【《基于单片机的血氧饱和检测装置设计与实现》8000字（论文）】

目录-PAGEIII-基于单片机的血氧饱和检测装置设计与实现随着时代的发展，人们的饮食和生活习惯都出现明显的变化，生活节奏日益加快，同时受到熬夜等不良习惯的影响，目前心脑血管疾病的发生率不断提高，这时就很有必要高效的进行体征信号检测来应对与此相关的问题。人体的新陈代谢和氧化反应密切相关，氧进入血液后和血红蛋白（Hb）在一定模式下结合而形成成氧合血红蛋白（HbO2），所得的这种蛋白运输到各组织细胞中，而起到运输氧气的作用。在血液检测中，需要确定出这种结合蛋白的比例，也就是血氧饱和度SaO2。本论文在此背景下开展研究，为满足这方面检测要求，而设计了一种基于单片机的血氧饱和检测仪，这种检测仪有多方面的优势，可以在外界环境影响下准确的检测血氧状况，为健康监护提供支持。在研究过程中先对血氧测定法原理进行论述，接着为满足检测要求，而设置了单片机以及指套式传感器，同时进行软件设计，而确保实现最终功能。关键词：血氧饱和检测仪；51单片机；脉搏血氧测定法目录TOC\o"1-3"\h\u28006摘要 I14342ABSTRACT II22656第一章绪论 560041.1研究的意义 5217911.2国内外的研究状况 5229051.3血氧饱和度测量仪的应用 5198471.3.1在军事上的救护中的应用 56381.3.2民用医疗的应用 6130311.4血氧饱和度测量仪的未来趋势 6275711.5主要研究内容 6315901.5.1理论依据 65496第二章系统硬件电路的设计 8177792.1系统总体框图 8281282.1.1硬件电路设计 8293532.1.2软件设计 8134562.2单元电路设计 8242652.2.1心率血氧模块 8118422.2.2核心板STC12 10152582.2.3液晶显示器 1111701第三章软件模块的设计 1283673.1程序流程 12258123.2系统软件设计 1257223.2.1液晶显示器的程序设计 12185183.2.2心率血氧模块的程序设计 14239073.3设计程序 1424877第四章调试总结 183054.1调试结果 186214.2调试后对比数据 1928812第五章总结与展望 20203905.1总结 20310115.2不足与展望 209329参考文献 2222975附录 23第二章第一章绪论1.1研究的意义氧和机体正常运行存在密切关系，且直接决定了人类健康。在心脏的作用下血液脉动地流过肺部，且从呼吸道吸入的氧气结合还原血红蛋白(HbR)而形成HbO2，相关实验研究发现大约2%的氧溶解在血浆里，这些血液在压力作用下不断的运动，最终进入到毛细血管，且在此处释放携带的氧气，从而满足组织细胞对氧的需求，满足正常的代谢要求。血液中HbO2的比例就是血氧饱和度(SO2)，在检测呼吸循环过程中此指标有重要的意义，直接反映出机体健康与否。监测动脉血氧饱和度(SaO2)可用于判断出肺的氧合和血红蛋白携氧能力，因而可据此反映出呼吸功能，正常情况下此指标为98%。检测血氧饱和度可以判断出对象是否存在低氧血症，有利于提高手术安全性，为减少意外提供支持。根据临床经验可知，脑组织对氧的敏感性高，短时间的缺氧状态，则会造成不同程度的损伤严重情况下还会导致意识障碍，永久性脑损伤。一般大脑细胞耐受缺氧只有十分钟，在持续性缺氧情况下，会导致严重的伤害。肝脏、肾脏在氧气供应不足情况下也会导致明显的损伤，如肝功能不全，肾功能障碍，心肺在缺氧后同样导致与此相关的损伤。检测血氧饱和度有重要的意义，可为预防上述缺氧损伤提供支持，确定出是否出现血循环疾病。相关调查结果表明，一般情况下人体的动脉血氧饱和度变化区间为89%之间，低于此指标情况下很容易导致各种不良反应。手术前手术后的病人监护过程中，需要重点检测的一项指标就是血氧饱和度，也是临床护理中的主要检测指标。血氧饱和度可通过不同的方法进行检测，传统方法主要是采血后通过血气分析仪进行电化学分析，这种模式的效率低，且不满足便捷性要求，为此一些学者基于组织对光特征来间接测量，确定出血氧饱和度，从而安全、可靠的检测血氧饱和度，表现出较高的应用价值。1.2国内外的研究状况国外学者很早就关注生物电子医疗相关问题，且进行深入研究，在不断的改进基础上研发出很多功能强大的医疗器，且对应的智能化和自动化水平不断提高，在许多临床中取得良好的效果。目前美国和日本在血氧饱和度检测方面研发出相关自动化检测仪。在血氧检测方面，上世纪二十年代基于比尔－朗伯定律的检测方法被提出来，其后到上世纪八十年代Nellcor公司研发出N-100仪器来检测这方面指标，这种设备主要是通过发光二极管作为光源，设置光敏管作接收探头，然后检测的信息通过单片机进行处理，从而实现智能化检测目的。有的学者在进行血氧饱和度检测过程中应用到MCDST算法，有的则对这种信号的特征进行分析，而通过奇异值分解SVD进行信号处理而提高检测结果的准确性，更好的满足实际应用要求。我国在这方面起步比较晚，不过近年来在市场需求的促进作用下，与此相关的研究不断增加，相关的检测技术大量出现，如透射式、反射式、近红外光谱血氧饱和度检测技术等。1.3血氧饱和度测量仪的应用1.3.1在军事上的救护中的应用一、应用于战场急救在目前的社会发展形势下，信息技术广泛应用，且导致和对场景都存在复杂的电磁信息干扰。信息化战争的战场急救对及时性有很高的要求，且需要在出现创伤后高效及时的救治，这对医疗监护设施的要求明显提高，为此就需要研发出一些针对伤员生命体征的监护设备，为提高监护水平提供支持，更好的满足救护相关要求。二、应用于高海拔地区人员身体检测为在高原地区更好的开展训练，且对战士的身体状况进行及时的动态掌握，这种情况下酒很有必要进行血氧饱和度测量，在此基础上判断出机体的生化指标，统计分析一段时间内战士的身体变化规律，在此基础上进行统计研究，而确定出更科学合理的训练计划，为作战起到重要的支持作用，更好的满足安全性相关要求。1.3.2民用医疗的应用一、连续的氧合估计血氧测量仪在医疗监护领域有重要的意义，可以高效的进行血氧状态检测，为危急病人的手术提供支持保障，同时不需要进行动脉插孔，避免出现与此相关的损害。二、术前用药和术后镇痛的检测手术前后患者的体征会产生明显的变化，且在药物的种类和剂量的变化情况下会产生不同的反应，因而很有必要进行这方面检测，监控患者的状况，在此基础上进行安全性保护。三、对新生儿的监护新生儿出生后氧水平一般较低，且不适宜采血，这样就很有必要进行无损检测，确定出组织氧合功能，在此基础上进行调节，避免呈现出明显的重要器官损害。1.4血氧饱和度测量仪的未来趋势血氧饱和度在医疗救护领域有重要的意义，也是一个常用的检测指标，为更好的满足这方面检测要求，就需要专业的仪器进行新生儿和有血液病例的病人进行检测，为体征监控提供支持：增加多个探头结构这种方式可以更好的检测人体末梢组织在运动条件下光的反射和散射性质变化情况，有利于提高检测的准确性，同时可以改善抗弱灌注能力，更好的满足应用要求。优化信息提取技术，进行数字化改进处理芯片性能水平不断提升形势下，这方面的改进很容易实现，因而很有必要进行数字化改造。无线信号传输传输与互联进行信息的传输时选择无线通信模式，这样可以提高检测的灵活性和便利性，同时扩大应用范围。1.5主要研究内容本文主要是针对血氧饱和度监测进行研究，为满足这方面检测要求，而设计了一种基于单片机的血氧饱和度检测仪，其主要是基于指夹式血氧探头进行脉搏检测，同时利用单片机进行信息处理，基于总体功能要求进行分析，而确定出部分的设计方案，高效的处理与此相关的检测问题。本设计的这种检测设备在运行过程中主要将交替点亮红光、红外光透射过手指的微弱光线，进行光电转换后发送到模数转换器进行转换处理，接着将所得的信号通过单片机来处理而显示在显示器上。通过光电传感器进行检测分析，确定出脉搏的光吸收信息，检测分析通过手指的光强信息，且对比分析确定出通过手指前后光强的变化情况，从而判断出血氧饱和度。其中主要的检测设备为光学传感器，这种传感器中安装了发光二极和光电检测器，后者可实现一定的信号检测和转换功能，光电检测前接收到的信号越弱，则可判断出光通过手指过程中吸收掉的就越多，可据此实现一定的检测判断目的。1.5.1理论依据1、光溶积法：主要是基于不同状态下血液的透光率不同而实现检测目的。2、光源：设置一些特定的二极管光源，通过发射对血氧蛋白的特定波长进行检测。3、透光率信息进行转换而形成数字信号：确定出人体组织反射光线信号后进行一定的滤波、放大和转换处理后发送到单片机。理论公式的推理过程：这种方法主要是基于Beer-Lambert定律实现检测目的，对应的检测原理为分光光度法，基于此原理进行分析确定出两种蛋白对不同波长色光的吸光度，在此基础上进行推导而得到血氧饱和度的定义，和表达式。可通过如下表达式确定出单色光透过某均匀溶液后透射光强I：式中：E对应于溶液的吸光系数；D表示光程长度。吸光度A为：A=ln(I0／I)=ECD

在溶液为均匀的血液情况下，进行理论分析可知动脉血脉动时，D和透射光I都会产生一定的改变，这样可以通过如下表达式计算确定出A的改变△A：△A=ln[I／(I-△I)]=EC×△D

根据医学相关理论，氧合、还原血红蛋白在同样的溶液中，二者的含量比等同于浓度，可据此确定出其表达式：式中：△W对应于相应的信号的交直流成份之比，在一定的数学变换基础上进行分析可确定出，两路光源透射过手指后此指标表达式如下：

式中：Ei对应于吸光系数，在波长和组分确定情况下此指标也固定对以上的表达式进行改些，且适当的转换，而表示为如下的级数表达式：

这样进行检测过程中单纯需要测定出光信号中交直流成份的比例，在一定的最小二乘法基础上进行曲线拟合，判断分析确定出A，B，C就可确定出此指标的经验公式，具体表示如下。第二章第二章系统硬件电路的设计2.1系统总体框图图2.1系统的总框图本系统设计传感器在运行过程中主要是进行二极管的检测，基于双波长法进行分析而得到血氧饱和度，将采集的信号进行一定的滤波处理后，进行模数转换，发送到寄存器中，然后通过单片机进行处理后，在显示屏上显示，相关体系结构情况如上图所示。2.1.1硬件电路设计本文在设计过程中基于这种指标的检测原理设计血氧饱和度测量仪相关的硬件单元，主要是选择了合适的单片机，集成电路、传感器和转换设备等，以下进行具体说明。2.1.2软件设计编程产生时序，可实现一定软件控制功能，如进行信号采集、液晶显示相关的操作。2.2单元电路设计2.2.1心率血氧模块这种模块对系统的功能实现有直接决定作用，在设计过程中对比分析而选择了MAX30102血氧心率检测模块，其功能强大，在运行过程中可以同时进行血氧和脉搏检测，表现出极高的应用价值和便利性。其中设置了红光LED和红外光LED、光电检测器和滤波电路，在运行过程中可以高效的过滤内部和外部光干扰，有利于提高检测准确性们。研究发现其血氧测量范围：50%-100%。组成情况如下图。图2.2心率血氧模块的实物其中的组成单元如下图2.3，以下对这种芯片中各部分进行具体说明，为其后的设计提供支持。1、动脉血氧饱和度子系统这种子系统主要包括光抵消、ADC、滤波器，在应用过程中为有效的抵消环境光线干扰，而设置了轨道/保持电路，这样可以更好的满足检测精确性要求，同时也扩大了检测的动态范围。对应的信号取值范围为2µA到16µA。内部ADC为一种高性能的模拟数字信号转换器，在运行过程中这种设备的采样率为10.24MHz，其输出速率最大情况下可达到3200sps。温度传感器MAX30102传感器的检测灵敏度高，根据相关资料可知其固有分辨率为0.0625°C，在运行过程中检测大的光信号为LED的波长，这和最终结果的灵敏性与正确性存在直接关系。MAX30102输出信号中数字了相应的校正算法，这样可以避免环境温度变化导致的干扰，更好的满足检测精确性相关要求。LED驱动器这种传感器模块中设置了IRLED驱动器，在运行过程中可以实现一定的调制目的，高效的进行LED脉冲SpO2和HR相关的检测，进行动态调节时，对应的LED电流变化区间为0到50mA。此外LED脉冲宽度同样的可基于应用要求进行调节和控制，从而满足SpO2和HR准确性相关要求。以下图2.3进行具体说明。图2.3MAX30102芯片2.2.2核心板STC12本文设计过程中为满足总体控制要求，实现最终测量和显示目的，而选择了STC12C5A60S2系列1T的8051单片机，这种单片机的功能强大，使用比例高，其主要的组成单元为，处理器、存储器、计数器电源等，其表现出一定的集成性优势，数据采集和控制相关的单元基本上都包含，表现出较高的应用价值。单片机系统对这种血氧饱和度检测仪的功能以及硬件作用的发挥都有直接的决定作用，因而应该进行准确的设计，本文研究过程中选择汇编语言进行编程，对应的调试平台为KeiluVision3。这种单片机在运行过程中工作电压5.5V-3.5V，其中设置了RAM，在应用过程中可以通过串口载入程序，从而满足控制相关要求。图2.4核心板其中51单片机的最小系统主要包括复位和晶振电路，相关情况如下所示。1、复位电路对这种系统的正常运行有直接决定作用，在运行过程中出现故障而导致程序跑飞情况下，就应该进行复位。复位可以通过不同的模式进行，其中自动模式表现为复位引脚RST出现长时间的高电平情况下，就可进行自动的复位。而此引脚持续为高电平，这种情况下则保持循环复位，通过按钮可实现手动复位目的。2、晶振电路和系统的运行速度存在密切关系，本文设计过程中通过11.0592M晶振X1实现相应的时钟信号生成功能，将其和单片机的XTAL脚连接起来，为晶振功能实现提供支持。22p的电容C18和22p电容C17分别连接单片机的这两个引脚。这两个电容在应用过程中可实现一定的滤波功能，提高单片机的运行平稳性和可靠性。2.2.3液晶显示器本设计过程中为满足相关的数据显示要求，而选择SMC1602A液晶显示器，在运行过程中一定的电场作用下，其中液晶排列方向发生变化，导致光线的透光率改变，可以在此基础上进行转换，且通过R、G、B进行一定的滤波和激励，从而实现彩色重现的功能。图2.6显示出其组成结构相关情况。在运行过程中其可以显示出16*2个字符，电压4.5~5.5V，相关的引脚情况如下图2.7。图2.5液晶显示屏其中显示屏的芯片的引脚具体如下表：图2.6显示屏引脚第三章软件模块的设计3.1程序流程图3.1采样流程图为在实际的运行过程中为满足应用要求，需要在上电之后进行硬件初始化。根据要求对相关的参数进行设置，且配制中断，对接口单和定时器相关的端口进行设置，为其后的运行提供支持。3.2系统软件设计3.2.1液晶显示器的程序设计在运行过程中采集的血氧心率信号经传感器获取后发送给单片机，后者对数据进行处理后，发送到液晶控制器，然后在显示器上显示出对应的血氧饱和度信息即实现字符的显示。具体显示流程如图3.2。图3.2液晶显示流程初始化系统设置，在此过程中对显示器进行设置：1、先设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口；再设置开显示，并不显示光标；接着设置读写后地址指针加一；然后定位第一行开头；最后清屏避免干扰。液晶显示的的编程和设置相关情况如下所示：1、显示模式设置指令码功能00111000设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口显示开/关及光标设置指令码功能00001DCBD=1开显示；D=0关显示C=1显示光标；C=0不显示光标B=1光标闪烁；B=0光标不显示000001NSN=1当读或写一个字符后地址指针加一，且光标加一。N=0当读或写一个字符后地址指针减一，且光标减一。S=1当写一个字符，整屏显示左移（N=1）或右移（N=0），以得到光标不移动而屏幕移动的效果。S=0当写一个字符，整屏显示不移动。数据指针设置指令码功能80H+地址码（0-27H，40H-67H）设置数据地址指针清零指令码功能01H显示清零：1、数据指针清零2、所有显示清零02H显示回车：1、数据指针清零3.2.2心率血氧模块的程序设计根据前文的分析可知，心率血氧饱和度检测时对应的流程，并且通过模块的说明书可以得知其心率血氧的程序：心率：1、获取数据的程序“AT+HEART\r\n”2、传送数据的程序“+HEART=NULL/数据\r\nOK\r\n”且“\r\n=OD,OA”血氧：1、获取数据的程序“AT+SPO2\r\n”2、传送数据的程序“+HEART=NULL\r\nOK\r\n”3.3设计程序在设计过程中进行总体分析确定出程序应有的功能，明确相应的设计思路，和程序实现的步骤，即“逻辑编程”，在此基础上根据相关的标准要求和程序规范进行编程，其后进行运行分析，确定出结果是否满足要求，相关的程序如下所示：while(1){}}}}}}第四章调试总结4.1调试结果本设计的初次计划，心率血样检测过程中，相应的检测单元通过STC8内部晶振驱动，对采集的数据进行读取过程中主要是应用到硬件IIC接口，进行检测和调试分析发现，这种系统的心率血样模块数据极不稳定，存在明显的波动性，在进行调试过程中应用到STM32编写程序，且官方使用的为embed系统的，这样不满足跨平台应用要求，对其功能实现也产生不良影响，应该进行适当的优化改进。图4.1第一版电路图第二版运行过程中主要是通过11.0592M晶振生成时钟信号，且设置了高性能STM8的模块，仅需通过串口指令进行操作就可实现读数据的功能，操作显著简化。不过连接PCB之后，检测分析发现对应的晶振不起作用。第三版，在其后进行改进过程中，将单片机与洞洞板焊接，其后调试，发现各方面功能实现。图4.2实物4.2调试后对比数据在进行优化后接着将本文设计的这种设备和市场上的心率血氧成品对比分析，确定出本系统的缺陷和不足，然后进行针对性的改进和优化，为其功能实现提供支持。选择的这种测试设备的测量区间为0%-100%，分辨率为1%，精度为±2%，对应的脉搏区间为30-250bpm%，1bpm，精度±2%。在检测过程中没有抖动情况下5-8秒即可获得所需结果，相关数据对比情况如下图4.3。毕业设计实物(血氧饱和度/心率）成品(血氧饱和度/心率）199/9398/82298/8694/78390/10098/79486/8287/80588/9090/86690/10288/86794/10089/100图4.3数据对比在测试过程中两者的测试时间都处于较长水平，且对比分析可知为满足检测精确的度要求，需要手指的位置达到较高的精度，出现一定的抖动情况下或者结合不紧密情况下则读不出数据或出现明显的误差。此外本系统没有设置加指套式的外壳，这种情况下容易受到干扰，如环境光对其检测性能会产生直接的影响。而成品具有指套式的外壳，且对应的材料不透光，这样可以更好的满足检测准确性要求，同时内层为吸光材料，这样可以显著减少二次反射和环境光线的干扰，有利于提高脉搏信号精确性，表现出较高的应用价值。第五章总结与展望5.1总结毕业设计对大学生有重要的意义，在设计过程中需要综合应用大学期间的各科知识，因而可以总体上检验他们的学习情况。此外在设计过程中也会遇到各种不确定性的问题，最后在良师益友的帮助和自身的不懈努力下都较好地解决。毕业设计过程中先根据本课题要求搜集与此相关的专业资料，邱老师的指导下，我顺利的搜集到对本课题有重要指导价值的资料，为且明确了设计目标和思路，这对毕业设计的实施和目标实现有重要支持作用。此外其他同学在程序设计方面也进行了多次