人体健康数据采集系统设计【字数：6756】
摘要：人体发出的生理信号有很多，分别是最基本的呼吸、体温、脉搏、血压、心电，深入点的是心输出量、血氧饱和度、呼吸二氧化碳、有创血压、眼震电、眼电视网膜电、肌电、胃电以及脑电等。当然，人体的生理信息种类也有很多种，而在临床健康观察和疾病诊断中起到重要作用的是脉搏信号（Pulse wave）和心电信号（Electrocardiogram,ECG），它们可以反映出人体血液循环系统以及心脏器官的生理变化，而且在生命信息科学的角度上也是具有不可或缺的研究价值。采用蓝牙可以短时间把体温，脉搏，血压的异常发到当事人手机上，更加方便当事人快捷采取对策，是智能家居的创新之一。设计人体健康数据采集系统的初衷是希望能够帮助医生更快捷地得到诊断信息，为医生的初步诊断提供准确的数据支撑，为患者提供更理想的治疗方案，同时该设计潜在的市场经济价值也是非常巨大的。
本论文设计出一个人体健康数据采集系统系统。本设计是一套基于STC89C52系列人体健康数据采集系统系统，而这次系统选择的是模块化设计，主要是有两大模块，分别是心率模块，人体温度检测模块，用这些模块测出的生理参数会发送至单片机然后进行信号处理，数据可以显示到LCD显示器，然后无线模块蓝牙模块发送到监护人手机，超过阈值就可以报警提示。
通过Altium Designer16建造与PCB图相匹配的电路板，并将相关的元器分别焊接到电路板上，结合Keil uvision软件进行编译，最终通过调试完成。同时，在Proteus环境下仿真测试，主要做到以下功能：采用单片机作为主控芯片，采用体温，心率模块进行身体健康信号采集。可以用按键设置，设置心率，体温的上、下限报警值,并具有掉电保存。LCD1602液晶第一行显示当前的心率和体温，第二行显示设定的上、下限报警值。利用蓝牙无线模块进行传输到手机APP显示数值，主机上测到的心率或体温超过设定的心率波动范围的时候，指示灯和主机蜂鸣器开始共同发出警报。
关键词：STC89C52；体温传感器；心率传感器；蓝牙模块
第一章 绪论
1.1研究的背景
如今我国的人口数量排在世界的第一位，由于人口基数大，每年的人数飞速地增长，并且出现了老年化，即老年人的增长速度比新生儿的增长速度更快，就国内当前的养老设施和养老服务而言，与实际需求不相符，同时养老服务整体水平普遍较低，因此，为了解决当今养老问题，提高养老服务质量，设计了如下一个便携式人体健康检测系统，这将有助于大大提高了我国养老服务的质量。我们熟知的人体生理信号比较多，主要有呼吸、体温、心输出量、心电、呼吸二氧化碳、肌电、脉搏、人体等，关于人体心理信息门类繁杂，其中心电信号可以直观呈现人体血液循环和心脏器官的实时变化，对于日常临床观察相关病症起到至关重要的作用，也是生命信息科学中极具研究价值的讨论课题。通过单片机专门设计出针对人体健康数据采集系统的首要目标在于为帮助帮助医生在临床治疗中及时有效观察患者的情况，为医生的诊断工作奠定数据基础，从而更好地为医生和患者提供服务，并且这个设计潜在的市场经济价值也是非常巨大的。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
近些年在国外医学研究领域出现一种专门检测人体生理信号的仪器，它的出现受到全球医学界的关注，其主要通过传感器网络组成。它的优势在于主要是是以人体可穿着的、外表类似于普通衣服的特制衣服作为载体的。只要人们穿上这种特殊的衣服，PC系统就会通过无线的方式获取他们的人体生理信号，并且对人体的身体状态进行实时记录。电脑系统会根据记录的数据进行统计，一旦数据异常就会发出报警的信号，这种监测仪还可以进行实现远程监控的需求，一旦检测到相关信号，都能通过局域网直接传输。不过目前这类传感器还无法在医疗领域广泛应用。
1.2.2国内研究现状
自20世纪60年代以来，人体生理监护仪器被发明并且经过不断的优化，俨然成为了一种具有划时代意义的医学检测仪，全球不少大型医疗器械企业开始对仪器的监护系统进行开发、生产和销售，当然由于技术尚未成熟，前期投入的人力以及物力是非常巨大的，厂家如此积极地开发，使监护系统得到了发展和普及。相应地，重症监护室、脑疾患者监护室以及冠心病监护病房也在世界各国中得到建立以及普及运用，而在医院的手术室、分娩室、康复室等病房中也开始不断强化医疗监护力度，但目前我国的监护系统在科研和生产方面与发达国家依然存在不少的差距；大部分精密度要求较高的监护设备对于外国进口的依赖性较强，价格较高，中小医院根本无力承担，无形中阻碍了监护系统在我国的普及和应用[4]。
1.3研究思路
本次研究更有五个章节，从不同方面对人体健康数据采集系统的构造和功能进行概述；
第一章为绪论，这一章节主要围绕人体健康数据采集系统的发展概况、研究背景进行简要概述；
第二章主要研究人体健康数据采集系统的设计原理和设计结构，并对其设计中要求的标准和参数进行介绍；
第三章是系统硬件设计，本章节主要围绕该系统的是硬件设计展开研究，对该系统的硬件架构、硬件器件、设计原理、功能描述展开深入研究和分析；
第四章主要分析该系统的软件设计，侧重于软件制作过程中采用方法，通过流程图的方式明确各个设计环节。
第五章主要对该系统的使用进行介绍，主要通过全局性的角度展开分析该系统运行情况，并融入软硬件进行综合分析和探索。
1.4 研究内容
本设计是一套基于单片机家庭医生小助手设计与实现，该助手不仅可以测量人体体温有助于防控疫情，还可以测心率，心率的变化能直接或间接地反映人体多方面的健康状态。其便于携带，使用场景丰富，造价低廉是该设计的主要特征。该系统通过实时监测为医生提供准确、持续的人体参数，在模块设计过程中，侧重于针对人体温度和心率等方面的检测模块为主，单片机会集合这些模块所测出来的生理参数进行进一步的信号处理，然后无线发送到监护人手机显示与报警提示，对自己的健康监测和对我国疫情预防有着很大的帮助。主要做到以下功能：
（1） 采用单片机作为主控芯片，采用体温，心率模块进行身体健康信号采集。
（2）可以用按键设置，设置心率，体温的上、下限报警值,并具有掉电保存。
（3）LCD1602液晶第一行显示当前的心率和体温，第二行显示设定的上、下限报警值。
（4）利用蓝牙无线模块进行传输到手机APP显示数值，主机上测到的心率或体温超过正常的心率波动时，指示灯好主机蜂鸣器会同时报警。
（5）需要完成电路图，程序图，各个模块子程序，完成仿真调试，完成实物制作和论文。
系统总体方案设计
2.1.总体硬件方案确定
本次系统主要由STC89C52单片机+LCD1602液晶+HC-05蓝牙模块+DS18B20+心率检测电路+声光报警电路+总电源供电电路；
1.实现通过蓝牙模块与手机APP进行蓝牙无线通信。
2.实现测量当前心率值的功能。
3.实现显示实时温度的功能。
4.对心率值可设置上下限，当测量结束后心率值过高或过低都会触发对应的报警。
本系统具体框图，如图2.1所示：
图2.1智能人体健康数据采集系统结构图
2.2硬件模块方案确定
2.2.1主控芯片的选择
方案一： 以单片机STC89C52用作核心控制芯片
STC89C52作为宏晶科技公司的近些年主打的8K网络微处理器，其主要通过闪存的方式作业，该单片机加载了MCS-51加强版作为内核，升级之后的MCS-51内核具有更强的功能性，芯片内部搭载了4K EPROM存储器，并且能够实现绝佳的兼容性，该芯片采用通电的方式进行数据储存，该芯片无需通过外部芯片储存就能实现内部自动储存，造价低廉，开发难度不高，能够实现线上编程等优势。
方案二：采用MSP430单片机作为主控芯片
1996年，德州仪器公司推出一款MSP430型号的单片机，这款单片机能够实现混合信号处理，不但可以根据需求生成模拟电路和数字电路，另一方面还能够形成集多种功能于一体的处理器，不仅具备极强的功能性，还能够兼容实现多个电路集成于单个芯片中，更能集成多多个微处理器于一体。能耗低也是该设备的重要优势之一，它带有简单的命令集。但这种设备的制造成本相当高，开发难度相对来说，远高于其他产品开发，目前还无法大规模普及。
综上所述，本次研究中之所有使用宏晶科技的STC89C52单片机作为主控芯片，是将所有因素综合考虑之后的择优之选，STC89C52单片机如图2.2所示：
图2.2STC89C52
2.2.2按键输入模块的选择
方案一：采用独立的按键作为输入设备
所有按键都必须设置I/O端口，不同端口对应的功能各不相同，按键的数量直接决定了检测次数，按键和端口成正比，在按键数据和线路比较多的时候，其反应速度反倒增快。
方案二：采用矩阵键盘作为输入设备
通过矩阵键盘输入，能够利用读取程序算法的方式相应的按键，主要方法为分别将列线和行线接入矩阵键盘上，并保证各个行线和列线都与单片机保持连接状态，只要运行预设的程序就能实现相应的按键，能够有效降低端口的使用频率，不过在编程过程中难度较大。
对比两种方案得出，独立键盘整体性价比略胜一筹，最后选择独立键盘作为主要的输入设备。
如图2.3所示：
图2.3 独立按键实物图
2.2.3报警模块的选择
方案一：采用语音报警模块
语音报警并使用便捷，但编程难度较大。
方案二:发光二极管和蜂鸣器作为报警模块
编程难度适中，通过声光有机结合的方法不但能够有效控制人工成本，还可以保证反馈信息的及时性。综上所述，最终选择二极管和蜂蜜器作为报警模块。
蜂鸣器实物图如图2.4所示：
图2.4 蜂鸣器实物图
2.2.4体温传感器选取
方案一：借助数字温度传感器的检测得出相应的数值，在根据实际需求进行9-12位的数值编写，不过准确性较差，误差达到2度
。DS18B20温度芯片的访问模式主要以单总线的方式运行，整体造价低廉、操作便捷，同时能够有效降低储存空间，而且体积比较小，能够达到理想的集成度。DS18B20实物图如图2.5所示：
图2.5 DS18B20实物图
方案二：因为这次试验要采用非接触式的传感器，所以选择了红外测温仪，很多因素会影响到测温仪的测量结果，大致分为仪器本身和外界因素两大方面。而仪器本身主要的原因有：空气介质的变化、仪器透镜结垢或磨损、仪器的发射率的差别以及用温度不同的黑体作为校准源等；而外界因素主要有：外界环境温度、测量距离系数以及测量结果受到被测物体的辐射率等。其中，被动式热释电红外探测器由于技术性能比较稳定并且价格低廉而被广泛应用，不仅受到广大用户欢迎，甚至专业人士也是偏爱这款红外探测器。另一方面，红外测温技术在节约能源、安全保护、设备在线故障诊断和产品质量控制、监测等方面都有着不可忽视的重要作用，这次为了满足不用接触人体就能测量出温度的条件，采用了TN901红外测温传感器，该模块的测温范围-20度到1300度可以调节任意度数，主要通过测量人体的红外射线发出来的强度进行测量温度。
实物图如图2.6所示：
图2.6 TN901红外测温传感器实物图
本次采用方案一作为体温模块
2.2.5 无线模块选取
方案一：蓝牙技术，和其他2.4G的无线传输协议技术不同的是，该技术虽然在传输技术上沿用2.4G技术，但其中的协议存在差异，因此在应用上有所区别。普通的2.4G传输产品必须配备接收器；而蓝牙传输的标准是在2.402-2.480G这些频段中，这样的蓝牙产品只要有蓝牙功能的产品都可以连接操作，不需要使用专门的接收器，如蓝牙鼠标，它不需要接收器就能连接，只需要带有蓝牙工功能的终端产品即可实现连接。
方案二：WIFI传输技术，该技术主要采用IEEE802.11b局域网协议，最大速度能够达到11Mbps并且传输范围达到100米之广，之所以能达到这样的速度以及这样广的传输范围，主要是用到BPSK(相移键控)，QPSK和DSSS，主要通过22MHz的带宽，该技术的最重要的优势在于能够实现多个终端的传输。
方案三：GSM传输数据。SIM800是一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块。近年来随着网络设施设备的发展，GSM网络得到了不断的完善与优化，而它的优秀品质也愈发的显现出来，例如它容易集成，使用它不仅能够在较短的时间内开发新品，而且投入开发的资金也比较少。并且它涉及的范围比较广泛，在各个领域都发挥着重要作用，例如POS终端、无线公话和远程监控等领域都能看到它的身影，它是产品性能和质量的保障。
GSM模块如图2.7所示：
图2.7 GSM模块
使用GSM模块SIM800A当做该设备的传输介质，只要移动卡实现世界各地保持网络连接的状态。由于该设备的性价比相对较高，与笔者设计的需求相符，因此本次研究选择这一模块实现短信功能的收发。该模块的与正常运行时建立在智能终端产品短信交互的基础上实现的，所以能够达到远距离操作的需求，达到远程开锁的门禁要求。SIM800模块实物图如图2.8所示：
图2.8 SIM800模块实物图
结合以上，其实wifi和蓝牙皆是无线通信网络标准，并且都是在ISM2.4GHz公共频段上工作。然而它们即使同为网络标准，却又有着不相同的地方，举例来说，蓝牙使用的是FHSS（跳频扩谱）方式，它的通信距离正常情况下只有10米，每一秒钟能够跳变1600次，能把83.5MHz的频道分开至79个频带信道，而每一个时刻只占用1MHz的带宽。因此本次选用蓝牙模块HC-05 模块作为无线模块方案。
2.2.6.LCD1602模块选取
方案一：采用LED数码管动态扫描显示
LED数码管整体质量较轻，且造价低廉，可以快速显示各种字母和数字，不过在实际使用过程中需要占用大量的单片机I/O口，同时受到I/O输出电流的限制，需要借助驱动电路的辅助才能正常运行，一旦显示的字母或数字比较多的情况下，焊接的难度也会随之增加。
方案二：采用LCD1602液晶显示屏
LCD1602液晶屏可以实现较大的显示需求，无论字母还是数字，可以全部显示32个字符的内容，甚至一些自定义的字符内容都能直接显示。LCD1602液晶显示器跟市场上常见的HD44780液晶屏的控制原理是一模一样的，LCD1602显示器给人的直观感觉是非常简单的，主要原因是它采用的是5*7点阵组成一个字符，通过串行数据的方法实现数据传输的需求。
方案三：采用LCD12864液晶显示屏
LCD12864主要特点在于显示屏较大，能够达到128*64的分辨率，总共有8192个，分别由由4位/8位并行和串行的构成，该显示屏接口方式操作简易，便于日常操作，能够达到系统的人机交互，通过该显示屏能够达到大量信息的显示，能够有效降低能耗，虽然功能上较为齐全，但如果在实际使用中对显示屏大小要求不严格，并不建议使用，不仅导致成本上升，也会占据一定空间。
综上所述，综合考虑本次设计需要显示内容较多，最后选择LCD1602液晶显示屏。
LCD1602模块实物图如图2.9所示：
图2.9 LCD1602模块实物图
2.2.7.心率模块选取
方案一
由于压力传感器能够传出的电信号十分的微弱，不仅容易受到外界的干扰还大大的增加了测量的难度，对于本次设计而言这样的选择会造成本次系统难以实现，
方案二
我们所了解到的授予手指组织大致分为两大种类，一种是血液组织，另一种是非血液组织包括骨骼、肌肉、皮肤等，非血液组织对于光的吸收量是恒定不变的，另外一方面静脉血的搏动在血液里面相对动脉血的搏动而言是非常微弱的，基本可以忽略不计，因此可判定动脉血的充盈是引起光透过手指后变化的主要原因，也就是说如果在一直保持相同波长的光源照射下，人体的脉搏信号可以通过测试透过手指的光源的强度来间接测量。
又因为压电传感器的普及程度较低，比较难采购，而光电传感器相对而言较为普遍，方便采购，所以本次使用的是光电传感器ST188，并用其来提取人体的脉搏信号。
故选择方案二。
第三章 系统硬件设计
3.1单片机及最小系统
3.1.1 STC89C52单片机的介绍
笔者本次选用STC89C52处理器主要是通过高密度非易失性的方式进行储存，其为Atmel公司专门为单片机打造的一款芯片产品，其具有能耗小、成本低的特点，能够容纳8K储存需求，储存空间较大，能够用于编程，该处理器目前在多个领域广泛应用。本章节将对该处理器的引脚结构选择性分析和解读。
引脚结构如图3.1所示：
图3.1 STC89C52引脚结构
VCC : 电源
GND : 地
如下图所示，P1.0与P1.2是外输入引脚，P1.0/T2是触发输入引角，其它引脚号的功能请对引脚号的功能表3.1所示：
表3.1 引脚号的功能表
引脚号
第二功能
P1.0
T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5
MOSI（在系统编程用）
P1.6
MISO（在系统编程用）
P1.7
SCK（在系统编程用）
P3口除了本身所具备的功能外还可以作为STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如表3.2所示：
表3.2 STC89C52特殊功能表
引脚号
第二功能
P3.0
RXD （串行输入）
P3.1
TXD （串行输出）
P3.2
(外部中断0)
P3.3
(外部中断0)
P3.4
T0 （定时器0外部输入）
P3.5
T1 （定时器1外部输入）
P3.6
(外部数据存储器写选通)
P3.7
(外部数据存储器写选通)
RST: 是电路的复位输入。能够在看门狗计时完成后对其进行复位操作。
3.1.2 STC89C52单片机的最小系统
从单片机系统的设计来看，要加强对不同部件和安置进行仔细研究和分析，该系统由两种电路组成，分别为复位电路和时钟电路，并采用两种复位模式，分别为按键复位和自动复位。该系统的电路设计难度适中，操作较为便捷，便于后期维护和修理。此种复位模式主要以VCC和RST端经进行连接从而达到通电的需求。形成独立工作的状态，侧重点时钟电路。控制时钟信号是这次设计的首选，可以有效凸显不同部件的运行状况。内部时钟和外部时钟本身属于两种不同的形式，基于此，本次设计选择内不是时钟电路，其可以保证及时高效显示各零部件的运行状态，下图所示是单片机的最小工作系统的电路设计图
3.4图呈现的是STC89C52单片机最完整的最小系统电路
详细设计图如图3.2所示：
图3.2 STC89C52单片机最完整的最小系统电路详细设计图
接着是晶振电路，XTAL1和XTAL2作为独立运行的放大器，两者呈现反相作用状态，通常将其设置于内部电路振荡器之上，起到转化驱动信息的作用，从3.2得知，本研究通过时钟模式，结合振荡电路的基础原理，分别外接XTAL1和XTAL2元件，利用电路作为主要输送载体，推动震荡反应，晶振的频率和能耗成正比。在工作过程中，晶振的频率通常维持在1.2MHz到12MHz的区间，不过特殊情况下也会出现翻倍的现象。
由于AS608温湿度传感器识别识别模块与单片机直接采用的是串口方式进行通讯，而选用11.0592MHz晶振可以产生9600波特率0%误差，主要采用的11.0592MHz 的石英晶振。电容的主要作用在于削弱晶振，降低频率。石英材质的晶振电容的选择范围在20~40pF的区间，本次实验选的是范围内的中间值30pF，而陶瓷材质的谐振器选择范围却要比石英要大些，在30~50pF这个区间，晶振电路如图3.3所
原文链接：http://www.jxszl.com/lwqt/yzlw/180328.html
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