便携式多生理参数监护系统的软件设计-计算机网络技术毕业设计

1、便携式多生理参数监护系统的软件设计xx大学毕业设计（论文）题 目 便携式多生理参数监护 系统的软件设计 院 系 电气工程学院 专 业 生物医学工程 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 xx 职称 讲师 2015年 6 月 日摘 要 随着人们生活水平的提高，各种疾病如高血压、心脏病等的发病率都呈现上升趋势，本课题针对这一现状，设计以51单片机为核心，开发心率、血压、血氧饱和度、体温等多个生理参数的数据采集与实时处理系统，主要功能包括信号的实时采集、处理、存储、显示、报警等。该系统主要实现对人体四项基本体征信号的测量及计算，并将信息在lcd上显示，将所采集的数据保存于数据存储器中，待测试仪与上位机

2、通过通信连接时，可从pc端读取所存储的数据。软件设计部分设计出合理的流程图，通过c语言进行编程，程序主要包括dsl8b20的温度采集、adc数据读取计算、1602液晶显示器的驱动、按键读取以及对呼吸信号和脉搏信号的读取和计算，并可在keil c51环境下实现仿真和验证。关键词 单片机，液晶显示器，生理参数，c语言，仿真 abstract with the improvement of peoples living standard, various kinds of diseases such as hypertension, heart disease rates are on the ri

3、se, this topic according to this situation, the design uses 51 scm as the core, the development of heart rate, blood pressure, oxygen saturation, temperature and other physiological parameters of data acquisition and real-time processing system, the main functions include signal real time acquisitio

4、n, processing, storage,display, alarm, etc. the system mainly realize the measurement and calculation of the four basic human physical signs, and displays the information in lcd, the collected data is stored in the data memory, test instrument and host computer through the communication connection,c

5、an read the stored data from the pc end. the part of software design flow chart of reasonable design, through the c programming language, the program mainly includes temperature acquisition, adc data dsl8b20 read calculation, 1602 lcd driver, get key as well as on the respiratory signal and pulse si

6、gnal read and calculation, and can realize the simulation and verification in the keil c51 environment.key words mcu, lcd display, physiological parameters，c language, simulation1目录摘 要iabstracti目录ii1 绪论11.1课题的目的与意义.11.2 多参数生理监护技术的发展过程和现状.11.3 本论文主要工作.31.4 本章小结.42 有关生理参数的基本知识及器件选择52.1体温测量模块.52.2 血压测量

7、模块.72.3 呼吸测量模块.92.4 心率测量模块.102.5 本章小结.123 多生理参数监护系统的软件设计133.1 51单片机简介.133.2 单片机c语言简介.143.3 keil c51开发环境简介.153.4 系统软件整体设计.173.5 模数转换模块.313.6液晶lcd驱动程序.333.7 报警装置.373.8 本章小结.384实验仿真.39仿真电路主模块.395 结论41谢 辞42参考文献42附录 1 外文资料翻译43a 1.1译文 虚拟现实技术在生物医学领域中的应用.43a 1.2 原文application of virtual reality technique in

8、 biomedical field.46附录 2 系统主要程序50iii1 绪论1.1课题的目的与意义 随着国内外科技的发展和医疗水平的提高，人们的健康观念、方式和途径都发生着深刻的变化。现代的医疗的重心已由原来的治疗为主转为预防和提高身体素质为主。家庭医疗保健在此大背景下逐渐走入人们的生活中，长期以来，我国监护仪的应用领域以医疗机构应用为主1。随着家庭医疗保健工程的发展，监护仪也将从主要用于重病监护，发展到老年人慢性病的监护，以及在家庭医疗中的应用2监护仪的特点也将由单纯的诊断和康复等功能向多参数、高集成度、多功能等方面发展。因此家庭医疗保健工程加速推动了它进入家庭医疗电子市场随之而来的是一

9、系列的社会问题。慢性病长期困扰着老年人，年轻人需要在工作和学习的同时花费很大精力来照顾老年人。医疗技术发展的同时带来了费用的上涨，这也给年轻人造成一定的经济压力。这些都推动着监护仪家庭化应用的进程。因此设计一款便携式多生理参数监护仪具有重要意义。 便携式多生理参数监护系统具有体积小、使用方便、功能强大等优点，可随身携带，检测人体的某些重要生理参数，并实时显示。便携式多生理参数监测软件系统是以应用为中心，以计算机为基础，对于功能、成本、可靠性、体积、功耗均有严格要求的专用计算机系统。该系统以硬件为基础，通过汇编语言和c语言来实现对于血氧饱和度（spo2）、心电（ecg）、呼吸（resp）、血压（

10、bp）和体温（temp）等多生理参数进行长时间的监测。本选题侧重于用mcs-51系列单片机实现多生理参数数据的多通道实时采集、处理、存储、显示、报警、以及与上位机的通信等，并可用keilc51软件进行仿真和验证。1.2 多参数生理监护技术的发展过程和现状1.2.1 多参数生理监护系统的发展历史多参数监护设备的种类繁多，但其基本参数都以心电参数为主。它最早可追溯到1903年，荷兰leiden大学的威廉爱因托芬(weinthoven)教授发明了第一个弦线式心电图记录训。此后，人们逐渐认识到心电图学的研究对预防心血管疾病所具有的重要意义。从20世纪30年代到60年代基本完成了持续床边ecg监测。20

11、世纪70年代，开发并生产出单一功能的监护设备，并得到了临床广泛的应用。但单一功能的监护设备远远不能满足临床的需要，严重制约了医院对广大危重病人的救护。随着传感技术和电子技术的发展，监护参数不断增多，70年代完成了血压的持续监测，80年代有了血氧的持续监测，1983年csi发明了世界第一台便携式电池型血氧监测仪。参数监护也逐渐由过去的心电监护、血压监护等单一参数的监护发展为包括心电、无创血压、有创血压、呼吸、血氧饱和度、双体温、呼吸术二氧化碳、心输出量及麻醉气体分析等在内的多参数监护3。人体监护系统的发展，可追溯至1962年，北美建立第一批冠心病监护病房（ccu）。此后，监护系统得到了迅速发展。

12、从以前的单台监护发展到今天的几台或几十台监护仪互联在一起的监护网络。从基于电话网和有线电视网传送的远程医疗到现在的基于无线网络的远程监护4，家庭护理等。我国的监护技术发展始于上世纪50年代末，但直到70年代中期才研制出用于临床的监护仪器，80年代各种医用监护仪纷纷问世。当时的设备采用了心电图的信号采集及处理技术，显示采用的也是模拟示波技术。到90年代中期，出现了包含心电、血压、脉搏、血氧饱和度、体温、呼吸六参数的多参数监护设备。近几年，由于临床监护仪市场的需求大大增加，国际市场的发展每年都以10以上的增长率增长。我国的监护仪产业也保持着快速的增长速度，同时也涌现出了像深圳这样的高档医疗器械制造

13、基地和深圳迈瑞、深圳金科这样的优势企业。1.2.2 多参数生理监护的国内外发展现状及发展趋势 随着生现今监护仪虽然实现功能和工作原理类似，但具体的实现方案略有差异，一般工作过程为通过传感器采集用户的被测生理特征参数，然后将特征参数经滤波放大后再进行模数转换，最后由处理器处理数据并分析和存储参数，最后在终端界面上以数字或曲线形式显示，且可设置参数的报警范围值5。当检测到的用户生理参数值超过安全范围时，监护系统可以提供越限报警机制，提醒监护人员采取必要措施。 监护仪的技术水平同医疗电子技术、数据处理技术和传感器技术的发展现状是密不可分的6。在监护仪发展的早期阶段，欧美等科技水平较高的国家主要掌握着

14、多参数监护仪的尖端技术，而国内在这方面的技术研究仅以应用于普通医用监护为重点方向。近年以来随着经济提升和科技进步，我国医疗监护仪的发展模式逐渐摆脱了简单的组装。为了掌握核心技术和提高产品竞争力，在自主创新上投入了大量研发资金和技术力量。现阶段，国内监护仪在占据国内常规应用市场主导地位的同时，凭借价格和本地化等优势与欧美国家在尖端产品上展开竞争。国内监护仪一般都可同时监测多个生理特征参数。某些产品性能已趋近于欧美产品，如采用oem定制的参数采集模块集成的一些常规监护仪；一些产品在某些性能上甚至还超过了欧美产品7。综上所述，目前我国监护仪技术水平逐步提高，大致出现了网络共享、单元模块、功能集合、微

15、型便携等几种创新技术的发展趋势。 微型便携的多参数监护仪大致分类为：一种是利用嵌入式触控屏显示技术和微型单元集成，在特定监护场所内可以便携移动。低功耗特性和多供电方式选择（内置电池或外部电源）便于在不同情况下使用。另一种是采用微型贴身传感器，增加其无线通信功能，利用zigbee协议组成局域网。最终通过手持终端接收数据并显示和存储，还可通过终端的gprs或wifi网络上传数据实现网络医疗诊断。 在国内，中科院传感网络与应用联合研究中心(snarc)开发了国内第一套可穿戴健康监护原型系统。穿戴式技术利用一定周期内的生理参数变化与特定日常活动情景相结合，首次提出利用有情景信息融合方法实时监测人体健康

16、状况。可以实时监控人体在运动状况下的心脏健康状况。佩戴在人体的数据采集设备可以实时采集到人体的三维加速度信息以及心电图数据，这些信息通过蓝牙发送到手机端。手机端对采集到的数据进行实时分析，并返回人体的运动状态信息，心率信息等数据。一旦发生异常，可以及时发送警报。同时，手机端与服务器中央数据库保持同步。 在国外，移动式监护技术已成为人体生理监护系统发展趋势。利用无线通信和无线传感器技术，可穿戴传感器通过无线通信组成人体局域网（ban），监测人体各种重要生理参数。可穿戴传感器采集和处理信号通过zigbee协议与智能个人数字助理（ipda）通信。ipda可以以波形和数字的形式显示生理参数，同时通过3

17、g通信转发到医疗服务系统。医疗服务系统通过反馈可以给用户提供远程监护和远程治疗服务。 综上所述：成本低、智能化、微型化、功能强大和方便携带将成为今后监护仪发展的重要特点。同时，随着无线传感器和局域网络技术的发展，家用或医用多参数监护系统将会越来越集成化，网络化和智能化。在此背景下本课题着力于研究一种应用与监护仪的更加通用的高速通信接口。此外，随着usb协议标准的不断完善和其应用技术的广泛普及，usb接口将会推广到各种电子平台下。这同时也增加了基于usb接口多参数监护仪的更广泛的应用平台。1.3 本论文主要工作本论文以51单片机为核心，设计开发心率、血压、血氧饱和度、体温等多个生理参数的数据采集

18、与实时处理系统，主要功能包括信号的实时采集、处理、存储、显示、报警等。软件程序设计包括多个通道的信号采集、格式转换、数据存储、液晶显示等功能模块设计。最终软、硬件系统的设计结果可以利用单片机硬件仿真系统或者单片机仿真软件进行仿真和验证。主要内容：(1) 血压、脉搏、呼吸、体温四项参数测量方法的选择 (2) 传感器的选择 (3) lcd显示设备的设计 (4) 与上位机的通信(5) c语言程序的编写 (6) 报警电路的设计 (7) keil c51仿真实现1.4 本章小结简介本课题设计的背景及设计的目的和意义，阐述多生理参数监护系统发展历史，国内外发展状况以及以后的发展趋势。并详细说明本论文主要工

19、作和所需要达到的目的。2 有关生理参数的基本知识及器件选择2.1体温测量模块2.1.1 人体体温简介 人体内部的温度称体温。保持恒定的体温，是保证新陈代谢和生命活动正常进行的必要条件。体温是物质代谢的产物。三大营养物质在氧化过程中释放的能量，其中50%左右的能量变为体热以维持体温，并以热能的形式不断散发于体外；另有45%的能量转移到三磷酸腺苷（atp）的高能磷酸键中，供机体利用。机体利用的最终结果仍转化为热能散出体外。这就是产生体温的由来。正常人的体温相对恒定的，它通过大脑和丘脑下部的体温调节中枢调节和神经体液的作用，使产热和散热保持动态平衡。在正常生理状态下，体温升高时，机体通过减少产热和增

20、加散热来维持体温相对恒定；反之，当体温下降时，则产热增加而散热减少，使体温仍维持在正常水平。人的体温一般稳定在365375。尽管因季节、昼夜不同而有些波动，但总是在上述这个范围。若超过这个限度，则为疾病在体温上的反映。 图2.1 人体正常体温范围示意图2.1.2 温度传感器选择 dsl8b20是美国dallas公司生产的一线式数字式温度计芯片8，温度范围为-55125，在-1085范围内温度精度0.5度。独特的单总线接口方式，dsl8b20在与微处理器连接时仅需要一条i/o数据线即可实现微处理器与ds18b20的双向通讯。可由程序设定912位分辨率，对应的分辨温度分别为0.5、0.25、0.1

21、25、0.0625。转换时间与设定的分辨率有关，当设定为9位时，最大转换时间为93.75ms；10位时的转换时间为187.5ms；11位时为375ms；12位时为750ms。电源电压范围为3.0v5.5v。ds18b20的读写时序和测温原理与ds1820相同，只有得到温度值因分辨率不同而不同，且温度转换时间由延时时间2s减为750ms，包含四个主要的数据部分：64位光刻rom、温度传感器、温度传感器的存储器、配置寄存器。一、ds18b20的主要特性1、适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5v，在寄生电源方式下可由数据线供电2、独特的单线接口方式，ds18b20在与微处理器连接时仅需要一条口线

22、即可实现微处理器与ds18b20的双向通讯3、ds18b20支持多点组网功能，多个ds18b20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温4、ds18b20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内5、温范围55+125，在-10+85时精度为0.56、可编程 的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温7、在9位分辨率时最多在 93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快8、测量结果直接输出数字温度信号，以线总线串行传送给cpu，同时可传送crc校

23、验码，具有极强的抗干扰纠错能力9、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。三、ds18b20引脚图及管脚排列 图2.2：ds18b20引脚图及管脚排列2.2 血压测量模块2.2.1 人体血压参数简介 血压是血液在血管内流动时，作用于血管壁的压力，它是推动血液在血管内流动的动力。心室收缩，血液从心室流入动脉，此时血液对动脉的压力最高，称为收缩压。心室舒张，动脉血管弹性回缩，血液仍慢慢继续向前流动，但血压下降，此时的压力称为舒张压。也就是说，心脏泵出血液的时候形成的血压就是收缩压，也叫高压。在血液流回心脏的过程中产生舒张压，也叫做低压。根据世界卫生组织规定血压参考数值：理想

24、血压：收缩压120mmhg和舒张压80mmhg。正常血压：收缩压应130mmhg，舒张压85mmhg。血压正常高限或高血压前期:收缩压在130139mmhg和/或舒张压在8589mmhg。高血压:收缩压140mmhg和（或）舒张压90mmhg。低血压：收缩压 90mmhg和(或）舒张压60mmhg。临界高血压：收缩压在140160mmhg(18.621.3kpa),舒张压在9095mmhg(12.012.6kpa)。2.2.2 血压测量方法的选择一般医院使用的水银血压计，是基于柯氏法，专业医生可以用昕诊器听到动脉血管的不同声音，来判断收缩压和舒张压的值。但科氏法存在一些固有的缺点：一是确定舒张

25、压比较困难；二是此法凭人的视觉和听觉，带有主观因素，除非专业医生，一般人很难测准血压。以前也出现了多种科氏法电子血压计，试图实现血压的自动检测，但很快发现这类血压计未能克服柯氏法的固有缺点，误差大，重复性差。目前，国外大多数无损自动血压自动检测仪器都采用测振法。在本文中采用1620型血压计压力传感器进行测量。其原理是利用单片机控制气阀将袖带内的气体逐渐放掉，用压力传感器检出袖带内的压力和微弱的脉搏振荡信号，再经放大电路放大，送入a/d转换器，经过单片机处理得到收缩压、舒张压、和平均动脉压。1620型血压计压力传感器是一种适合大批量自动化生产的贴片式(smd)器件9。陶瓷基座的上面焊有硅压力传感

26、器及用环氧树酷胶粘贴的塑料保护罩。罩上的方孔是进压器, 在罩内装有保护硅压力传感器的绝缘凝胶。陶器基座下表面有精密丝网印刷及烧结工艺制成的传感器输入、输出焊接点及补偿电阻及校正电阻网络,并采用激光刻蚀修正, 以满足电桥的零压输出精度、补偿环境温度变化对传感器带来的温度误差及达到传感器互换性精度要求。硅片经微细加工形成硅膜片,在膜片上用扩散工艺或离子注入工艺加工出四个电阻并连接成电桥。当压力经凝胶传入硅膜片时,膜片受力变形,电阻产生压阻效应而使电桥失去平衡,输出与压力成比例的电信号。血压计压力传感器是一种测表压传感器,在陶瓷基座上有一孔通大气。注:1、传感器不加压的输出(在+vin与+out之间

27、连接150k电阻)2、在加热20分后超过8小时的时间周期。3、超过工作范围（+10+40）2.3 呼吸测量模块 2.3.1 人体呼吸参数 呼吸是指机体与外界环境之间气体交换的过程。人的呼吸过程包括三个互相联系的环节：外呼吸，包括肺通气和肺换气；气体在血液中的运输；内呼吸，指组织细胞与血液间的气体交换。正常成人安静时呼吸一次为6.4秒为最佳，每次吸入和呼出的气体量大约为500毫升，称为潮气量。当人用力吸气，一直到不能再吸的时候为止；然后再用力呼气，一直呼到不能再呼的时候为止，这时呼出的气体量称为肺活量。正常成人男子肺活量约为3500-4000毫升，女子约为2500-3500毫升。对生物体来说，呼

28、吸作用具有非常重要的生理意义：一、呼吸作用能为生物体的生命活动提供能量。呼吸作用释放出来的能量，一部分转变为热能而散失，另一部分储存在atp中。当atp在酶的作用下分解时，就把储存的能量释放出来，用于生物体的各项生命活动，如细胞的分裂，植株的生长，矿质元素的吸收，肌肉的收缩，神经冲动的传导等。二、呼吸过程能为体内其他化合物的合成提供原料。在呼吸过程中所产生的一些中间产物，可以成为合成体内一些重要化合物的原料。例如，葡萄糖分解时的中间产物丙酮酸是合成氨基酸的原料。同时，保持大气中二氧化碳和氧气的含量保持平衡。在运动医学、军事医学以及医学科学研究中，呼吸检测都是一项重要的生理指标。但目前呼吸监护技

29、术的发展滞后于心血管监护技术，临床医生重心轻肺的现象普遍存在。现代监护技术要求连续监测各种生理参数，做到无创、准确、稳定，尽可能减少不适感，无过敏反映。这其中需要解决的问题颇多，呼吸监护同样面临这样的困难。它已经不仅仅局限于对呼吸频率、呼吸节律、动脉血气以及普通胸片等常规项目的检查， 能确切反映患者通气/氧合状况并能指导机械通气治疗参数调节和临床用药的指标更加受到重视。但在现有的技术条件下，要实现用便携式呼吸监护设备实时动态连续监护这一系列的生理参数， 是非常困难的。呼吸频率是呼吸行为一项重要的参数，通过对呼吸率的研究分析，可以获得许多隐藏在其背后的内在的生理信息，并且对它的检测也较易实现，所

30、以现有的呼吸监护设备主要监测的就是呼吸频率。2.3.2 呼吸测量原理呼吸系统功能的监测是临床监护的一个重要方面。要进行全面的呼吸功能监测，需要肺活量计、气道压力表、气体质谱仪及血气分析仪等仪器监测肺活量、潮气量、气道阻力、血氧及二氧化碳。呼吸频率是监测呼吸系统功能的一个基本指标。呼吸频率的检测技术手段很多，有热敏元件检测法，阻抗技术检测法、呼吸流速仪法、监测由呼吸运动引起的胸部物理变形的方法等。本文主要讨论利用热敏法原理监测呼吸频率。热敏电阻的主要特点是：灵敏度高，其电阻温度系数要比金属大10100倍以上，能检测出6内的温度变化10；工作温度范围宽，常温期间使用于一55315，高温期间适用温度

31、高于315(目前最高可以达到2000)，低温器件适用于一27355；体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在01100kq间任意选择；易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过滤能力强。由温度传感器、直流电桥电路、放大电路等组成桥式电路通过热敏电阻感知呼吸气体的温度与环境温度是否相同来提供输出的微弱的模拟信号(电压)。经运算放大电路放大，再送入模数转换器。热敏法原理：热敏元件监测法监测呼吸频率的原理是人体呼吸时呼吸气流温度发生变化，热敏元件将温度变化转为电信号，从而获得呼吸气流温度变化信号，通过对气流温度信号变化的识别，识别出呼吸状态的改变，

32、进一步得到单位时间内呼吸次数，即呼吸频率。该方法的优点是，测试简单易行，便于重复使用，而且不受病人身体运动产生干扰的影响，特别适用于监测处于转移和运输途中的病员的呼吸频率。2.4 心率测量模块心率 2.4.1 人体心率心率(heart rate)：用来描述心动周期的专业术语，是指心脏每分钟跳动的次数，以第一声音为准。正常成年人安静时的心率有显著的个体差异，平均在75次/分左右(60100次/分之间)。心率可因年龄、性别及其它生理情况而不同。初生儿的心率很快，可达130次/分以上。在成年人中，女性的心率一般比男性稍快。同一个人，在安静或睡眠时心率减慢，运动时或情绪激动时心率加快，在某些药物或神经

33、体液因素的影响下，会使心率发生加快或减慢。经常进行体力劳动和体育锻炼的人，平时心率较慢。近年，国内大样本健康人群调查发现：国人男性心率的正常范围为5095次/分，女性为5595次/分。所以，心率随年龄，性别和健康状况变化而变化。心脏是人体的重要器官，是血液循环的动力装置，每时每刻按着一定的速率和节律跳动，它的状况好坏直接关系着人们的身体健康。心脏每次跳动之前，首先产生电激动，电激动始于窦房结，并沿心脏的特殊传导系统下传，先后兴奋心房和心室，使心脏收缩执行泵血功能。这种先后有序的电兴奋的传播，可经人体组织传到体表，产生一系列的电位改变，并被记录下来用于反应心脏活动，这就是心电图。图2.3典型的心

34、电信号图随着心脏的搏动，心电图上出现一组特征性的波形(p，qrs，t及u波)，这些波形对应着心脏的基本电活动。图2.3所示是一个正常状况下的典型的完整心电波形。心电图的各个波、段和间期都有其特殊的生理意义，可作为临床分析心脏疾病的重要参考资料： 1、p波，最早出现，幅度最小，是代表心房肌去极化过程的电位变化。其起点表示窦房结的激动已到达心房，使心房开始去极化；其重点表示两心房全部去极化完毕。因窦房结的激动先传导到右心房，后传导到左心房，故p波的前半部代表右心房的激动，后半部代表左心房的激动。 2、p-r间期，是从p波起点到qrs波群起点的时间间隔，反映心房去极化开始到心室去极化开始的间隔时间，

35、正常为0.120.20秒，若p-r间期延长，则表示房室传导受阻。 3、qrs综合波，是心电图中幅度最大的波群，反映心室去极化的全过程，qrs综合波形状以及激动在心室内传播的途径与束支的分布有关。由于心室各部的肌肉厚度不一，故qrs综合波反映的是几个去极化过程所产生的电位变化的综合情况，因此称为qrs综合波。其持续时间的正常值约为0.060.16秒。 4、s-t段指qrs综合波终点到t波起点的一段，表示心室去极化结束至复极化开始的一段时间。正常人s-t段光滑，凹面向上，在心率缓慢时，s-t段呈水平直线，但大多数情况s-t段与t波相连不易分开。5、t波，qrs综合波后向上或向下的一个圆钝波，代表心

36、室肌复极化时的电位变化。复极化的电位一般比去极化电位低，因此复极化过程慢，所占时间也比较长。6、q-t间期，qrs综合波起点到t波终点，是心室开始去极化到复极全部完成所需的时间，正常值为0.320.44秒。7、u波，在t波之后约0.020.04秒出现，一般较宽而低。危、急重病人ecg监测，是对心脏节律监测最有效的手段。通过监测，可发现心脏节律异常，各种心律紊乱，如房性、室性旱搏，心肌供血情况、电解质紊乱等。2.4.2 心率测量原理目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：光电容积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。近年来光电检测技术在临床医学应用中发展很快，这主要

37、是由于光能避开强烈的电磁干扰，具有很高的绝缘性，且可非侵入地检测病人各种症状信息。本系统设计了指套式的透射型光电传感器，实现了光电隔离，减少了对后级模拟电路的干扰。传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。所用光电式传感器由发光二级管和光敏二极管组成，其工作原理是：发光二极管发出的光透射过手指，经过手指组织的血液吸收和衰减，由光敏二极管接收。由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的吸收和衰减也是周期性脉动的，于是光敏二极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。2.5本章小结本章主要讲述了四个生理参数的基本知识及测量器

38、件的选择和测量原理，为下面的软件流程图的设计坐下铺垫。只有对每个模块的参数认识到位和测量器件选择准确才能准确设计出系统流程图，才能完成软件的编程。3 多生理参数监护系统的软件设计3.1单片机简介 at89c51单片机介绍 at89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能cmos8位微处理器，俗称单片机。at89c2051是一种带2k字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技

39、术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中atmel的at89c51是一种高效微控制器，at89c2051是它的一种精简版本11。at89c单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。flashcpu串行通讯口ram输入输出接口计数器定时器时钟 图 3.1 单片机89c51结构框图 图 3.2 单片机89c51引脚图1 主要特性：（1）与mcs-51兼容 （2）4k字节可编程闪烁存储器 （3）寿命：1000写/擦循环（4）数据保留时间：10年（5）全静态工作：0hz-24hz（6）三级程序存储器锁定（7）128*8位

40、内部ram（8）32可编程i/o线（9）两个16位定时器/计数器（10）5个中断源 （11）可编程串行通道（13）低功耗的闲置和掉电模式（14）片内振荡器和时钟电路 3.2单片机c语言简介用于单片机软件编程12的语言有面向单片机的c语言和汇编语言。c是一种源于编写unix操作系统的语言，它是一种结构化语言可产生紧凑代码，可以进行许多机器级函数控制。汇编语言是用操作内容的英文词的缩写符号代替二进制编码，用符号代替地址或操作的数据。与汇编相比，c语言有如下特点：1. 对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对控制器的存储器有初步了解； 2寄存器分配，不同存储器的数据类型等细节可由编译器管理； 3程序有

41、规范的结构，可分为不同的函数，这种方式可使程序结构化； 4具有将可变的选择与特殊操作结合在一起的能力，改善了程序的可读性； 5关键字与运算函数可用近似人的思维过程方式使用； 6编程与程序调试时间显著缩短，从而提高效率； 7提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力； 8已编好程序可容易的植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术。因此，用c语言进行msp430程序设计是单片机开发与应用的必然趋势。单片机教学中的程序设计也应该以c语言为主，汇编语言为辅13。对汇编语言掌握到只要可以读懂程序，在时间要求比较严格的模块中进行程序的优化即可。采用c语言也不必对单片机和硬件接口的结构有很深入的了

42、解，编译器可以自动完成变量的存贮单元的分配，编译者就可以专注于应用软件部分的设计，大大加快了软件的开发速度。3.3 keil c51开发环境简介 keil c51是美国keil software公司出品的51系列兼容单片机c语言软件开发系统，与汇编相比，c语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。keil提供了包括c编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uvision）将这些部分组合在一起。运行keil软件需要win98、nt、win2000、winxp等操作系统。如果你使用c语言编程，那么keil几乎就是

43、你的不二之选，即使不使用c语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。keil使用中几个重要步骤：其一：输入源程序。在新的文本编辑窗中输入源程序，可以输入c语言程序，也可以输入汇编语言程序。在文本编辑窗中输入源程序并保存，文本保存的名称为lich1.asm。 图3.3输入源程序其二：新建立keil工程。点击 工程 新建工程 命令，将出现保存对话框。 图3.4新建工程其三：加入源程序到工程中。 图 3.5 添加文件到工程命令其四：工程目标属性设置。 图 3.6 进入工程目标属性设置其五：源程序的编译与目标文件的获得。 图 3.7 编译源程序3.4 系统软

44、件总体设计系统的整个程序上基本上采用c51编程，系统软件所实现的功能主要是系统功能的实现及数据的处理和应用14。根据前面几个章节所述内容，系统软件需要实现以下功能： 1温度信号的采集处理 通过温度传感器ds18b20进行温度的采集并通过单片机进行处理，存储和显示。 2血压信号的采集处理 通过1620型血压计压力传感器对血压信号的采集并通过单片机进行处理。 3呼吸信号采集 用热敏电阻法对呼吸信号的采集处理 4心率信号的采集 利用光电式传感器采集心率信号通过单片机进行处理。 设计方案本方案设计的系统由传感器、滤波电路、液晶显示模块、键盘模块和接口电路等组成，其总体架构如图3.8所示：人体温度传感器

45、压力传感器脉搏传感器呼吸传感器at89c51单片机上位机lcd显示报警图 3.8 系统总体方案该系统的设计是基于at89c51单片机和lcd的，其中以核心单片机外接不同功能的传感器为基础，通过对体温、血压、心率和呼吸的测量，达到最人体多生理参数的监测，进而达到对人体健康的监测的目的。系统的总体流程图见图3.9:系统程序初始化显示欢迎界面程序初始化化按下按键一按下按键二测血压信号程序测心电信号程序按下按键三按下按键四测体温信号程序测呼吸信号程序数据保存nnnnyyyy图 3.9 系统程序流程图系统总流程图中：当按下不同的按键，能够实现不同生理参数的测量。通过体温信号测量程序，显示出体温值；通过血

46、压信号测量程序，显示出血压值；通过心率信号测量程序，信号放大和既定阈值比较，判定心率是否异常；通过呼吸信号测量程序，差动放大以及计数器，得出呼吸频率。3.4.1 体温值测量部分ds18b20的读写时序和测温原理与ds1820相同，只有得到温度值因分辨率不同而不同，且温度转换时间由延时时间2s减为750ms，包含四个主要的数据部分：64位光刻rom、温度传感器、温度传感器的存储器、配置寄存器。1、64位rom中，在产品出厂前就被厂家通过光刻刻录好了64位序列号。该序列号可以看作是ds18b20的地址序列码，用来区分每一个ds18b20，从而更好地实现对现场温度的多点测量。2、ds18b20中的温

47、度传感器可以完成对温度的测量。3、ds18b20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存ram和一个非易失性的电可擦除的eepram，后者存放高温度和低温度触发器th、tl和结构寄存器。4、配置寄存器用于用户设置温度传感器转换精度，各字节定义如下：配置寄存器结构tmr1r011111低5位一直都是“1”，tm是测试模式，用于设置ds18b20在工作模式还是测试模式。在出厂时设置为0，用户不用改动。r1r0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750msds18b20具有测温系统简单、测温精度高、连接方便，占用口线少等优点，由于本设计只需

48、要一个ds18b20就可以满足要求。dsl8b20测量温度时使用特有的温度测量技术。其内部的低温度系数振荡器能产生dsl8b20出厂时被设置为12位在出厂时设置为0，用户不用改动。r1和r0用来设置分辨率，如表3.1所示： 表3.1 ds18b20的 r1和r0分辨率在寄生电源供电方式下，ds18b20从单总线信号上汲取能量，在进行远测温时，无需本地电源，可以在没有常规电源的条件下读取rom，电源更加简洁，仅用一根/io线实现测温。但是在多个温度器挂在同一根线上时，仅靠4.7k上拉电阻无法提供足够能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。适用于单一温度传感器测温情况下使用。体温测量部分原理图：累

49、加器计数器1计数器1=0计数器2=0比较器温度寄存器预置低温度系数振荡器高温度系数振荡器增加停止计数器2 图 3.10 ds18b20测温电路原理图 ds18b20测温度电路原理为：图中的低温度系数振荡器用来为计数器1产生稳定频率的脉冲信号，它是一个受温度变化影响很小振荡器，其振荡频率不随温度的变化而改变。而高温度系数振荡器是一个对温度敏感的振荡器，其振荡频率受温度变化将发生明显改变，所产生的脉冲信号作为减法计数器2的脉冲输入。初始时，计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减少到0时，温度寄存器的值将加1，

50、计数器1的预置值就会重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行计数15，如此循环直到计数器2计数减少到0 时，才停止对温度寄存器的值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度的数据。图1中的累加器用于补偿和修正测温过程中产生的非线性误差，对计数器1的预置值进行修正。其上传输的是一系列的脉冲信号。使用ds18b20进行温度测量的步骤为：初始化ds18b20跳过rom操作命令启动温度转换命令等待转换完成初始化跳过rom操作命令读取温度寄存器命令，从而显示温度。本系统测温利用dsl8b20温度传感器，它是高精度单总线温度传感器。光刻rom的作用是使每一个dsl8b20都各不相同

51、，这样就可以实现一根总线上挂接多个dsl8b20的目的。主机操作rom的命令有五种，如表3.2所示: 表 3.2 ds18b20的rom指令指令说明读rom（33h）读ds18b20的序列号匹配rom（55h）继读完64位序列号的一个命令，用于多个ds18b20的定位跳过rom（cch）此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有ds18b20搜rom（foh）识别总线上各器件的编码，为操作各器件做好准备报警搜索（ech）仅温度越线的器件对此做出响应根据dsl8b20的通讯协议，主机控制dsl8820完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对dsl8b20进行复位，复位成功后发送一条rom

52、指令，最后发送ram指令，这样才能对dsl8b20进行预定的操作。复位要求主cpu将数据线下拉500微秒，然后释放，dsl8b20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主cpu收到此信号表示复位成功。rom命令令和暂存器的命令如表3.3。表 3.3 ds18b20的暂存器指令：指令说明温度转化（44h）启动在线ds18b20做温度a/d转换读数据（beh）从高速暂存器读9bits温度值和crc值写数据（4eh）将数据写入高速暂存器的第二和第三字节中复制（48h）将高速暂存器中第二和第三字节复制到eeram读eeram（b8h）将eeram内容写入高速暂存器中第二和第三字节读电源供电方式（b4h）了解ds18b20的供电方式dsl8b20部分程序流程图见图3.11。初始化成功延时40微秒ds18b20写ccds18b20写44长时间延时初始化初始化成功ds18b20写ccds18b20写be读取ds10b20