管，当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小，当血液流回心脏时，半透明度增大。当使用红外发光二极管产生的红外线照射到人体手指等部位时，可通过检测机体组织的透明程度将其转换成电信号，最后将该信号进行整形，就可以得出人体每分钟的脉搏次数。而当采用反射式的红外管，目前市场上脉率计普遍采用这种传感器来采集信号，因为红外接收和发射处于手指的同一侧，所以不用考虑每人的手指不同而造成的麻烦，但是得到信号也是比较困难的事。采用压电陶瓷片通过脉搏的跳动来采集信号，随着心脏的跳动，人体手腕的脉搏和颈部的脉搏比较明显，将压电传感器放在上述部位，把压电传感器测得的信号转换成脉冲同样可得出脉搏次数。而温度传感器从使用的角度大致分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定距离，通过检测从待测物体放射出的红外线达到测温目的。其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两类。前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂，铜，镍，铁等，它们具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻传感器有PT100。目前的智能温度传感器（数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）。近年来各半导体厂商陆续开发了数字式的温度传感器，如DALLAS公司的DS18B20,MAXIM公司的MAX6576，MAX6577,ADI公司的AD7416等，这些芯片的显著特点是单片机接口简单，如DS18B20该温度传感器为单总线技术，MAXIM公司的2种温度传感器一个为频率输出，一个为周期输出，其本质为数字输出，而ADI公司的AD7416的数字接口则为近年比较流行的I2C总线，这些本身带数字接口的温度传感器芯片给用户带来了极大的方便，但是也存在着比较大的缺点，它们的测温范围太窄，一般只有-55-125度之间，而且温度的测量精度不高，一般有2度左右误差，因此在高精度场合不太满足用户的需要。热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单，制造方便，测温范围宽，热惯性小，准确度高，输出信号便于远传等优点。热电偶的测温范围大而且误差比较小，在性能上优于之前所提到的数字温度传感器，但是热电偶传感器类似于PT100外部需要添加外围信号放大电路，以及AD转换电路用于向单片机提供温度数据，相比设计上会比较复杂。热电偶的使用误差主要来自于分度误差，延伸导线误差，动态误差以及使用的仪表误差等。而社会的发展使人们对传感器的要求也越来越高，现在的各种传感器正在基于单片机的基础上从模拟式向数字式，从集成化向智能化，网络化的方向飞速发展，并朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测量系统等高科技的方向迅速发展。由单片机构成的温度检测及控制系统、脉搏检测及其控制系统广泛应用于我们生活中的很多领域。从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。本文介绍的就是制作一套生物信息检测仪，可以方便快捷准确的检测出人体的温度和脉搏。本系统主要以STC89C5A60S2及单片机开发板为控制核心，系统主要包括脉搏探测及信号调整模块、温度探测模块、按键控制模块、显示模块、电源供电模块。在脉搏测量方面，用压电传感器检测信号，再用LM324将检测到的电压信号经放大、滤波、整形后，将信号送入单片机进行采样，转化为相应的脉搏跳动值；在体温测量方面，通过DS18B20直接读取被测者体表温度值，然后送入单片机进行数据处理，最后测量结果都通过12864液晶显示屏显示出来。当测量的脉搏跳动次数或测量的体表温度超过健康范围时，单片机会控制蜂鸣器报警。2、 研究主要内容系统整体框图如图1所示 单片机系统传感器模块信号调整模块显示模块键盘控制模块 供 电 模 块数据存储模块块声光报警模块信号放大滤波时钟模块 图1 系统模块 脉搏中关键技术是传感器的设计与传感器输出的微弱信号提取问题, 本文设计的脉搏波检测系统以压电检测技术为基础，再用LM324将检测到的电压信号经放大、滤波、整形后，将信号送入单片机进行采样，转化为相应的脉搏跳动值；在体温测量方面，通过DS18B20直接读取被测者体表温度值，然后送入单片机进行数据处理，最后测量结果都通过12864液晶显示屏显示出来。当测量的脉搏跳动次数或测量的体表温度超过健康范围时，单片机会控制蜂鸣器报警。1.脉搏信号的检测与处理 传感器用的是压电传感器, 动态微压传感器是一种高性能、低成本的压电式小型压力传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，在经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击波能力强，抗干扰性好、操作简便、体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。其工作原理是探头检测到微弱的信号后，转换为电压信号，之后送入滤波整形电路输入端，对信号进行处理。 图2 探头接线电路图检测脉搏时，只需将探头放在测量位置，由于脉搏的跳动会使皮肤对探头的压力发生变化，压电传感器将这一变化转化为电压信号输出。输出的信号先经过一级低通滤波处理。该电路主要有两种功能，一是滤除工频信号的干扰，二是对信号进行放大。其中反馈电阻选用500K,电容选用0.022uF,通过截止频率计算公式f=1/2RC，可以计算出该电路的截止频率为14Hz,也就是只有频率低于14Hz的信号才能到达下一级。电路图如图4所示。对于低通滤波器，需要提供一个稳定的参考电压，图3为单位增益缓冲器，用于产生2.5V的基准电压。 图3 单位增益缓冲器 图4 一级低通滤波电路 如果实际测量中滤波效果不好，可以在一级滤波电路后面再加上一个二级滤波电路，根据截止频率计算公式,可算出该阶电路截止频率为3.33Hz,电路图如图5所示。经数字示波器检测到的波形图如图6所示。 图5 二级低通滤波电路 图6 滤波后的波形图 从滤波电路所获取的波形是模拟的，类似于正弦信号，其上升沿和下降沿比较平缓，不能被单片机直接获取，而需要将这种平缓的波形变换为方波形式的波形转换为比较陡峭的脉冲信号，并且幅值为单片机可识别的5V电平，因此可通过滞回比较器实现波形的变换，再设定出上下限阈值电压，当超过上限阈值电压时输出高电平，低于下限阈值电压时输出低电平。这样所得的信号就可以直接被单片机获取。具体电路图如图7所示。整形后的波形如图8所示。 图7 滞回比较器 图8 整形后的脉搏信号 在确定所选元件之前，先通过了大量的实验验证，经过多次调换电阻电容值，最终确定了合适的元件值与电路图，图9为用面包板试验所选的电路图。 图9 试验电路图脉搏检测的整体电路如图10所示，图中多处用到了跳线冒，该电路图的优点就是对强弱信号都适用。如果采集到的信号较弱，则通过一级低通滤波进行放大滤波，如果滤波效果较好则不用二阶滤波电路，可直接将LM324的7、8号管脚接到一起。如果检测到的信号较强，干扰信号也很弱，则可用导线直接把检测端接到滞回比较器上。 图10 脉搏检测电路2.温度的测量本实验中温度的测量采用的数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。如图11为DS18B20的实物图。由于该芯片只有一个管脚与单片机连接，所以其对时序及电特性参数要求较高，必须严格按照它的时序要求去操作。 3.电源稳压部分 图11 DS18B20 由于实验室用的电池电压幅值为7.4V，而实际电路中所用的电压值都是+5V,所以需要对电压信号进行变压处理。此设计中采用的是LM7805芯片，这样可以使输出的电压值就达到了所需值+5V。具体电路图如图12所示： 图12 电源稳压电路图 4.报警电路设计报警电路主要实现的功能是：当处于测试时，如果测试所获取的脉搏值和温度值超过了所设定的范围，则单片机控制蜂鸣器的开关进行报警。其电路图如图10所示： 图10 超限报警电路5.显示电路本设计中用LCD12864作显示电路，中文字库的128X64 是一种具有4 位/8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式，可以显示84 行1616 点 阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶 显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。在本项目中，由于只是简单的用它显示测得的数据，所以只需5号、6号两个管脚与单片机连接即可传送数据到显示屏，再将1、2号管脚分别接在电源负、正极上即可。其管脚图如图11所示.图12为显示屏显示的效果。 图11 LCD12864连接电路图 图12 （a） 图12（b） 图12（c）另外本设计中还用到了一些测试仪器，主要有模拟示波器、数字示波器、数字万用表、DDS信号发生器。先通过在面包板上多次实验之后确定所用电路图，再用雕刻机雕刻出电路板。通过数字万用表检测看是否有虚焊的情况。3、 研究成果或结论 本次设计的目的就是制作一套简单的仪器，能够准确的检测到人体的脉搏，并且仪器方便易携带。经过几个月的实践与反复测试，液晶显示屏已经可以准确的显示人体的实时脉搏数，达到了预期的效果。实际测得的脉搏波形幅值适当，便于观测，噪声较低，波形基本稳定。 通过这次设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。我觉得搞科研同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西，主要是因为没有动手实践过吧！认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。作为即将毕业的学生，能够搞这样的关于电子技术的设计，确实从中学到了很多的知识。四、项目过程分析本项目脉搏检测部分，经过多次对电路的修改与测量结果的对比，选出一套最合适的电路连接方案，如图1所示，该电路图的优点是对强弱信号的检测都适用，并且实际电路制作选用了具有体积小、功耗低、工作电压低、可以单电源工作、廉价等优点的四运放集成电路LM324，电路结构紧凑；降低了传感器的功耗和价格。经过焊接和调试，以及通过数字示波器的观察，已经基本可以准确的测量出脉搏信号，不存在短路、断路、工频信号的干扰等问题。检测脉搏是个主体部分，也是完成这个项目的难点和重点。而对于体温的检测，难点就在于软件设计方面。但是经过多次调试，液晶显示屏已经可以准确的测得人体的体温和脉搏。以往的脉搏仪都是要测出一分钟的或半分钟的脉搏，测试时间较长，且不能观察出实时脉搏情况，而本实验则是直接显示每次的平均脉搏数，及测及得到脉搏数