基于单片机的老人体温脉搏健康检测仪毕业设计论文.docx

基于单片机的老人体温脉搏健康检测仪基于单片机的老人体温脉搏健康检测仪摘要 中国现在正在面临一个巨大的问题：人口老龄化。而老年人如此之多，关于老人的健康问题也应受到更大的关注。脉搏与温度是衡量一个人健康与否的重要指标，所以本文设计了一种基于单片机的测量人体脉搏与体温的健康检测仪，它可以快速、便捷地对体温与脉搏同时测量。本文详细介绍了一种基于单片机的老人体温脉搏健康检测仪，检测仪以单片机为核心，以温度传感器与红外传感器来测量人体的温度与脉搏。测量脉搏时，由于人体脉搏信号过于微弱，所以需要进行放大和过滤。测量范围上下限可以用按键来调节，超出范围时蜂鸣器会报警，传感器可以放在身体脉搏明显的任何部位，测量结果以数字方式显示。经过大量实验，本检测仪实现了对人体温度与脉搏的实时监测及报警功能，实现了设计功能。关键词 健康检测仪 单片机 温度传感器 红外传感器 35Measuring instrument for measuring body temperature and pulse of the elderly based on microcomputerAbstract China is now facing a huge problem: the aging population. And so many elderly people on the health of the elderly should be more concerned about. Pulse and temperature is an important indicator of a measure of a persons health or not. Therefore, this paper designed the one based on single chip microcomputer measurement of human pulse and body temperature detector, it can quickly and easily on the temperature and pulse were measured simultaneously.In this paper, a new method based on single chip microcomputer is introduced in this paper, which is used to measure the temperature and pulse of the human body by the temperature sensor and infrared sensor. When measuring the pulse, it is necessary to amplify and filter the weak pulse signal of human body. Measurement range of the lower limit can be used to adjust the button, the buzzer will alarm when out of range, the sensor can be placed in any part of the body pulse, the measurement results in a digital way. Through a lot of experiments, the detection instrument realizes the real-time monitoring and alarm function of human body temperature and pulse, and realizes the design function.Keywords Measuring instrument, microcomputer, Temperature sensor, infra-red sensor目录引言1第1章 概论21.1检测仪的研究背景与意义21.2健康检测仪的发展与应用21.2.1脉搏测量技术的发展与应用31.2.2温度测量技术的发展与应用31.3论文的主要内容3第2章 健康检测仪的设计指标及元器件介绍52.1研究内容及设计指标52.2 元器件的选择及功能介绍52.2.1 STC89C51单片机52.2.2 红外传感器62.3.3 温度传感器62.2.4双运算放大器LM35862.2.5 LCD1602显示模块6第3章 系统硬件设计73.1系统设计框图73.2单片机最小系统73.3信号采集电路83.4滤波电路103.5 LCD1602显示电路103.6警报电路113.7键盘电路12第4章 系统软件设计134.1主程序流程图134.2仿真软件Multisim介绍144.3信号采集电路仿真144.4 DS18B20测温原理16第5章 系统调试175.1软件调试175.2硬件调试175.3实物图17结论19致谢语20参考文献21附录22引言在社会飞速发展的今天，人们的生活水平不断提高，老年人口也逐步增多。中国现在是世界上老年人最多的国家，关于老人的健康问题也理应受到更多的重视。在各种疾病中心脏病又是老人们难以预防的突发致命疾病，本设计要解决的问题就是设计一个可以测量脉搏和体温的健康检测仪。健康检测仪以单片机为核心，采用温度传感器与红外传感器作为传感器。红外技术虽然是最近几十年才兴起的，但是它在科研、国防、医学和工农业生产等方面已经起到了极其重要的作用。而红外技术的基础就是红外传感器，红外传感器在远距离测量温度这方面，有着极其优异的性能，这恰恰满足了健康检测仪的要求，所以本文选择红外传感器来测量脉搏。经过实验，本检测仪完成了对脉搏与温度的测量，实现了设计目的。第1章 概论 1.1检测仪的研究背景与意义 人口老龄化这一问题正是因为现代人们的生活水平提高了，寿命变长了，这导致了老龄人口的急速增加。老龄人口的增加带来了许多问题，其中最重要的一个问题便是问题，很多老人往往对自己身体的一些小毛病并不在意，等到了医院去检查的时候才发现晚了，本文设计的健康检测仪可以简单快捷的测量一个人的体温与脉搏，而体温与脉搏正是判断一个人身体健康的重要依据1。脉搏也就是心率，脉搏的跳动是随着心脏一起跳动的。自古以来摸脉便是中医的一种诊断方法，由此可见，脉搏在一定程度上可以反映人体的健康状态。中医自古就有“四诊”的说法，四诊是望、闻、问、切，在这其中，脉诊占据了重要的地位。脉诊是一种不会损伤人体的看病方法，只需要摸脉就可以判断一个人的健康情况2。但是也不是说脉诊就毫无缺陷了，脉诊是靠医生的主观判断，各个医生由于经验的不同，有时候面对同一脉象甚至会得出截然不同的判断，正应了那句古话：“持脉之道，如临深渊而望浮云，心中了了，指下难明3。”人体内部的温度称体温。首先我们要知道体温是怎么产生的。体温的主要来源是人体内的营养物质氧化而产生的能量。这些能量一般直接转化为体热，也就是体温，而另一半的能量则会经过转化工机体使用，但是这些能量最终的结果还是在机体利用之后，转化为热能散出，这就是体温的产生过程4。高温或低温都将对身体产生影响。保持一个较高的体温（非发烧那种高温）可以使人体内脏机能活跃，体高免疫力与基础代谢率，保持良好的血液循环，调节自律神经功能及激素水平的平衡。既然高温对人体有如此种种好处，与它对立的低温自然对人体也有影响，但是这些影响多是负面的。低温会导致人体的内脏功能低下，免疫力下降，基础代谢率下降，血液循环变差等问题。最近几十年科技在飞速发展，电子产品的性能越来越好，价格也越来越低，已经真正的走入了千家万户。可以说我们的生活正在走向智能化。基于上述现状和背景，不难发现：一种新的，可以随时对自己脉搏与体温情况进行测量的仪器的研发已经刻不容缓。所以便于携带，使用简单的老人健康检测仪被发明了出来，它不仅让人们可以随时随地对自己的健康情况进行测量，而且它简单易懂的使用方式可以让老人们也直接上手。1.2健康检测仪的发展与应用1.2.1脉搏测量技术的发展与应用随着科学技术的飞速发展，脉搏测量技术越来越先进的同时，人们对脉搏测量精度的要求也越来越高。起初人们研发的的脉搏测量仪器主要用于体育方面，属于接触式传感器，此类传感器主要从两个方面测量脉搏，分别是指脉与耳脉。其中指脉的测量虽然比较方便，但因为手指经常使用，污垢较多，所以测量的结果并不算精确。而耳脉虽然比指脉干净，但首先耳脉较弱，其次很容易受到外界的干扰，比如温度变化的时候，耳脉的测量结果并不精确5。而用于医疗方面的脉搏测量仪器，称为便携式电子血压计，这个东西虽然可以对脉搏进行测量,但是它是利用微型气泵对橡胶气囊进行加压，所以每次测量前都需要进行加压和减压，不仅操作麻烦，而且体积较大，脉搏检测的精确度也低6。近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器，这类传感器的重要特征是测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，能够自动消除仪表自身系统的误差，测量精度高，通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。心脏的搏动形成一个沿动脉和血流到周围的脉搏波。作为临床诊断和治疗的基础，从脉搏波中提取人体的病理信息，一直受到中外医学界的重视。脉搏波通过显示形态（波形）、强度（幅度）和速度（速度）和节律（循环）等方面的综合信息，在很大程度上能反映人体心血管系统在许多生理和病理方面的血流特性 7。因此对脉搏波的采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。但人体的生物信号不仅微弱,还收到了很多干扰，脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号,因此脉搏必需经过放大和滤波才能满足采集的要求。1.2.2温度测量技术的发展与应用温度是国际单位体系中的七个基本物理量之一，它与人类生活、工业和农业生产和科学研究密切相关。随着科学技术水平的不断提高，温度测量技术得到了不断的发展。有很多的温度测量方法，有各种各样的分类，由于测量原理的多样性，很难找到一个完全理想的分类方法。根据测量原理，可分为接触式测温法和非接触式测温法。接触温度测量方法分为膨胀温度、电池温度和接触式光电，暖色的温度测量；非接触式温度测量方法包括热辐射测量，光谱法和激光干涉测量、声波、微波测量方法8。虽然温度测量方法多种多样，但在只想测量人体温度的情况下，我们需要的还是便捷，简单的测量方法。所以我们选择接触式光电测温方法的同时，还要不断探索新的温度测量方法，改进原有测量技术，以适应飞速发展的现代社会。1.3论文的主要内容论文主要针对老人体温脉搏健康检测仪进行研究和设计，根据实际要求，完成整个检测仪的整体方案，并对硬件系统和软件系统进行详细的设计，完成最终的实物。第1章介绍课题的研究背景，对老人的健康现状，脉搏测量技术与温度测量技术进行详细的介绍，表达本次课题的设计意义。第2章介绍了本次设计的目标，也对本次设计选择的元器件进行了介绍。第3章介绍系统的硬件设计方案，对本次设计的每个组成模块进行了详细的介绍。第4章介绍系统的软件设计，介绍系统的流程图与仿真过程。第5章对实物进行调试，并分析调试结果。第2章 健康检测仪的设计指标及元器件介绍2.1研究内容及设计指标研究内容：老人体温脉搏健康检测仪运用STC89C51单片机作为核心控制处理单元，采用红外传感器来测量脉搏，运用软件和硬件双重滤波技术对人体脉搏信号的准确检测；运用DS18B20防水温度传感器来测量温度，最终以数值形式将温度与脉搏显示在LCD上。本课题开发一款低功耗、便携式健康检测仪，具体要求如下：1.实时显示被测者脉搏，并显示；2.实时显示被测者温度，并显示；3.可用按键设置正常的脉搏与温度范围，超过这个范围，进行报警提示。2.2 元器件的选择及功能介绍2.2.1 STC89C51单片机STC系列单片机是美国STC公司推出的一种新型51内核的单片机。其内含有Flash程序存储器、SRAM、UART、SPI、AD、PWM等模块。该器件的基本功能与普通的51单片机完全兼容。STC89C51单片机学习板是一款基于8位单片机处理芯片STC89C52RC的系统。其功能强大，可以实现单片机开发的多种要求，学习、开发者可以根据需要选配多种常用模块，达到实验及教学的目的。STC89C51单片机引脚结构如图2-1所示。 图2-1 STC89C51的引脚结构2.2.2 红外传感器红外技术是一门在最近几十年内兴起的技术，这门技术现在已经广泛地用于军事，医疗，科研等方面。而红外技术中的关键就是红外传感器，尤其是在远距离测量温度和监控上面，红外传感器的功能极其出色，所以本次设计的检测仪在测量温度上面选用了红外传感器，传感器的型号是ST188光电式传感器，其检测距离为4mm-13mm，采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。2.3.3 温度传感器温度传感器是可以感觉到温度并将其转换成一个可用的输出信号的传感器。温度传感器是测温仪表的核心部分。根据测量方法可分为接触式和非接触式。根据传感器材料和电子元件的特点，分为热敏电阻和热电偶9。本文所采用的是DS18B20防水温度传感器，DS18B20芯片每个引脚均用热缩管隔开，防止短路，内部封胶，防水防潮，其测温范围为-55125，满足测量需要。 2.2.4双运算放大器LM358LM358内部有两个独立的，高增益，内部频率补偿的双运算放大器，适用于单电源供电电压的使用范围非常广泛。它也可以用在双电源供电模式，与供电电源的供电电压无关，在推荐工作条件下。它包括使用的传感器放大器，直流增益模块和所有其他可供单电源应用的运算放大器。LM358的引脚结构如图2-2所示。 图2-2 LM358的引脚结构2.2.5 LCD1602显示模块1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字），如图2-3所示。图2-3 LCD1602液晶屏第3章 系统硬件设计3.1系统设计框图检测仪的总体设计电路框图如图3-1所示，主要包括信号采集电路、放大电路、复位电路、报警电路和单片机信号处理电路和液晶显示电路等。由红外传感器与温度传感器来采集脉搏与温度，其中脉搏信号需先经过放大，再经过滤波后再输入单片机。红外传感器单片机STC89C51放大电路有源滤波电路外部晶振报警电路温度传感器复位电路LCD显示电路图3-1 系统设计原理框图3.2单片机最小系统 图3-2为单片机最小系统电路图，单片机最小系统是单片机运行的基础，其一般由电源、I/O口、晶振电路和复位电路组成。电源为整个系统的运行提供能源。晶体电路使用12MHz晶体振荡器提供时钟，作用到单片机提供时间基准，执行基本指令需要的时间为一个机器周期。复位电路中，按复位键电容放电，给出一个高电平，使单片机回复初始状态。图中10K排阻为P0端口的上拉电阻，为了防止输出不正常，比如本来需要输出高电平但没能出，这时就需要上拉电阻把它嵌位在高电平。图3-2 单片机最小系统电路图3.3信号采集电路检测仪需要采集2个信号，分别为温度信号与脉搏信号。其中脉搏信号的采集由红外传感器完成，如图3-3所示红外传感器采用ST188光电式传感器，R4取470，R5取22K，接收到的信号需要输进放大滤波电路。当人把手指放在发光二极管和光电二极管之间的时候，因为人体组织的变透明度会随着心脏的跳动而变化，当血液输送到人体组织时，人体组织的半透明度会减小，当血液流回心脏的时候，人体组织的半透明度会增大，这种现象在人体组织较薄的地方，比如指尖，耳垂部分最为明显。因此本设计将光电二极管发射的红外线照到人体组织部位，经过人体组织的反射和衰减，由旁边的光电晶体管接收其透射光，在此过程中，人体的脉搏先转化为光信号，再经过光电晶体管装化为电信号，此电信号即为采集到的脉搏信号10。而采集温度信号则由DS18B20防水温度传感器完成，DS18B20可以把温度信号直接转化成串行数字信号，其电路图如图3-4所示，由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，所以对于读写的数据位有着严格的时序要求，为了保证各位数据传输的完整性和正确性，DS18B20有着严格的通讯协议。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序(图3-5) ，写时序（图3-6），读时序（图3-7）。图3-3 脉搏信号采集电路 图3-4 温度信号采集电路 图3-5 DS18B20初始化时序图图3-6 DS18B20写时序图图3-7 DS18B20读时序图3.4滤波电路图3-8为检测仪的放大滤波电路，由于脉搏信号输出的信号十分微弱，一般在uV级别，除此以外输出的信号一般会伴随很大的噪声干扰，因此在这里用LM358搭建起一个放大和滤波电路。除此之外，LM358还接上了一个发光二极管来用作指示脉搏的跳动状态。图3-8 放大滤波电路3.5 LCD1602显示电路LCD1602与单片机接口电路如图3-9所示：图3-9 LCD1602接线电路3.6警报电路 蜂鸣器与单片机接口电路如图3-10所示，当测量到的脉搏数超出设置时，蜂鸣器就会响起。我还在警报电路中加入了一个拨动开关，可以直接由此开关来控制警报电路的通电与否。图3-10 蜂鸣器接线电路3.7键盘电路 因为I/O口足够用，所以键盘设计采用线性键盘。三个引脚接地，3个按键分别接到CPU的P10、P11、P12上，用来对正常的脉搏范围进行设置。其中S2按键可以在显示温度，脉搏下限，脉搏上限等设置中进行切换，而S3与S4按键分别为增加与减小功能。键盘电路如图3-8所示。图3-8 键盘电路第4章 系统软件设计4.1主程序流程图上电时，程序在初始化各参数后，把手指放到光电传感器上，握住温度传感器，LCD1602上会显示脉搏和体温。当接受到外部中断的按键输入时，保存按下的键值并判定是哪个键被按下，并判断是处于哪个页面。在第一个页面，设置键按下后，可以通过另外2个按键增加或减少脉搏的下限，脉搏还是会显示。而在设置键再按下后，可以设置脉搏的上限。再按一次设置键则会回到显示脉搏和温度的界面。脉搏的上下限是报警范围，当脉搏数不在范围内就会进行报警。具体的程序流程图如下NYYY显示脉搏和温度结束Y加键按下？设置键按下？Y显示脉搏和下限值显示脉搏和上限值设置键按下？N减键按下？N警报值增加警报值减少NN开始初始化设置键按下？图4-1 主程序流程图4.2仿真软件Multisim介绍Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。Multisim可以设计、测试和演示各种电子电路。可用于模拟电路元件的各种故障。同时，该软件可以存储所有的测试点的数据，列出所有的模拟电路的组件，以及存储测试仪器的工作状态，显示波形和特定的数据等。Multisim还可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电路设计与实验方法相比，它具有以下特点：设计和试验可以同时进行，你可以修改的侧边设计实验，调试方便；单元设备和完整的测试仪的设计与实验，可以完成电路的设计和试验各种电路参数可以方便；实验中不消耗实际的组成、类型和所需的组件数量不受限制，成本低，固相萃取该产品具有快速、高效、电路设计的成功，可直接用于产品。4.3信号采集电路仿真我对脉搏信号的滤波放大电路进行了仿真，仿真图如图4-2所示。所使用的仿真软件是老师推荐给我的Multisim电路仿真软件。由于不能模拟出人体真正的脉搏信号，所以作为输入信号的是0.9V，1.2Hz的正弦波（如图4-3所示）。经过放大滤波电路，输出的信号如图4-4所示。输出的波形是一个方波，这个方波经过单片机内部的A/D转换把这个模拟信号转换为数字信号，高电平为1，低电平为0，计算脉搏的原理是检测两次脉冲间隔时间计算脉搏。脉搏计时以10ms为单位，通过计数器记下2次脉搏的中间计数，直接乘以10就是一次脉搏的时间，再用六十秒除以这个时间就能得出一分钟的脉搏数。图4-2 脉搏信号的滤波放大电路仿真图图4-3 输入波形图图4-4 输出波形图4.4 DS18B20测温原理当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1，2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0.062 5 /LSB形式表示。温度值格式如图4-5所示。图4-5 温度值格式这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。图中，S表示位。对应的温度计算：当符号位S=0时，表示测得的温度植为正值，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，表示测得的温度植为负值，先将补码变换为原码，再计算十进制值。例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，25.0625的数字输出为FF6FH，55的数字输出为FC90H。DS18B20温度传感器主要用于对温度进行测量，数据可用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，并以0.0625LSB形式表示。图4-6是部分温度值对应的二进制温度表示数据。图4-6 部分温度值对应的二进制温度第5章 系统调试5.1软件调试基于单片机的健康检测仪的程序较为复杂,在编写程序和调试时出现了较多的问题。虽然如此，经过学习和多次的修改，我最终解决了软件方面的问题。在软件调试过程中主要遇到的问题如下：问题1：在进行脉搏信号采集电路的仿真时，输出波形不正确解决：首先我对仿真电路整体检查一边，再经过查找资料，发现了问题的原因。第一个问题是LM358双运算放大器的选择失误，由于仿真软件的元器件里并没有LM358双运算放大器，所以需要2个LM358N组合起来。但是我把2个LM358N设置为了2个不同的放大器，经过修改，2个LM358N成功的组合成为了是LM358双运算放大器。第二个问题是电源的负极没有接地，而是直接接了LM358N的接地口。5.2硬件调试基于单片机的健康检测仪的电路较复杂，这直接导致了我的布线图中有多处线交叉，在焊接过程中，需要把这些线从电路板上面引出来，不然会造成电路的短路。而在焊接完成与调试的时候，我也发现了不少的问题。问题1：表示脉搏跳动状态的指示灯不亮。解决：我把3V的电源直接接到灯的两侧，灯仍然不亮，原因是灯坏了，换了一个新的LED灯后，灯亮了。问题2：焊接完成中，用万用表测量每个接地点与电源点是否全部连接起来，发现有一个接地点未连。解决：把这个接地点与其他接地点焊在一起。 问题3：温度测量的时候数值一直在跳。解决：问题的原因是接线口接触不良，把线重新裁剪了一下，使接线正常。5.3实物图图5-1 实物图正面图5-2 实物图反面结论通过这次毕业设计，我学到了不少课本上没有的知识，也锻炼了自己的动手能力，将以前学过的零散的知识串到一起。经过我长时间的设计及调试，本系统基本能实现基于单片机的健康检测仪所有功能。但是仍然还有些不足之处，其一是硬件的稳定性不高，其二则是不方便携带。我的综合设计主要涉及到了硬件和软件这两方面的内容，通过这次毕业设计，我的硬件和软件开发能力都获得了提高。首先在硬件方面，通过焊接电路，我巩固了以前学到的知识，也发现了自己的不足之处。通过对元器件的布局，我对51系单片机的接口有了更深层次的理解，熟悉了一些单片机常用的外围电路引脚和连接方法，如LCD液晶屏，键盘，晶振电路等。在软件方面，我熟悉了Multisim仿真软件的使用，并且自己仿真了电路图。不仅如此，这次毕业设计还提高了我分析问题和解决问题的能力，加深了我对所学理论知识的理解和运用。我的动手能力因此得到了很大的提高，创新意识也得到了锻炼。 致谢语在这次课程设计的过程中，我的指导老师陈绳得老师给予了我很大的帮助，提供了相关的资料，对我的课程设计作品给予了指导和支持。使我顺利圆满的完成了此次课程设计设计。在此，我向陈老师表示衷心的感谢！在做本次毕业设计的过程中，我遇到了很多问题，有些问题我通过自己去查找资料，解决了一些问题，还有些问题我自己没有找到解决的办法，是在陈老师的帮助下，我发现了自己的错误，最终解决了所有的问题。我还要感谢和我同窗的同学们，我在完成毕设的过程中也少不了他们的帮助，他们给了我很多灵感，也给我了很多帮助，帮助我完成这次毕设。我也感谢学院给了我的机会，以及电气工程及其自动化专业的各位老师给予我的帮助和支持，让我坚持到了最后，谢谢你们！参考文献1 中生网. 人口老龄化所带来的健康问题J/OL./biotech/bio/2008/t81243564.html.2008年11月25日2 欧阳俊，谢定.基于BL-410的指端脉搏波采集系统应用研究J .实用预防医学报，2004，第11卷，第2期:2-43 杜生昌. 试析脉诊之不足J. 甘肃中医学院学报,1993, 第10卷，第2期:48-494 于大玮. 皮肤保护全身的“盔甲”J. 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