【《基于单片机控制的人体健康监测器设计》8400字（论文）】

基于单片机控制的人体健康监测器设计TOC\o"1-2"\h\u31673摘要 摘要：为了解决现代社会中每个年龄段人的身体健康情况监测的问题，能够有效改善我们平时的生活，本次设计了一个人体健康监测器，拥有非常高的实践应用价值。本次设计的系统主要有两个部分，硬件部分由最小系统、lcd液晶显示单元等组成的硬件部分和由运算器、寄存器、控制器以及主程序子程序等共同组成的软件部分，采用了模拟仿真法、实物验证法等方法，设计出了一个方便又简洁的人体健康检测系统，实现了对人体的体温和心率的检测，并同时进行语音播报实时测量的数值，然后与设定的数值相比较，得出正常还是不正常的结论。本系统检测的精确度高，便于随身携带，用法通俗易懂，对预防各种疾病的发生起到很大的作用。关键词：STC89C52；人体健康监测；红外测温；心率1绪论1.1选题背景当今世界，人们越来越注重身体健康问题。随着科技越来越进步，很多不同的关于人体的生理信号检测仪器逐渐面世，得到了快速的发展，如国外的一种由传感器网络构成的一件可用来穿戴、看起来很普通的一件衣服，当穿上这件特别制作的衣服时，人体生理信号可以传送到PC系统中，一旦体温、心率等出现状况，PC系统就会发出警报。随着人体生理监护仪器逐渐在医学领域得到应用，各国各大生产厂家纷纷扩大投资来对这种监护系统进行研究生产和销售，人体生理监护仪器得到了极大的发展，也逐渐运用到了人们日常生活中。而与此相对的是，与国际上最新进的技术相比，国内对于该系统的研究和发展仍然有所欠缺。因为进口高端精准的仪器非常昂贵，所以国内只有很少的医院能够使用这种仪器来给病人使用，使得这种仪器的应用在我国的发展相对缓慢，从而阻碍了我国医疗技术的进步。但是最近几年，因为由于最近几年来嵌入式技术在人体健康监测方面的使用，远程检测系统也在我国得到了迅速的发展。1.2研究意义人体的生理信号在一定程度上反映了人类身体的状况，与人体健康息息相关，如果停止，那么生命也将迎来终结，所以这就要求我们通过测量人体生理信号来反映人体不同部位的健康状况，已达到预防疾病的目的。心率测量非常重要相信大家都是知道的，因为心率关系到我们身体各种各样方面的状况，比如心脏、肺部等等，心率的快慢在一定程度上反映了我们心肺的情况，正常情况下，我们人体测量的心率应该是每分钟跳动60到100次，在这个范围里面上下波动都是正常的。按照传统医学测量心率是通过人为把脉的方法，这在中医体系中是一种非常重要及普遍的手法，但是这种方法也存在着明显的弊端，在测量心率时非常容易受到其他各种原因的干扰，从而容易造成误差，此外还有测量不准确等弊端。体温反映了我们身体的平衡状况，温度过高或者过低都会造成我们身体各器官的平衡，体温过高更是有可能对大脑造成一定的影响，比如烧坏脑袋等，还会影响人体的免疫系统等，导致人体自身的抵抗免疫力能力下降，同样的体温太低也会对健康造成巨大的危害，正常情况应该在36到37摄氏度之间，但是由于外部环境、时间、季节等因素也会造成一定的误差，所以测量人体的体温、心率还是非常重要的。随着科技的进步，越来越多的先进精准的医疗设备开始出现，以及心率测量方法也在慢慢改进，可以通过使用电子仪器等设备快速精准的进行心率的测量，为后续的治疗提供精确的数据，也有益于医生对病人对症下药。如果这款心率体温检测器可以设计并制作成功，那么不论何时何地，人们都可以进行测量，使人们对自己的身体况状有更加清晰的了解，避免了不知道自己身体健康状况而没有得到及时的治疗的问题。2总体设计2.1设计要求本设计采用stc89c52单片机，它与其他大部分51单片机兼容，stc89c52是一个使用时只需要消耗很少的电压，并且处理器性能很高的单片机，在这个单片机内部包括了它自带的存储器，可以用来进行编程。在单一的芯片上，其作为一个可以用来进行编程的数据存储器还同时具有及其灵活的8位CPU，使得这种单片机stc89c52为许多初学者或者专业工程师学习C语言及其他编程语言来编辑程序提供了一个容易操作的平台，给他们带来了很大的方便。本次设计将STC89C52单片机与传感器及LCD显示模块等相互结合起来，组成了一款结构简单、价格低廉、测量精准、携带方便的人体健康监测器，主要目的是实现对人体体温、心率的测量并实现语音播报的功能。2.2设计方案本系统设计的是基于单片机控制的人体健康监测器，主要用来实时测量人体体温和心率。为了解决现代社会中每个年龄段人的身体健康情况监测的问题，能够有效改善我们平时的生活，拥有非常高的实践应用价值。本次设计的系统主要有两个部分，硬件部分由最小系统、lcd液晶显示单元等组成的硬件部分和由运算器、寄存器、控制器以及主程序子程序等共同组成的软件部分，采用了模拟仿真、实物验证等方法，设计出了一个方便又简洁的人体健康检测系统，实现了对人体的体温和心率的检测，并同时进行语音播报实时测量的数值，然后与设定的数值相比较，得出正常还是不正常的结论。本系统检测的精确度高，便于随身携带，用法通俗易懂，老人或者小孩都可以很轻易地掌握它的使用方法，对预防各种疾病的发生起到很大的作用。2.3系统总体框图(1)这次设计的硬件电路主要有:单片机最小系统、温度传感器模块、心率传感器、语音播报模块等。(2)设计一个显示屏，将检测到的参数通过单片机的I/0口传输到显示屏。(3)通过利用单片机自身的多个I/0口，当测量的数值超过设定的数值时，则播报数据不正常。(4)通过按键的选择来控制不同功能的测量，并同时进行语音播报实时测量的数值，然后与设定的数值相比较，得出正常还是不正常的结论。STC89C52单片机温度传感器电源单元STC89C52单片机温度传感器电源单元LCD单元LCD单元心率传感器心率传感器按键单元语音单元按键单元语音单元图1-1系统总体框图3硬件设计3.1最小系统模块3.1.1STC89C52（1）概述STC89C52是一个使用时所需电压很低，在这个单片机内部包含了可以反复多次编辑改写的存储器和RAM，这个存储器可以做到只读取程序的作用，而RAM则是用来储存信号的。这个系统具有很高的密度、不容易丢失等特点，单片机内部片包含了所有单片机都可以使用的8位CPU（最终执行单元）以及Flash存储单元（闪存），具有各种各样功能的stc89c52单片机可满足初学者或者专业技术人员在不同领域的不同需求，可在各种场合中被运用。STC89C52的引脚数量为40个，每个引脚有不同的功能。（2）主要功能特性 1、兼容MCS51指令系统；2、通用I/O口（32个）；3、512字节RAM；4、8K字节Flash；全双工串行口；3个定时器/计数器（16位)； STC89C52各引脚如下图2-1，每个引脚的功能如下：图2-1STC89C52引脚图1、VCC：接+5V电源2、VSS：接地3、XTAL1、XTAL2：分别为外接晶体的两端4、RST：复位输入5、ALE/PROG：用于时钟电路或者定时6、EA/VPP：外部访问允许7、P0口：输入/输出口、可让门电路开始运行，可作为I/O口使用8、P1口：仅作为I/O端口使用9、P2口:输出高8位地址，也可作为I/O口10、P3口：可当作I/O口使用3.1.2最小系统电路晶振电路主要包括电容和晶振两个组成部分。电容可以把剩余的电能直接转化为其他各种形式的能，还可以有效地防止振荡部分停止震荡，在15-33pF这个区间范围内。在设计电路的过程中，最好将晶振电路放在离单片机近一点的位置。复位电路最主要的作用之一就是修复程序它能够在程序出现问题或者乱码崩溃的时候，使程序恢复到正常情况重新开始运转。通过了解由于它的电容电压不会突然发生变化的特点,我们可以清楚地了解到,一上电后，RESET脚将会有可能出现电平变为1的情况，电路中的RC值是决定其是否持续运行的关键。在我们经常使用的单片机当中，当高电平一直处于工作状态时持续两个及以上的周期循环，程序就开始回到最初始的位置。电源电路主要作用是供电，通常使用5V的电源，可以从USB接口获取。图2-3单片机最小系统3.2液晶显示模块3.2.11602液晶简介液晶显示器是我们在制作单片机时经常用到的一种工具，可以用来显示程序运行时显示的数据。它是在PCB板上由lcd、控制电路、扩展电路以及电阻元件、电容元件等功能组成，可以通过直接控制或者间接控制的方式与单片机相连，可以选择使用数据线的数量来选择不同的方式。它拥有许多的优点，比如显示质量高，采用数字式接口，在操作时更加简单方便，方便携带、质量很轻、价格很便宜也是它很显著的特点，同时它的耗电量与其他显示屏相比小得多，所以1602液晶显示器在我们进行编程单片机的制作过程中被广泛使用，我们可以通过按键来控制显示的内容。图2-41602液晶显示器图2-5液晶模块连接图3.3温度传感器模块本设计运用了GY615V3红外测温传感器来进行对人体温度的测量。该传感器使用的是不用接触物体就可以使用的通过红外线来测量温度的办法，也可以称为辐射测温，我们经常使用原理是光热效应的探测仪器或者原理是光电效应的探测仪器来检查系统的元件有没有损坏。这个红外测温传感器就结构上来说比较简便，可以同时进行操作很大空间的温度测量，还能测量我们想要测量的事物上的任意一个位置的温度；既能随身携带，也可以固定在任意一个地方，而且使用时非常便捷；操作简洁，花费的成本比较低；测量温度时可以不用直接与我们想要测量的物体触碰到，并且测量的时间较短，可快速得到结果，也不会对测量出的结果造成干扰；可以使用很长时间不易坏，无论哪个年龄段的人群都可以轻而易举的学会使用。但是使用这个传感器也有一定的误差，因为灰尘烟雾、距离等外界因素会对结果产生一定的影响，测量出的结果与实际物体的温度存在一定的差值。如下图2-7、2-8所示：图2-7红外测温传感器图2-8温度传感器本次设计还运用了DS18B20温度传感器测量，如图2-10，它的主要功能是把需要被测量的环境温度直接转换成数值然后从该传感器内部读出，再送到单片机中进行处理。它有一个很大的优点，就是连接方法比较简单，单片机只需要连接一个I/O口就可以把它测量的数据读出来，同时它的抗干扰能力比较强，但它也有着精度一般，测量存在误差，只适用于一般的场合等缺点，可用于冰箱、空调等小空间设备中。其工作原理图如图2-11所示：图2-10温度传感器图2-11测温原理图3.4心率传感器模块心率传感器模块是由STM32F103c8t6最小系统以及MAX30102心率血氧传感器这两部分组成，如图2-12所示。STM32F103c8t6包含一个32位的芯片，程序存储器可以容纳64KB的字节，由MCU、电源稳压、滤波电路、电源输入电路等组成。MAX30102是一个集合了脉搏血氧仪以及心率监测仪这两类传感器的作用的芯片，不但可以用来进行心率测量的设计，也可以用来测量血氧。它包含了两个分别为660nm、880nm的红色光led和红外线光的led、用来检测光谱和电平的光电二极管和光有源无源器件，和带环境可以阻止光传播所产生的噪声也很小的电子电路。可以利用软件来进行模块的开关控制，不使用时所消耗的电流为零，所以可以保持一直有电的状态,通常在消耗功率低的产品中被使用。传感器有一个红光二极管，还有一个红外光二极管，在传感器的另一边装上光电检测器，将检测器测量到的穿过手指的光转变为电信号。图2-13为传感器内部的原理图：图2-12心率传感器图2-13传感器电路原理图3.5语音播报模块本次设计中的语音播报模块使用的是JQ8400语音模块，该芯片最大的特点是能够根据使用者的意愿来改变要播报的内容，它的SPIFLASH与优盘相似，通过USB数据线连接电脑，可使电脑自动识别，体积小的特点使它在嵌入式产品中被广泛使用。它有许多功能，比如可以用于音乐播放器等经常使用的暂停、播放等，以及音量的调节等等，可用于车载导航、车站语音提示、消防安全报警等等各种实际应用中。如下图2-14所示：图2-14语音模块3.6按键模块键盘在日常生活中随处可见，也被人们广泛运用在手机、电脑等各种系统或者软件中，人们通过键盘来输入指令，创造了各种各样的软件，同时键盘在人们的日常交流中也占据了非常重要的作用，在单片机领域，键盘也发挥着很重要的作用，使用非常广泛。键盘上有许多不同的按键，按键在平常的状态下一直是开通着的，通常情况下按键的两个带弹簧的按钮（触点）一直是断开着的，只有人为按下按键，才能使得按键关闭。接下来我们主要介绍一下两种键盘，编码键盘使用起来非常简单而且容易弄懂通如何使用它，只需要很简单的程序就可以使它运行，但编码键盘的硬件电路非常复杂，比如我们通常使用的电脑的键盘，而在制作单片机或者编辑程序时则不采用。非编码键盘就是通过利用识别软件来进行编程，这种键盘的电路与编码键盘相比更简单。单片机领域内，大家基本上经常使用到的就是非编码键盘了，比如我这次使用的这个开发板就运用了非编码键盘。独立键盘的特点是：每一个独立的按键往往只需要使用到一个I/O端口，当要使用到很多按键时，则I/O口不能发挥很大的利用率，但独立键盘的程序往往比较简单，需要按键较少的场合就可以选用独立键盘。如下图2-15所示：图2-15按键电路4软件设计4.1程序语言及开发环境KeilC51是由KeilSoftware公司研发一种软件开发系统，与其他的各种用来进行编程的语言相比，C语言在用途、构造等许多方面都比其汇编语言更好，所以更容易我们对它进行了解和运用。用Keil可以完成一个完整的使单片机运行的方案，使得编译器、宏汇编、仿真调试器等都包含在其中。Keilc51适合所有阶段的人群使用，无论是刚刚学习的人还是以及对编程有一定了解的人，都可以通过keil来实现程序的运行，可以通过WIN98等操作系统来实现keil软件的运行。假如我们使用C语言来编辑程序，你一定要使用Keil系统，即使你使用其他的语言，keil也会给你带来很多方便。4.2程序流程图设计首先给单片机上电，按下开关后准备开始测量，通过按菜单键K1开始选择心率测量模式和体温测量模式，按下K2键开始进行测量，测量完成后按下复位键则数据清空，可重新开始测量。本次设计的程序流程图如下图3-1所示：图3-1系统流程图5仿真与实物设计5.1系统仿真按下开关后，通过按键控制来显示心率和温度的测量数据，温度仿真图和心率仿真图如下图4-1、4-2：图4-1温度仿真图如上图4-1所示为测量温度的仿真图，首先初始化，整个系统处于检测状态，lcd显示为“Texting”，然后通过控制按钮来测量温度，同时温度指示灯开始闪烁，正常情况应该在36到37摄氏度之间。图4-2心率仿真图如上图4-2所示为测量心率的仿真图，首先初始化，整个系统处于检测状态，lcd显示为“Texting”,然后通过控制按钮来测量心率，同时心率指示灯开始闪烁，正常情况下，我们人体测量的心率应该是每分钟跳动60到100次。5.2实物设计先通过使用protel软件画出原理图，并形成对应的PCB图，所设置的心率正常范围是70-95，体温是35-37℃之间为正常体温。本次设计的实物如下图4-3所示，可以通过以下的操作来完成所要实现的功能：首先可通过按选择键K2来选择是进行单次检测还是连续检测；测量心率时，按下K3键开始测量，将食指按在心率传感器上方，则液晶显示器开始显示实时的心率并进行语言播报，再重复按K3键进行下一次测量；按下K2键切换到体温检测模块，则LCD会首先显示当前室内环境温度；将两根手指同时按住监测体温的探头则LCD液晶显示当前人体温度。5、按下复位键数据清空。如图4-4、4-5所示：图4-3实物图图4-4温度测量图体温反映了我们身体的平衡状况，温度过高或者过低都会造成我们身体各器官的平衡，体温过高更是有可能对大脑造成一定的影响，比如烧坏脑袋等，还会影响人体的免疫系统等，导致人体自身的抵抗免疫力能力下降，同样的体温太低也会对健康造成巨大的危害，正常情况应该在36到37摄氏度之间。在测量的时候，当温度传感器的探头不接近人体时，则显示当前实时室内温度，在测量人体温度的时候，我们可以将探头靠近脉搏、额头或者用手指接触探头来进行测量，但是由于时间空间等各方面的影响，导致测量结果存在一定误差，本次设置的正常体温范围是35到37摄氏度。图4-5心率测量图心率关系到我们身体各种各样方面的状况，比如心脏、肺部等等，心率的快慢在一定程度上反映了我们心肺的情况，正常情况下，我们人体测量的心率应该是每分钟跳动60到100次，在这个范围里面上下波动都是正常的。在测量的时候，我们可以将手指放在心率传感器上方，然后lcd液晶开始显示实时心率，当心率正常时，则播报心率正常，反之播报不正常，本次设置的心率正常范围是每分钟70到95次。结论经过三个月的不断查找资料、请教老师同学、设计原理图、PCB图、编写程序以及实物的制作和论文的完成，本次毕业设计任务-设计一个测量体温和心率的人体健康监测器的任务终于全部完成了。本设计采用的是stc89c52单片机，stc89c52是一个使用时只需要消耗很少的电压，并且处理器性能很高的单片机，在这个单片机内部包括了它自带的存储器，可以用来进行编程。在单一的芯片上，其作为一个可以用来进行编程的数据存储器还同时具有及其灵活的8位CPU，使得单片机stc89c52为许多初学者或者专业工程师学习C语言及其他编程语言来编辑程序提供了一个容易操作的平台，给他们带来了很大的方便。本次设计将STC89C52单片机与传感器及LCD显示模块等结合起来，组成了一款结构简单、价格低廉、测量精准、携带方便的人体健康监测器，主要目的是实现对人体体温和心率的测量并实现语音播报的功能。在设计实物时，由于之前没有做过实物，而且对于单片机等方面的知识还没有完全了解，只学习了基础，所以出现了很多问题，但是经过老师和同学们的帮助，也都顺利解决了，在实践的过程中，是我更进一步的了解了单片机的结构，各个模块之间的连接，也进一步熟悉了对C语言的应用，更进一步锻炼了我的动手制作实物的能力。让我了解了值得我们注意的细节，在编写程序时一个很小的错误就非常有可能导致程序无法成功运行，要注意焊接过程的不小心就可能导致实物无法显示正确的数值等等。参考文献[1]胡润峰.NTC热敏电阻温度传感器[J].传感器世，2011，7（7）：31-34.[2]董静涵.用于人体健康监测的检测系统设计与开发[J].电子技术与软件工程,2020(20):75-77.[3]黄立坤.做自己的“家庭医生”(一)学会测量体温、脉搏、呼吸[J].健康向导,2010,16(03):4-5.

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