【正文】 案 本方案設(shè)計的系統(tǒng)由傳感器、濾波電路、液晶顯示模塊、鍵盤模塊和接口電路等組成，其總體架構(gòu)如圖 ： 圖 系統(tǒng)總體方案 該系統(tǒng)的設(shè)計是基于 AT89C51 單片機(jī)和 LCD 的，其中以核心單片機(jī)外接不同功能的傳感器為基礎(chǔ)，通過對體溫、血壓、心率和呼吸的測量，達(dá)到最人體多生理參數(shù)的監(jiān)測，進(jìn)而達(dá)到對人體健康的監(jiān)測的目的 。 系統(tǒng)的總體流程圖見圖 : 人 體 溫度傳感器 壓力傳感器 脈搏傳感器 呼吸傳感器 AT89C51 單片機(jī) 上位機(jī) LCD 顯示 報警 便攜式多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計 19 圖 系統(tǒng)程序流程圖 系統(tǒng)總流程圖中：當(dāng)按下不同的按鍵，能夠?qū)崿F(xiàn)不同生理參數(shù)的測量。通過體溫信號測量程序，顯示出體溫值；通過血壓信號測量程序，顯示出血壓值；通過心率信號測量程序，信號放大和既定閾值比較，判定心率是否異常；通過呼吸信號測量程序，差動放大以及計數(shù)器，得出呼吸頻率。 體溫值測量部分 DS18B20 的讀寫時序和測溫原理與 DS1820 相同，只有得到溫度值因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時 間由延時時間 2s 減為 750ms，包含四個主要的數(shù)據(jù)部分： 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、溫度傳感器的存儲器、配置寄存器。 系統(tǒng)程序初始化 顯示歡迎界面 程序初始化 化 按下按鍵一 按下按鍵二 測血壓信號程序 測心電信號程序 按下按鍵三 按下按鍵四 測體溫信號程序 測呼吸信號程序 數(shù)據(jù)保存 N N N N Y Y Y Y 便攜式多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計 20 64 位 ROM 中，在產(chǎn)品出廠前就被廠家通過光刻刻錄好了 64 位序列號。該序列號可以看作是 DS18B20 的地址序列碼，用來區(qū)分每一個 DS18B20，從而更好地實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場溫度的多點(diǎn)測量。 DS18B20 中的溫度傳感器可以完成對溫度的測量。 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存 RAM 和一個非易失性的電可擦除的 EEPRAM，后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 TH、 TL和結(jié)構(gòu)寄存器 。 配置寄存器用于用戶設(shè)置溫度傳感器轉(zhuǎn)換精度，各字節(jié)定義如下： 配置寄存器結(jié)構(gòu) TM R1 R0 1 1 1 1 1 低 5 位一直都是“ 1”， TM 是測試模式，用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是測試模式。在出廠時設(shè)置為 0，用戶不用改動。 DS18B20具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便，占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，由于本設(shè)計只需要一個 DS18B20就可以滿足要求。 DSl8B20測量溫度時使用特有的溫度測量技術(shù)。其內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生 DSl8B20出廠時被設(shè)置為 12位 在出廠時設(shè)置為 0，用戶不用改動。 R1 和 R0 用來設(shè)置分辨率，如表 所示： 表 DS18B20的 R1和 R0分辨率 在寄生電源供電方式下， DS18B20 從單總線信號上汲取能量，在進(jìn)行遠(yuǎn)測溫時，無需本地電源，可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀取 ROM，電源更加簡潔，僅用一根 /IO 線實(shí)現(xiàn)測溫。但是在多個溫度器掛在同一根線上時，僅靠 上拉電阻無法提供足夠能量，會造成無法 轉(zhuǎn)換溫度或溫度誤差極大。適用于單一溫度傳感器測溫情況下使用。 R1 R0 分辨率 溫度最大轉(zhuǎn)換時間 0 0 9位 0 1 10位 1 0 11位 375ms 1 1 12位 750ms 便攜式多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計 21 體溫測量部分原理圖： 圖 DS18B20測溫電路原理圖 DS18B20測溫度電路原理為：圖中的低溫度系數(shù) 振蕩器 用來為 計數(shù)器 1產(chǎn)生穩(wěn)定頻率的脈沖信號，它是一個受溫度變化影響很小振蕩器，其振蕩頻率不隨溫度的變化而改變。而高溫度系數(shù)振蕩器是一個對溫度敏感的振蕩器，其振蕩頻率受溫度變化將發(fā)生明顯改變，所產(chǎn)生的脈沖信號作為減法計數(shù)器 2的脈沖輸入。初始時，計數(shù)器 1和溫度寄存器被預(yù)置在 55℃ 所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器 1對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器 1的預(yù)置值減少到 0時，溫度寄存器的值將加 1，計數(shù)器 1的預(yù)置值就會重新被裝入，計數(shù)器 1重新開始對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù) [15]，如此循環(huán)直到計數(shù)器 2計數(shù)減少到 0 時，才停止對溫度寄存器的值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度的數(shù)據(jù)。圖 1中的累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中產(chǎn)生的非線性誤差，對計數(shù)器 1的預(yù)置值進(jìn)行修正。 其上傳輸?shù)氖且幌盗械拿}沖信號。使用 DS18B20 進(jìn)行溫度測量的步驟為：初始化 DS18B20→跳過 ROM 操作命令→啟動溫度轉(zhuǎn)換命令→等待轉(zhuǎn)換完成→初始化→跳過 ROM 操作命令→讀取溫度寄存器命令，從而顯示溫度。 本系統(tǒng)測溫利用 DSl8B20溫度傳感器，它是高精度單總線溫度傳感器。光刻ROM的作用是使每一個 DSl8B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個 DSl8B20的目的。主機(jī)操作 ROM的命令有五種，如表 : 累加器 計數(shù)器 1 計數(shù)器 1=0 計數(shù)器 2=0 比較器 溫度寄存器 預(yù)置 低溫度系數(shù)振蕩器 高溫度系數(shù)振蕩器 增加 停止 計數(shù)器 2 便攜式多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計 22 表 DS18B20的 ROM指令 指令 說明 讀 ROM（ 33H） 讀 DS18B20 的序列號 匹配 ROM（ 55H） 繼讀完 64 位序列號的一個命令，用于多個 DS18B20 的定位 跳過 ROM（ CCH） 此命令執(zhí)行后的存儲器操作將針對在線的所有 DS18B20 搜 ROM（ FOH） 識別總線上各器件的編碼，為操作各器件做好準(zhǔn)備 報警搜索（ ECH） 僅溫度越線的器件對此做出響應(yīng) 根據(jù) DSl8B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制 DSl8820完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對 DSl8B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條 ROM指令，最后發(fā)送 RAM指令，這樣才能對 DSl8B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主 CPU將數(shù)據(jù)線下拉 500微秒，然后釋放， DSl8B20收到信號后等待 16～ 60微秒左右，后發(fā)出 60～ 240微秒的存在低脈沖，主 CPU收到此信號表示復(fù)位成功。 ROM命令令和暫存器的命令如表 。 表 DS18B20的暫存器指令： 指令 說明 溫度轉(zhuǎn)化（ 44H） 啟動在線 DS18B20 做溫度 A/D 轉(zhuǎn)換 讀數(shù)據(jù)（ BEH） 從高速暫存器讀 9bits 溫度值和 CRC 值 寫數(shù)據(jù)（ 4EH） 將數(shù)據(jù)寫入高速暫存器的第二和第三字節(jié)中 復(fù)制（ 48H） 將高速暫存器中第二和第三字節(jié)復(fù)制到 EERAM 讀 EERAM（ B8H） 將 EERAM 內(nèi)容寫入高速暫存器中第二和第三字節(jié) 讀電源供電方式（ B4H） 了解 DS18B20 的供電方式 DSl8B20部分程序流程圖見圖 。 便攜式多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計 23 圖 DS18B20 模塊程序流程圖 測溫模塊程序流程圖說明：系統(tǒng)初始化，初 始化 DS18B20，然后對存儲器中操作 DS18B20 命令，在啟動溫度轉(zhuǎn)換命令后等待轉(zhuǎn)換完成再次初始化，跳過 ROM 操作命令從而讀取溫度寄存器命令，進(jìn)而顯示溫度。 血壓測量部分 本文所設(shè)計的血壓和脈搏裝置主要包括袖套、壓力傳感部分、信號放大提取部分、單片機(jī)處理信號部分以及顯示部分。其采用的核心理論是基于脈搏波幅值變化規(guī)律進(jìn)行血壓測量的原理。如果將濾波放大后的脈搏信號通過高精度，功能初始化成功 延時 40 微秒 DS18B20 寫 CC DS18B20 寫 44 長時間延時 初始化 初始化成功 DS18B20寫 CC DS18B20 寫 BE 讀取 DS10B20 溫度 溫度轉(zhuǎn)換 LCD 顯示 數(shù)據(jù)存儲 返回 初始化時鐘 初始化 DS18B20 開始 N Y N Y 便攜式多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計 24 強(qiáng) 大的示波器，可以非常直觀地觀察到，脈搏波在振蕩過程中， 脈搏波的幅值是在不斷變化的，它先由小變大，再變小。中間最大的幅值所對應(yīng)的壓力值為平均動脈壓，科學(xué)研究通過多次實(shí)驗(yàn)，確定在幅值由小到大的變化過程中，取某一幅值與最大幅值的比值大于或等于 ，判斷為收縮壓；在幅值由大到小的變化過程中，取某一幅值與最大幅值的比值小于或等于 ，判斷為舒張壓。整體流程如圖 : 圖 血壓測量流程圖 血壓數(shù)據(jù)采集部分主要用到控制器的 ADC 功能，雖然系統(tǒng)硬件已經(jīng)作了濾波處理，但對采集來的數(shù)據(jù) 仍然有必要作進(jìn)一步的判斷。軟件中這部分功能的流程圖見圖 : 氣泵 壓力傳感器 放大部分 低通濾波 固定氣閥 ADC0809 單 片 機(jī) 顯示部分 袖帶 便攜式多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計 25 圖 血壓測量部分程序流程圖 血壓測量部分程序流程圖說明：血壓經(jīng)過壓力傳感器的采集以及信號放大，計算出血壓值，經(jīng)過與設(shè)定的閾值的比較，通過判斷血壓值的正常與否判斷身體健康狀況。 呼吸測量部分 本次設(shè)計選用熱敏電阻加濾波放大之后再經(jīng)比較器將熱敏電阻采集的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦尾ㄐ盘枺敵鼋o控制器。在本設(shè)計中用 到兩個放大電路，第一個為前置放大。本設(shè)計采用 RC 有源濾波器，其結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，也易于集成化，實(shí)用電路采用運(yùn)算放大器作有源器件。信號經(jīng)放大濾波以后得到的模擬信號可反映呼吸氣流溫度變化，該信號可直接送到單片機(jī)的 A／ D 端，由軟件系統(tǒng)來識別信號的波形變化。滯回比較器的輸出，通過電平轉(zhuǎn)換，得到可與單片機(jī)接口的數(shù)字信號。比如，將信號送到控制器來檢測呼吸頻率信號，可以很容易地計算出呼吸頻率，與軟件直接分析模擬波形相比，占單片機(jī)時間更少。 本系統(tǒng)中計時是一個關(guān)鍵的步驟，因?yàn)閷粑盘柕牟杉枰〞r計數(shù)。設(shè)定一個延遲時 間為 O． 25ms 的程序，累加器 A 初值設(shè)為 2(O． 5／ 0． 25=2)。每次電平變化代表著呼吸一次，兩次電平之間的間距時間就是呼吸的間距，設(shè) 計對呼吸頻率的檢測和報警。此次設(shè)計對呼吸頻率的判斷依據(jù)醫(yī)學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)而定，開始 A/D 初始化 A/D 采集 一個周期采集 是否完成 記 錄 Umax和 Umin 計算血壓值 LCD 顯示 數(shù)據(jù)存儲 返回 N 便攜式多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計 26 當(dāng)檢測到呼吸頻率過高或呼吸暫停以后記錄并報警提示，并在 LCD 上顯示信息。呼吸頻率檢測部分的程序流程圖見圖 : 圖 呼吸頻率檢測程序流程圖 呼吸頻率檢測程序流程圖說明：系統(tǒng)初始化，計數(shù)器置初值，通過溫度傳感器采集呼吸信 號，通過 A/D 轉(zhuǎn)換器及差動放大電路獲取呼吸信號，再由計數(shù)器記錄呼吸頻率，進(jìn)而判斷人體健康狀況。 心率測量部分 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng) 心臟電信奮傳導(dǎo)系統(tǒng)所產(chǎn)生的電壓時幅值及空間方向是隨時間變化的向量。放在體表的電極所測出的 ECG信號將隨不同位置而異。心電周期中某段 ECG描計可能在這一電極位置不明顯，而在另一位置上卻很清楚。為了完整描述心臟的活動狀況，常在水平方向和垂直方向的 12種不同導(dǎo)聯(lián)做記錄，以看清各重要細(xì)節(jié)。新電信號通過導(dǎo)線和電極加到心電圖機(jī)放大器的輸入端，一般總把導(dǎo)線和電極合在一起稱為導(dǎo) 聯(lián)，例如加到病人右腿的電極稱為 RL導(dǎo)聯(lián)。在臨床心電圖中，必須有更多的導(dǎo)聯(lián)才能完整描述心臟的電興奮活動，所以就需要選擇兩個電極或者一個 電極與互接電極組接到放大器的輸入端。這種特殊電極連接方法也可看成導(dǎo)聯(lián)，開始 計算呼吸頻率 LCD 顯示 累加器置初值 系統(tǒng)初始化 采集呼吸信號 結(jié)束 便攜式多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計 27 這樣既會產(chǎn)生混亂。為了避免這一問題，把特殊電極組織和其連接到放大器的方法稱為導(dǎo)聯(lián)：把單根電極導(dǎo)線成為電極。 1931年 William Einthoven發(fā)明原始的 ECG導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)。他假定在心電周期任一瞬間，心臟額面凈的電興奮是一個二維的向量。代表向量箭頭的長度與瞬間凈的去極化和復(fù)極化的電壓或電位差成正比，其方向 與心臟去極化和復(fù)極化的凈方向一致。并進(jìn)而假定向量的起點(diǎn)位于等邊三角形的中心，三角形的頂點(diǎn)是兩肩和腹股溝區(qū)。由于人體的間質(zhì)液中離子是良好的電傳導(dǎo)體，所以可把兩肩的三角形頂點(diǎn)擴(kuò)展到兩臂，腿是腹股溝區(qū)的延伸；這樣三角形的頂點(diǎn)可有效地用三個肢體來代表。 圖 愛氏三角形圖和標(biāo)準(zhǔn)雙極導(dǎo)聯(lián) 圖 。電極放在左臂（ LA）和右臂（ RA）上來測量該兩點(diǎn)間的電位差，這種接法稱為 I導(dǎo)聯(lián)； II導(dǎo)聯(lián)