基于單片機的便攜式多功能實時生理參數(shù)監(jiān)測儀設(shè)計

前言

　　隨著單片機功能集成化的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸由傳統(tǒng)的、單一的控制處理擴展到控制處理、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)字信號處理等領(lǐng)域。凌陽16位單片機就是適應(yīng)這種發(fā)展而設(shè)計的，并以其出色的語音處理能力成為越來越多單片機用戶選擇的對象。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)以單片機為核心，配置了各種集成傳感器，體積小巧。由于采用了微型封裝的芯片及元器件，使連線變短，減少了通信接口，從而提高了整機工作的可靠性。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　SPCE061A單片機

　　SPCE061A 是凌陽科技公司？’nSPTM （Microcontroller And Signal Processor） 系列產(chǎn)品中的16位微控制器芯片， 內(nèi)置32k閃存， 其較高的處理速度使芯片能夠非常容易、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號， 適用于數(shù)字語音識別等應(yīng)用領(lǐng)域。

　　                                          圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　DS18B20溫度傳感器

　　DS18B20溫度傳感器采用12位存儲溫度值對應(yīng)的數(shù)字表示形式，理論精度可達到0.05℃ ，能實時、精確地檢測到人體溫度的變化，可通過單片機在液晶顯示器上顯示溫度。

　　DS18B20與單片機的典型接口設(shè)計

　　可以采用外接電源與寄生電源（即從數(shù)據(jù)線上得到供電電源）兩種方式供電，如圖2所示。

　　使用DS18B20的注意事項

　　（1）DS18B20從測溫結(jié)束到將溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需要一定的轉(zhuǎn)換時間，這是必須保證的，不然會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換錯誤，使溫度輸出總是顯示85℃。

　?。?）在實際使用中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)使電源電壓保持在5V左右，若電源電壓過低，會使所測得的溫度與實際溫度出現(xiàn)偏高現(xiàn)象，經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，一般在5V左右。

　　（3）較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進行補償，由于DS18B20與單片機間采用串行方式傳送數(shù)據(jù)，因此，在對DS18B20進行讀寫編程時，必須嚴(yán)格保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。

　?。?）在DS18B20測溫程序設(shè)計中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號，一旦DS18B20接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS18B20時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)，這一點在進行DS18B20硬件連接和軟件設(shè)計時也要給予一定的重視。

　　ZD-3微震動傳感器

　　ZD-3微震動傳感器是一種有源的高靈敏度微功耗檢測元件，以正弦波形式輸出，可利用74LS14施密特觸發(fā)器將其轉(zhuǎn)換成脈沖波，輸入單片機檢測高電平，能實時記錄跑步者或鍛煉者的步數(shù)，進而得到鍛煉者的能量損耗，以利于更有效地進行鍛煉。

　　HK-2000A脈搏檢測傳感器

　　該產(chǎn)品采用高度集成化工藝將力敏元件（PVDF壓電膜）、靈敏度溫度補償元件、感溫元件、信號調(diào)理電路電路集成在傳感器內(nèi)。脈搏波動一次輸出一正脈沖。該產(chǎn)品用于脈率檢測，主要用于運動、健身器材中的心率測試。

　　OCM4X8C液晶顯示模塊

　　OCM4X8C液晶顯示模塊采用128×64點陣的漢字圖形液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國標(biāo)GB2312碼簡體中文字庫（16×16點陣）、128個字符（8×16點陣）及64×256點陣的GDRAM繪圖區(qū)域?？膳cCPU直接接口，提供8位并行及串行連接方式連接微處理器。模塊提供用戶最簡單液晶應(yīng)用上的方案，用一條指令，即可實現(xiàn)包括漢字、圖片、英文字母及特大、特小數(shù)字等在液晶屏幕上任意點開始顯示，任意指定區(qū)域閃爍，移動、反顯等原本需要用戶花費大量時間精力去編程實現(xiàn)的功能。使得用戶在CPU選型時，對程序存儲空間的要求大幅降低。同時，模塊自帶的溫度補償及省電功能，（微安級），對低功耗或高低溫顯示效果有要求的用戶，如手持終端、電力設(shè)備等，是絕佳的選擇對象。

;                              圖 2 寄生電源供電 報警模塊

　　呼吸氣流溫度檢測模塊

　　為了減少熱惰性帶來的誤差，準(zhǔn)確地測量呼吸氣流溫度的變化，要求熱敏元件熱容量越小越好，其位置位于呼吸道中氣流速度最大的地方。因此，在電路中選用BLTS101 PN結(jié)溫度傳感器（熱響應(yīng)時間τ<0.2s）。恒流源向PN結(jié)提供100μA的恒定正向電流，則PN結(jié)的正向壓降僅隨溫度T的變化而變化，該電壓信號由前置放大器放大后，通過一個4.84Hz低通濾波器，再變換為數(shù)字信號送入單片機。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)

　　構(gòu)和菜單操作。利用C61（類似于C語言的凌陽單片機編程語言）及匯編語言編寫軟件，在液晶顯示屏上實時顯示各種生理參數(shù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲采用Flash， 這樣，在更換儀器電池時不會丟失數(shù)據(jù)。所有測量參數(shù)均可設(shè)定上、下報警閾值，當(dāng)任一參數(shù)超過閾值時都能發(fā)出聲、光報警。根據(jù)設(shè)計的需要，可以利用消聲鍵停止報警。由于呼吸阻抗信號具有基線漂移現(xiàn)象，因此，在軟件設(shè)計中采用一種變化中值檢測法對基線進行校正，具體方法是把上一次呼吸周期內(nèi)的中值點作為本次呼吸周期的檢測點，這樣即可克服在正常檢測電壓范圍內(nèi)的基線漂移現(xiàn)象所帶來的漏檢情況。

　　數(shù)據(jù)采集部分

　　生理參數(shù)的實時數(shù)據(jù)采集主要通過傳感器進行。在測量人體溫度時，由于體溫在鍛煉時的變化比較緩慢，因此，主要運用軟件定時中斷的方法進行檢測。在檢測步數(shù)和脈搏等參數(shù)時，主要記錄的是頻率，只需采用軟件計數(shù)就可以，根據(jù)檢測到的高電平，計數(shù)器進行自加運算，從而記錄頻率。

　　參數(shù)閾值設(shè)定

　　由于正常情況下人體溫度在36.5℃左右。因此，設(shè)定溫度閾值的初值為36.5℃，以0.25℃為步進量，可以用上下鍵增減，每按一次按鍵，就遞增或遞減0.25℃，直到達到鍛煉者想要設(shè)定的閾值為止（在35℃～42℃之間）。

　　液晶驅(qū)動程序設(shè)計

　　系統(tǒng)顯示功能的實現(xiàn)，實際上就是對OCM4X8C液晶顯示模塊的驅(qū)動編程。本文按照結(jié)構(gòu)化的編程思想，利用C61語言將上翻、下翻、返回和確定等按鍵功能編成子函數(shù)，這樣便于主程序的調(diào)用。限于篇幅，液晶驅(qū)動程序不在此詳述。

　　結(jié)語

　　本方案的研究成功讓人們更加方便的在自己的家里鍛煉，同時還可以實施無線傳輸，讓老人和病人在家里或醫(yī)院里更加安全，讓家人更加放心。