人体生理参数监测仪.doc

电子与电气工程系毕业设计论文毕业设计（论文） 人体生理参数监测仪中文摘要：人体参数监测仪主要是针对人在跑步和锻炼时的温度、呼吸、脉搏和步数各生理参数的监测。并可以记录显示，当超过设定的阈值时，可以发出警报。本仪器轻便小巧，适合室内、室外锻炼时使用。整个控制系统以CYGNAL公司的C8051F020型SOC单片机为控制核心。配以DS18B20单线数字温度传感器用以对人体的体温进行检测；SC-3微振动传感器用以测量人体跑步过程中的跑步步数；HK-2000A集成化脉搏传感器用以对人体在跑步过程中的脉搏频率变化进行实时的监测，同时利用LED显示器对所测的各项生理参数进行实时的显示，以便使用者对自己的生理状态进生实时的了解。关键词：人体生理参数监测 8051F020单片机 显示 传感器 按键Abstract:Monitor the main parameters of the human body is against a person in the running and training when the temperature, respiration, pulse and step the monitoring of the physiological parameters. And can record shows that, when more than set the threshold value, may issue a warning. The apparatus compact and lightweight, suitable for indoor and outdoor training to use. CYGNAL the entire control system to the C8051F020 MCU-SOC for the control of the core. DS18B20 supported by a single digital temperature sensor to the human body to detect the body temperature; SC-3 micro-vibration sensors to measure the body running step by step in the process of running a few; HK-2000A integrated sensor for the pulse of the human body in the process of running Changes in the pulse of real-time monitoring, and use of LED displays for use by measuring the physiological parameters of the real-time, so that users of their physiological state into the real-time understanding of Health.Key Words: human physiological parameters monitoring sensors 8051 F020 SCM shows keys目 录前 言4第1章 绪论5 1.1 选题背景及目的5 1.2 国内外研究现状及相关领域中的已有研究成果5 1.3 课题的研究方法6 1.4 论文的研究内容与构成7第2章 总体方案设计与选择的论证8 2.1体系结构的设计与规划8 2.2系统方案论证9 2.3 采用的方案说明9第3章 硬件设计11 3.1 控制模块11 3.2呼吸频率检测18 3.3跑步步数检测20 3.4 体温检测21 3.5 脉搏检测26 3.6 显示模块27 3.7 按键模块283.8 定时与报警模块29第4 章 软件设计30 4.1 软件设计方案30 4.2 各模块的软件实现方案30 4.3 软件设计流程图31第5章 结论与体会32谢 辞33参考文献34附 录35前 言随着国民经济的不断发展,人们生活水平不断提高和完善,健康已成了人们关注的焦点和追求的目标。参加锻炼无疑是保持健康的最佳方法,但很多人急于求成,往往适得其反,达不到锻炼的效果,甚至可能对身体造成一定程度的伤害。目前市场上只有单纯的跑步计步器,不能同时监测人体生理参数并实时显示,反馈给锻炼者。因此设计一款基于CIP-51系列为内核的SOC单片机的便携式多功能实时生理参数监测仪可将二者结合起来,并增加了定时功能,使锻炼者进行有计划性的煅炼,放松心情,从而达到提高锻炼质量的效果。第1章 绪论1.1 选题背景及目的随着社会的不断发展与进步，人们的生活水平不断提高，人们也从最初的物质需求（衣、食、住、行），上升到精神需求（娱乐、享受等）。在生活条件不断提高的同时也有越来越多的人为自己的健康而发愁，因此不少的人对饮食非常注意，与此同时也有不少的人通过参加体育锻炼来保持身心的健康，然而大多数的锻炼并不了解自己的身体状况而盲目的从事大量的运动，因而适得其反。而在一般的健身房与家里面锻炼时，人们并不了解自己的身体状况从而引起了不少不良的后果，因而，基于此我们提出了一种人体生理参数监测仪的概念，使锻炼者在锻炼的同时实时的了解自己的身体各方面的状态是否处于最佳状态。因此经过了周密的需求分析和详尽的计划后，决定设计一款基于单片机的人体生理参数监测仪，此设计系统可以完成对人体的各项生理参数的监测，其中包括了脉搏、呼吸频率、跑步步数、体温的检测。并可显示，当超过阀值时，可以发出报警。基于单片机的设计所以轻便小巧，适合室内、外锻炼时使用。1.2 国内外研究现状及相关领域的已有研究成果目前在我国对于用于运动器材上的对人体的各生理参数的测试已逐渐的发展起来。而在国外方面对于各生理参数的监测主要是在医学上研究了各种外界环境对于各种生理参数的影响分析并与作了各方面的实验包括对于临床上的观察以及动物的实验观察进行论证分析的实际性。而与此相关的其它的领域则取得了相当不错的成绩。例如在临床医学上。对人体生理参数的监测，在临床上已有悠久的历史。早期的临床监护主要是由医生和护士来承担，病人的生理信息只是靠一些简单的检测仪器如温度计、血压计等和对病人的直接观察或询问而获得，然后通过医生和护士的医疗经验，对信息做出判断和处理，最后开出医疗处方。这是一种最原始和最简单的医疗监护系统。随着医学知识的不断进步，要求处理信息的种类和速度大大增加，传统的方法和简单的仪器已让位于由复杂的传感器、微处理器组成的仪器以及数据库管理和计算机系统，当将这些仪器集于一体时，就构成了现代意义上的医疗监护系统。人体生理参数监测在医学上的发展展望：随着现代医疗与计算机、通讯网络的发展，监护系统的一个重要的发展趋势就是在地域（距离）上的不断延伸，其功能也不断扩大。自上世纪70年代美国航天局（NASA）运用远程监护技术对空中的宇航员进行生理参数的监测开始，直到目前美国军方研究的一种供战时使用的人体状态监护仪（Personal Status Monitor，PSM），这是一种由士兵佩戴，在战场上监护士兵的呼吸、体温、血压、心率及心电图的监护装置，通过无线电技术使战地指挥官能估计战场上的受伤者是否还活着，并可确定受伤者的所在位置。目前，医院内以计算机为基础的病人床边监护与中央集中监护系统，已能通过各种方式与各类信息系统相连接，组成一个集数据、波形、语音、图像为一体的有线与无线相结合的信息网络。在这个网络中可通过各种有线和无线传输方式，将急救现场、急救车、诊疗船、直升机、家庭诊疗所、乡村医院等与急救中心和大型医院相联通，为人类提供在任何地方、任何时候实行远程监护与医疗诊断。这一现代技术目前正悄悄地进入医院、家庭以及任何载人的运输工具（汽车、火车、船舶、飞机、宇宙飞船等）中，并直接为工作中、行走中和飞行中的个人保健服务 。1.3、课题的研究方法在设计系统时，我们本着软、硬件开发的最主要的几个原则。a)整体性原则：系统是相互联系，相互作用的诸要素组成的综合体。我们必须从整体和各组成部分的相互关系来考察事物，从整体目标和功能出发，正确处理系统各组成部分之间的相互关系和相互作用。b)分解协调原则：就是把复杂问题化成若干相对简单的子问题以方便求解。若子系统的问题比较复杂，还可以再分。但在处理各类子问题时，必须根据系统的整体功能和目标，协调各子系统的行为、功能与目标，以保证整体功能目标的实现。c)目标优化原则：所谓目标优化原则对简单系统来说，求的是最优解，对复杂系统来说，求的是满意解。一定要注意，目标优化原则并不简单是求最优解的问题。d）可行性原则：所谓可行性原则即是不管对于一个多么复杂或者简单的系统，在考虑设计方案与具体实现手段时一定要是实际可行的不能光是建立在理论的基础上同时应当考虑实际中能否实现的问题。当然，以上并非是全部的原则。在处理实际问题时，还需在这些原则的指导下，根据问题的特点，确定求解的具体方法和策略。1.4、论文的构成及研究内容 我结合人体生理参数监测仪的具体要求，对单片机C语言程序设计、传感器技术、放大电路、滤波电路、SOC单片机应用技术进行了较深入的学习与应用，主要完成了对人体在跑步机上运动时的的呼吸频率、脉搏、跑步步数、体温的测量，并由此设计了基于单片机设计的硬件原理图与软件程序及部分功能的仿真。首先对人体生理参数监测仪系统进行了简明的介绍，并分析了人体生理参数监测仪所进行的工作。然后对整个系统的所完成的功能以及方案的选择进行进行了系统分析，为各个模块的设计打下基础。接着对硬件各模块的具体设计方法与原理进行了介绍，并对软件的设计方案进行了分析以及软件中各模块的具体实现方法。最后介绍了自己在整个设计过程中所完成的事项以及存在的不足与所需的改进进行了分析与说明。另外介绍了我设计的各个模块所用到的参考资料以及对部分功能的仿真，最后谈了整个设计过程中的收获与体会。第2章 总体方案设计与选择的论证2.1、体系结构的设计与规划 毕业设计课题内容是在Windows XP环境下利用KEIL C编译器完成对系统的软件设计，而对于硬件的原理图设计是基于Protel 99 SE软件完成的。最后对于部分功能的仿真是基于Proteus 7.1完成的。设计的过程包括：1、规化阶段 此阶段首先进行对人体的各种生理参数的特性进行了解，以此来选择合适的检测手段。其次是对各生理参数的正常值范围进行了解，从而有利于对各参数阀值的设定以达到让人在正常的生理环境内外下达到锻炼的目的。然后对方案的可执行性进行分析，并写出可行性分析报告，最后确定人体生理参数监测仪的总目标和制定出项目开发计划。2、需求分析 随着社会的不断进步，人们生活水平的不断提高，对于衣、食、住、行已不再能够满足人们的需求了，在当今社会人们如今除了对娱乐享受方面的追求外，越来越多的人意识到健康的重要性。很多人加入了运动煅炼的行列，然而在煅炼过程中随时的了解身体各方面的状态已成为一种新的需求。具体要求如下：1)、必须保证系统的正确性和实用性：系统的各个功能必须达到人体生理参数监测的要求，起到应有的作用。2)、必须保证系统的易用性：操作简单明了，按钮统一排放，常用按钮要位于习惯操作的位置，且各个按钮的位置跳动不宜过大。3)、必须系统保证的安全性：此系统在使用过程中不能对人体造成任何的危害。3、整体方案设计及各模块的设计与软件设计 设计人体生理参数监测仪的具体实现方案，并针对具体的功能进行硬件的设计与分析，最后对整个系统进行软件设计。4、部分功能仿真 由于此系统采用了较多的传感器，因此只是利用软件对此系统的按键设置与显示功能进行仿真测试其正确性与可行性。5、最终的设计结果分析 对此系统的软硬件结合起来考查系统的可行性，以及在此过程中所达到的要求与还存在的不足的方面。2.2、系统方案论证方案一嵌入式技术实现便携式的人体生理参数采集和处理。方案二以ARM微处理器控制和采集核心，经前端生理信号传感器和模拟电路对人体生理信号进行采集处理，A/D转换送给ARM处理，D/A转换由GPRS模块发出去，远端带有接收功能的监护中心接收心电等生理信号，计算机上显示出人体生理参数波形，实现人体健康监控。以ARM微处理器控制和采集核心的远程人体生理参数监测仪设计。方案三基于CIP-51为核的SOC单片机，配置以各种集成传感器，使系统体积变的小巧。由于采用了微型封装的集成电路芯片，使连线变短，减少了通信接口的个数，从而提高了整机工作的可靠性。 根据以上的几种实现方案由于我们的系统只是针对于跑步机上个人用户的使用因此不需要远程的监控因此本次设计选用方案三。2.3、采用方案说明 根据系统的设计功能要求，确定整个系统可分为主控模块、体温检测模块、显示模块、报警模块、脉搏检测模块、呼吸频率检测模块、按键模块、定时部分、跑步步数检测模块共九个模块组成，整个系统方框图见图2.1所示，主控芯片使用CYGNAL公司的C8051F020单片机，体温检测模块主要采用美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进智能温度传感器DS18B20作为检测元件，显示模块主要是采用简易的LED数码显示管，按键模块采用普通的按钮开关，定时模块主要由软件来实现，而跑步步数、呼吸频率、脉搏则主要由专门的传感器检测后再经过一定的外围电路将将传感器的输出信号整形为脉冲信号，最后将脉冲信号送入单片机将各传感器的信号进行采集并对其作出相应的处理，而对于报警模块也只是用一个蜂呜器来达到报警的功能。这样大大的降低了整个系统的设计难度，从而有利于此系统的顺利完成。图2.1所示为系统设计方框图。整个系统电路原理图见附录1，各参数阀值的设定范围分析见附录5。MCUC8051F020体温呼吸频率按 键定 时显示报警脉搏跑步步数图2.1 人体生理参数监测仪系统框图第3章 硬件设计3.1 控制模块3.1.1 控制模块芯片选择根据整个控制系统的功能要求以及系统的设计方案可知,要用多个传感器来采集人体各种生理参数经适当的外部电路整形为脉冲波以后，再通过单片机来对传感器的输出信号进行采集与处理，