《基于單片機的人體體溫與心率的健康監(jiān)視器設計》15000字

基于單片機的人體體溫與心率的健康監(jiān)視器設計目錄TOC\o"1-2"\h\u22480摘要 120355第一章緒論 2168091.1課題的研究背景 2290971.2課題的研究意義 2224621.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 326353第二章系統(tǒng)總體方案的確定 4189332.1人體健康監(jiān)測器方案設計 4123502.2各部分電路模塊選型 4194132.3系統(tǒng)整體方案設計 1022631第三章硬件設計 11298523.1主控芯片、傳感器簡介及其工作原理 11313443.1.3mpx2100壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡介以及它們的主要工作電路原理 14146083.2硬件電路設計 15119133.3電氣原理接線圖 205375第四章軟件設計 21153994.1主程序流程圖 22270104.2子程序流程圖 2386184.3系統(tǒng)程序 2732376第五章系統(tǒng)仿真 28180305.1軟件調(diào)試 28186555.2Proteus仿真 3046715.3系統(tǒng)仿真調(diào)試 30258455.4功能仿真 30157465.5遇到的問題及解決方案 33271985.6經(jīng)濟效益分析 331939總結(jié) 34摘要隨著社會的發(fā)展，人們豐衣足食，衣食無憂，人們的身體健康成為了人們生活是否幸福的一項重要指標。有了一副健康的身軀，才能高效的完成我們要做的事情。尤其在2020年，新冠肺炎在國內(nèi)肆虐，對于體溫更加需要做到實時監(jiān)控。所以十分需要一個可以隨時隨地監(jiān)測我們體溫的裝置，一旦體溫超過數(shù)據(jù)就可以實時報警。這次設計的主要控制芯片是Atc89C51單片機，用來負責數(shù)據(jù)的收集處置辦理和傳輸?shù)墓δ?，用來測量人體體溫用的是Ds18b20溫度傳輸感應器，用來測量人體心率的是MpX2100壓力傳輸感應器，并且用Lm016l液晶顯示屏來展示我們的體溫、心率大小，還可以報警。關(guān)鍵詞：監(jiān)測器ATC89C51單片機體溫監(jiān)測心率監(jiān)測報警第一章緒論1.1課題的研究背景上世紀八十年代,外國學者發(fā)現(xiàn)了一種介于健康與非健康之間的狀態(tài)，也就是我們所稱謂的"亞健康狀態(tài)",我們也常常稱之為"灰色狀態(tài)"。在目前我們國家,深圳某一家醫(yī)療公司自主研發(fā)的子一種多參數(shù)監(jiān)護儀,可以準確快速地測出血壓等多個人的參數(shù),低功耗，費電少?？砷L時間待機使用，多用于急診室和手術(shù)室。吉林大學自主研制了一套全新的穿戴式測量機器人體內(nèi)部各種生理參數(shù)的測量系統(tǒng),能夠準確地測量出一個人體的多項生理參數(shù)，對監(jiān)測的參數(shù)進行處理，處理后反饋給人們，提醒人們對潛在的心血管疾病進行早預防早治療。國內(nèi)高校也在人體多生理參數(shù)健康監(jiān)測方面有了諸多研究成果。電子科技大學和南昌航空大學研發(fā)了一種織物形式的小型便攜式生理信號監(jiān)測設備，可監(jiān)測呼吸、血氧、心電等多個生理信號。東南大學與中國移動共同研發(fā)了一種智能化的人體健康監(jiān)測系統(tǒng),可以實時監(jiān)控人體健康狀況。近幾年來，人們的健康意識不斷提升，更加注重保健和養(yǎng)生，希望可以實時監(jiān)測自已的健康狀況。通過實時監(jiān)控自身的各種生理參數(shù)比如體溫、心率、血壓等了解自身的健康狀況,對各種疾病進行防范和預防,在患者出現(xiàn)疾病初期就對癥下藥,抓住最佳的治療時機,將自己的疾病狠狠地扼殺在了搖籃里。1.2課題的研究意義不斷進步和發(fā)展的現(xiàn)代科學技術(shù)和越來越先進的現(xiàn)代化醫(yī)療技術(shù)水平,使得現(xiàn)代人的物質(zhì)生活和精神生活都大大提高。人們變得更加健康，所謂“人生七十古來稀”也不再是現(xiàn)狀了。但我們面對著不斷下降的出生率，老齡化呈現(xiàn)不斷加速的趨勢。在目前國際上一般認為,我國將在十三五期間,即2016~2020年進入超級老齡化的社會"。國內(nèi)外關(guān)于人體健康監(jiān)控管理系統(tǒng)的科學研究成果很多,國外由于我國擁有先進的科學技術(shù),其所制造的人體健康監(jiān)控管理設備具有抗干擾性強、功能強大、穩(wěn)定性好,80年代初期,美國marquette公司開發(fā)并推出了第一款自動化的數(shù)字心電圖儀,使得心電圖連續(xù)監(jiān)控管理技術(shù)已經(jīng)可以在我國進入到現(xiàn)代臨床實際應用的新時期。美國vivometrics公司自行研發(fā)的一種新型穿戴式人體生理信號檢測控制系統(tǒng)-生命衫(lifeshirt),是全世界首個可以進行連續(xù)、無創(chuàng)傷、可隨時移動采集人體生理信號的健康檢測裝置[7]。蘇黎世大學日前開發(fā)了一種新型的全可穿戴式地球人體健康參數(shù)監(jiān)測電子設備,它不僅能夠?qū)崟r自動檢測輻射到整個地球人體多種人的生理健康參數(shù),比如一個人的體液血氧、血壓等。目前我國的醫(yī)學和衛(wèi)生水平尚未是十分先進,如果我們的社會人們能夠提早地察覺得自身的健康和指標在哪里有所改變,對其健康情況有一個合理的判斷和評估,做到了早預防,早治療,可以極大地提高這種疾病的診斷和治愈率,同時耗費最少的資源[6]，所以，對多參數(shù)人體健康監(jiān)護系統(tǒng)的研究顯得十分重要?；谝陨锨闆r和特點，本文設計了一款低功耗、體積小、使用方便、可同時監(jiān)測體溫和心率并實現(xiàn)超常報警的小型人體健康監(jiān)護系統(tǒng)。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀一直以來，國家都把民生問題當做重中之重。俗話說得好,水能載舟亦可以覆舟,如果我們的民生問題還是得不到很好的解決,老百姓的愿望得不到實現(xiàn)。那談再多的政治、經(jīng)濟、文化發(fā)展都是沒用的，紙上談兵而已。人才是根本，離開了人，發(fā)展只是一紙空談，今時今日的中國，早已經(jīng)強大到了令人驚嘆的地步，各方面的實力都很強，讓每一個中國人都感到驕傲。中國作為一個人口增長的大國,為了盡可能地減輕對全球人口總體數(shù)量的限制,實行了一系列的計劃生育政策,并且已經(jīng)取得了不錯的進展?，F(xiàn)在看來，我們國家的方方面面都在不斷變好，人口增長速度減緩了，GDP逐年增加，腰板硬了，在國際上的地位越來越高。我們在為國家的這些變化歡欣鼓舞時,可能還是會忽略一些問題,那就是我們的人口老齡化問題,我們這些年輕人的身心健康需要引起高度關(guān)注。跟隨他們的子女和生活在這座城市里的中國老人們,尤其對于那些有意思想盡孝卻又不能及時完成人體健康盡孝的年輕人們,購買一個多功能的家庭人體健康監(jiān)控檢測儀器設備置放在家里老人身邊,可供他們隨時任意監(jiān)測自己的人體血壓、血糖等各種生理參數(shù),讓他們及時掌握和了解自己的情況和健康。有很多學者把這種大家所謂的"灰色狀態(tài)"或者是"慢性疲勞綜合征"的個人身體狀態(tài)稱作亞健康狀態(tài)。亞健康狀態(tài)是指在沒有發(fā)生明顯病理變化的情況下，人的生機體格功能退化，人們很難察覺到這種退化，久而久之，出現(xiàn)抵抗力下降、精神萎靡、生理功能下降的情況。另外自身容易缺乏自信，缺乏安全感。亞健康狀態(tài)如果可以被人們及時發(fā)現(xiàn)，及時調(diào)理身體，有一個好的心態(tài)，那它可以轉(zhuǎn)化為健康狀態(tài)。如果對其嗤之以鼻置之不理,終將其轉(zhuǎn)化成一種疾病高發(fā)狀態(tài),甚至還有可能直接引起嚴重心血管疾病、高血壓,對整個人類的身體健康都是一個很大的威脅。目前對于這些亞健康皮膚問題的早期預防還只是缺少一種行之有效的治療方法可以來得到解決，國際上也還從未制定一種評定方法，對亞健康狀態(tài)進行客觀量化評估。如果可以通過一些生理參數(shù)指標來進行評定，將有利于全面認識和解決亞健康問題。第二章系統(tǒng)總體方案的確定2.1人體健康監(jiān)測器方案設計電壓比較器單片機溫度傳感器壓阻式傳感器顯示電路超限報警電路此監(jiān)測系統(tǒng)的主控器使用aTc89C51單片機,一次性地進行兩種主要的工作模式:監(jiān)測人體的心率,監(jiān)測人體的體溫。要求設計產(chǎn)品可以使用戶隨時隨地、方便快捷地展示對于心率、人體電壓比較器單片機溫度傳感器壓阻式傳感器顯示電路超限報警電路圖2.1人體健康監(jiān)測器原理框圖2.2各部分電路模塊選型由2.1的系統(tǒng)工作控制原理基本框圖我們已經(jīng)可以清楚地由此看出,本監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計主要功能劃分如下為5個控制模塊,其中主要包括了一個基于單片機的自動主控控制、體溫自動監(jiān)視控制、心率監(jiān)測、顯示以及報警五大模塊。2.2.1單片機主控模塊本工程設計的主控制模塊選擇at89c51型單片機。該系列單片機主要負責為所有用戶設備提供以下幾種標準的硬件功能:4K個八字節(jié)的外部fLaSh一個閃電速度的數(shù)據(jù)存儲器,128字節(jié)的內(nèi)部的fRaM,叁拾貳個新的i/o口和連起來接起來的線,貳個16位定下時間/時刻計下數(shù)據(jù)的機器,壹個5向量雙級數(shù)據(jù)中途斷開網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),壹個完完整整的全二工串行數(shù)字依據(jù)通訊口,片內(nèi)的一個振蕩器以及一個8位時鐘驅(qū)動控制電路。at89c51單片上電機還同時可以將一個輸出工作頻率從從減少一直到0hz的多種靜態(tài)邏輯運算進行操作,并且同時支持兩種不同的操作軟件,即可同時選擇多種軟件節(jié)電和降低工作頻率模式。雖然這種非常空閑的工作方式將可能會直接停止整個cpu的正常中斷工作,但是仍然可以允許整個ram,定時/定位計數(shù)器,串行數(shù)據(jù)通訊口以及整個中斷系統(tǒng)的接口繼續(xù)正常工作。通過防止掉電的這種方式可以來清除保存在rramo其中的所有內(nèi)容,但是這個振蕩器可能會自動停止正常工作并且它們會自動禁止其它所有相關(guān)零部件的正常工作,直到它們接著停止下一個所有硬件的工作復位。2.2.2體溫測量模塊一直以來,傳統(tǒng)的用于測量人體脈搏的手段主要有:①使用壓力傳感器在測量人體高血壓時所能檢測到的頻率和幅度來精確地計算人體脈率;②從監(jiān)視得到的心電信號中被獲取;③采用光電容積方法。心跳的次數(shù)稱為心率，健康的心率大致為60~100次/min，心跳次數(shù)與年齡、性別的不同有關(guān)。越是小孩子心跳越快。同樣的歲數(shù)，女性比男性快。十八歲以后的人平穩(wěn)時心率若超過100次/min，稱為竇性心動過速;心率比60次/min少，稱為竇性心動過緩。目前一些心率的檢測方法雖然準確，但對使用者有一些限制，這些局限性可通過一種被稱為Photoplethysmography的技術(shù)來克服，這種技術(shù)被歸類為反射率或透光率。1.體溫測量的三種方法及其工作原理體溫的兩種測定測量方式,按照其與人體面部皮膚的受熱有無或是否接觸情況來進行區(qū)分又可為非接觸式的體溫測量和接觸式的體溫測量;按照其的加工作用和原理用途來進行劃分,可以將其分別細分為紅外電子體溫計、水銀電子體溫計和微型金屬電子化學體溫計。以下介紹三種體溫計工作的基本原理。一、紅外體溫計紅外線體溫計安全方便，可記錄多組數(shù)據(jù)，大屏幕顯示，有些還具有語音播報功能，特別適合一些哭鬧不肯測溫的嬰幼兒和視力模糊、聽力衰退的老人。它使用大名鼎鼎的黑體輻射，在大自然之中，某東西的溫度超出絕對高出的溫度，這么壹個東西便會源源不斷地從周邊的空間里面輻射出更加多的紅外光。東西的表面受光照射溫度,與一個東西所輻射的紅外能量依據(jù)光波長短分布、一個東西所輻射的紅外光照能量大小等因素關(guān)系緊密。常用的幾種體溫計由耳溫計、額溫計、額溫槍、熱像儀等，以下簡單介紹這幾種紅外體溫計。1、耳溫計耳溫計，顧名思義，是在耳朵處測溫，具體是測耳朵內(nèi)鼓膜的溫度，由于接觸人體皮膚，是一種接觸式的測量。由于人的鼓膜位置接近人體下丘腦的體溫控制調(diào)節(jié)中樞,受此因素影響,鼓膜具有穩(wěn)定的溫度,因此在正確地使用人體耳溫度設計時,將測得的人體鼓膜溫度作為一個人體的總熱量,具有科學意義。使用耳溫計時要更換一層保護橡皮膠,可以避免耳溫的細菌感染,但一般只適用于醫(yī)院或家庭。2、額溫計額溫計是一種非接觸式的紅外光學體溫計,測量的部位在額頭,測量的時間不得小于1s,誤差小于≤±0.3℃,擁有巨大的熒光燈和液晶顯示,適用于各種膚色的人群。不僅能夠用來測量皮膚的溫度,還能夠用來測量固體、液態(tài)的溫度,不會對人體或者皮膚造成任何傷害,操作簡便。3、額溫槍額溫溫度槍(又稱紅外線溫度測溫儀)是它是專門為通過量化檢測和分析測定一個人體的內(nèi)部額內(nèi)外溫度作為基準而專門設計的,使用操作起來十分簡單、方便。1秒內(nèi)系統(tǒng)可準確的為您進行流感測溫,不必再擔心接觸或受到任何傷害人體和您的皮膚,避免了流感交叉抗體傳播導致感染,排查病毒防止感染流感?？梢杂袕V泛地可以應用于各類大型醫(yī)院、學校、海關(guān)、機場等各種大型綜合性的公共場所,還有些應用是目的可以為提供醫(yī)療診所服務者在醫(yī)療診所的規(guī)定時間里提供使用。4、熱像儀紅外熱像科技在軍民兩方面都有應用，最開始起源于軍用，逐漸轉(zhuǎn)為民用。在民用中一般叫熱像儀，主要用于研發(fā)或工業(yè)檢測與設備維護中，在防火、夜視以及安防中也有廣泛應用。通俗地講熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像。熱圖像的上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。它在熱圖象上有多種顏色。二、水銀溫度計、水銀人體溫度計原理是一種利用化學水銀熱脹冷縮法的工作力學原理。水銀式體溫計具備著特別復雜的構(gòu)造,在玻璃氣泡和小型細管連接的位置,有一個很細微的伸縮縫。例如,當一個人把自己的體溫表從口腔或腋下拿出來放開后,水銀會遇到冰箱中的空氣,遇冷會發(fā)生收縮,水銀柱在收縮口的位置斷開使用溫度計時，首先要看清它的量程（測量范圍），然后看清它的最小分度值，也就是每一小格所表示的值。要選擇適當?shù)臏囟扔嫓y量被測物體的溫度。測量時溫度計的液泡應與被測物體充分接觸，且玻璃泡不能碰到被測物體的側(cè)壁或底部；讀數(shù)時，溫度計不要離開被測物體，且眼睛的視線應與溫度計內(nèi)的液面相平。不允許使用溫度超過該種溫度計的最大刻度值的測量值。溫度計有熱慣性，應在溫度計達到穩(wěn)定狀態(tài)后讀數(shù)。讀數(shù)時應在溫度凸形彎月面的最高切線方向讀取，目光直視。水銀溫度計應與被測工質(zhì)流動方向相垂直或呈傾斜狀。水銀溫度計常常發(fā)生水銀柱斷裂的情況，消除方法有：冷修法：將溫度計的測溫包插入干冰和酒精混合液中(溫度不得超過-38℃)進行冷縮，使毛細管中的水銀全部收縮到測溫包中為止。熱修法：將溫度計緩慢插溫度略高于測量上限的恒溫槽中，使水銀斷裂部分與整個水銀柱連接起來，再緩慢取出溫度計，在空氣中逐漸冷至室溫。三、電子體溫計熱電阻傳感器當溫度上升時，某些金屬化合物的電阻率呈現(xiàn)規(guī)律性的上升或下降，這種現(xiàn)象叫做熱電阻效應。還有人們可以把溫度系數(shù)的正負性區(qū)分差別劃開分成為ptc正溫度系數(shù)傳輸感應器和ntc負溫度系數(shù)傳輸感應器。2、熱敏電阻傳感器半導體絕緣電阻不同于其他電子金屬的絕緣電阻,當外界溫度持續(xù)升高時,半導體的絕緣電阻值急劇溫度降低或大幅減小,呈現(xiàn)非線性的反比關(guān)系。在進行檢測后得到具體溫度和交流電壓發(fā)生變化的正常情況下,熱敏介質(zhì)電阻的具體阻抗數(shù)值和電壓頻率發(fā)生變化大約分別是普通熱和鉑熱熱敏電阻的10倍,通過對進行測量后得到熱敏介質(zhì)電阻阻抗的值和電壓頻率的檢測變化。2.三種體溫測量方法的優(yōu)勢和劣勢一、紅外體溫計的優(yōu)缺點紅外光譜測溫計大多數(shù)都是非接觸式測量,不尚于人體內(nèi)部發(fā)射任何放電性的光,僅以吸收人類輻射的紅外線,測量部位是額頭或者鼓膜,即使是接觸,也只是輕微的接觸,接觸時間短,接觸部位沒,不會造成感染。另外不攜帶任何激光觸碰到身體上的任何地方,也沒有損壞或影響身體和心理健康;還可以自行設定報警溫度。相比于傳統(tǒng)的水銀體溫計,紅外體溫計并非是一種玻璃式的,它有堅硬而多變化的外殼,即使多攪拌幾次也不會破壞,使用壽命長,但是測量的結(jié)果易受到多種環(huán)境因素的干擾。當被檢測目標的輻射頻率不完全確定時,很難準確地檢測出其真實的溫度;儀器本身較復雜,使用前需要經(jīng)過一些訓練才能保證正確的使用;價格相對較高,準確度較低。二、水銀體溫計的優(yōu)缺點水銀溫度計是實驗室中最常用的液體溫度計,水銀具有熱導率大,比熱容小,膨脹系數(shù)均勻,在相當大的溫度范圍內(nèi),體積隨著溫度的變化呈直線關(guān)系,同時不潤濕玻璃、不透明而便于讀數(shù)等優(yōu)點,因而水銀溫度計是一種結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量較準確并且測量范圍大的溫度計。三、電子體溫計的優(yōu)缺點電子體溫計是利用了各種半導體電阻伴隨溫度的變化而發(fā)生變動的物理學特征,測量迅速。缺點是由于顯示率的準確性受到了電子器件和鋰離子電池的供電情況等多種因素影響,所以測量的穩(wěn)定性比沒有普通玻璃體溫表好。3.本設計體溫測量模塊的選擇本設計體溫測量模塊的選擇要求是成本低、功耗小、便于攜帶和使用，可以實現(xiàn)動態(tài)測溫，因此，選擇水銀溫度計是不合理的由于紅外體溫計很容易接受到被測目標輻射速率、環(huán)境溫度及其所測量的時間和距離等多種因素的干擾,測不準實際溫度，也不被選擇。所以，本設計選擇電子體溫測量方法，選用DS18B20溫度傳輸感應器。4.體溫測量模塊本設計采用ds18b20溫度傳輸感應器作為溫度監(jiān)測可視和檢查測試的模塊。它與我們曾經(jīng)的熱敏電阻做一個較好的比較,它可以依靠根據(jù)實際的要求,通過容易的編程,就是能夠完成9~12位數(shù)字值的數(shù)字讀取。因而采用該傳感器將其設計成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得更加簡潔,具有較高的可靠性。它在測溫時的精度、轉(zhuǎn)移時的持續(xù)間隔、傳輸時的距離、分辨率等各個方面都較其他的傳感器具有更大的優(yōu)勢,能給廣大用戶提供更便捷的使用和更好的效果。此方框圖如圖2.2所示。人體人體溫度傳感器DS18B20 AT89C51單片機圖2.2體溫測量模塊方框圖2.2.3脈搏心率測量模塊1.脈搏心率的含義心率/脈搏是身體很重中之重的身體機理參數(shù)。想感知動脈的搏動就摸摸手腕，這就叫脈搏。健康的人在平穩(wěn)的情況下每min自古以來我國中醫(yī)學上就已經(jīng)有"望聞問切"的一種說法,"切"是指切脈。脈搏信號是一種微弱信號，容易受到干擾。就算一直是同一個人，但也不會保持不變的脈搏。2.本設計脈搏心率檢測模塊的選擇體溫是鑒別人體健康水平的一個重要參數(shù)，非常直觀地反映人體健康狀態(tài)。本節(jié)介紹了體溫測量的三種常用工具以及各自的工作原理，然后進行對比，說明每種工具的優(yōu)勢和劣勢，為本文測溫模塊的硬件選型打下基礎。壓力精度傳感器產(chǎn)品作為一種能夠具有較高測量精度的壓力檢測測量儀器,在各種新型軍事、航空、飛行和太空航天技術(shù)中的工業(yè)應用均對此具有其嚴格的質(zhì)量要求,產(chǎn)品必須經(jīng)過嚴格的質(zhì)量測試后方能才可以實際生產(chǎn)應用,所以這種新型壓力精度傳感器的發(fā)展非常迅速。也正是因為它的發(fā)展迅速，因此也有各式各樣的壓力傳感器供我們進行選擇，選擇面非常之廣。與此同時，壓力傳感器具有工作可靠、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢。所以本設計選用壓阻式壓力傳輸感應器進行人體脈搏心率的檢查測試。3.心率測量模塊使用的正是壓阻式的壓力傳輸感應器MpX2100作為我們要用的心率/脈搏檢查測試模塊,該檢查測試模塊在采集了心率/脈搏信號后將其作為一種電壓信號,計每10s的脈沖個數(shù),將其×6就能夠得到相應的心率,與此同時，在展示位置中設定了10s來重置一次,就果斷得到這一刻整個人的心率。該模塊的方框結(jié)構(gòu)圖如下圖2.3所示。人體人體壓阻式傳感器MPX2100電壓比較器AT89C51單片機圖2.3心率測量模塊方框圖2.2.4顯示模塊在該系統(tǒng)正常進行和運行的整個過程中,必須使所檢測到的心率和體溫數(shù)據(jù)能夠進行實時地顯示,考慮了下列兩個解決辦法。方案一：將體溫以及心率/脈搏值通過液晶顯示屏顯示出來。液晶顯示屏（LCD）的優(yōu)勢：面積很小、耗電很少、不具有輻射、可視面積大、畫面清晰。方案二：使用舊時代的產(chǎn)物——數(shù)碼管。數(shù)碼管的優(yōu)勢：耗能低、損耗低、擁有很長的使用壽命，維護起來十分簡單，同時它的精度較高。但是它有一個致命的缺陷：無法同時顯示心率、脈搏以及體溫。所以按照題目的要求，最終選用LM016L液晶顯示器。2.2.5超限報警模塊使用發(fā)光二極管作為本系統(tǒng)的超限報警指示燈,以便于人們進行觀察。我們正常的體溫是36~37.5℃,正常的心率確實是每min60-100下,這就會出現(xiàn)如果我們監(jiān)測的是平常體溫和心率都不在了規(guī)定范圍時,這時二極管就發(fā)光啦,立刻警示大家小心自己的身體。2.3系統(tǒng)整體方案設計本次設計主要是對于人體的身高、心率進行了監(jiān)控、心跳指示燈和超常時間進行了報警。首先,要真正實現(xiàn)人體的身高和心率情況的監(jiān)控,就需要通過一個傳感器從攝像頭中采集一個體溫和心率的信號,然后把采集得到的信號直接轉(zhuǎn)換成一個單片機能夠進行處理的信號,再由一個顯示電路展現(xiàn)出來,去實現(xiàn)這種監(jiān)控功能。體溫濕度測量系統(tǒng)是通過一個高頻傳感器的dS18B20來直接采集高頻到測量人體的內(nèi)部溫度和濕濕等數(shù)字信號,這些數(shù)字信號在經(jīng)過一個高頻傳感器之后也就變成了一個同時能夠直接被一個單片硅電機處理的高頻數(shù)字信號。心率脈沖測量方法主要是通過一個脈沖傳感器mpx2100采集一個關(guān)于人體的脈沖心率測量信號,信號經(jīng)過一個脈沖傳感器后其電機輸出的脈沖電壓和其人體所受的脈沖壓力之間可以形成精準的電壓正比值函數(shù)關(guān)系,再通過一個脈沖電壓比較器把其中所需要采集的電壓信號轉(zhuǎn)換成一個脈沖心率信號,進行一次脈沖心率測量并經(jīng)計數(shù)后就可以精確得出一個人體心率的峰值大小。超常衛(wèi)生報警參數(shù)控制管理系統(tǒng)的主要工作原理需要對整個人體衛(wèi)生間的參數(shù)進行實現(xiàn)正確性的選擇。人體健康的每個參數(shù)都應該是分別具有兩個一定量和一個衡量標準的。我們監(jiān)測系統(tǒng)的硬件想辦法的方案最終用一個aT89C51的單片機,溫度傳遞感應器采用Ds18b20,壓阻式溫度傳遞感應器采用MpX2100,顯示屏是LM016L接下來我們將對所要設計采用的相關(guān)芯片、傳感器元件及其相關(guān)硬件集成電路部分進行詳細介紹。第三章硬件設計3.1主控芯片、傳感器簡介及其工作原理3.1.1AT89C51單片機的介紹①AT89C51引腳圖如圖3.1所示。圖3.1AT89C51引腳圖at51同時具備4k一個字節(jié)的無閃爍的功能可編程、實現(xiàn)了這種只讀只寫存儲器的兩大特點。它完全無需再考慮擴充外部應用程序處理存儲器和內(nèi)部的其他數(shù)據(jù)處理存儲器。如此一來就大大幅度縮減了軟硬件的一些部分。②管腳說明VCC：供電電壓。GND：接地。p2口:p2口是作為內(nèi)里上的向下拉穩(wěn)定亞電阻的捌位兩向電流i/o,p2電流緩向沖擊器主要用于確保同一時刻來電流接收。在一個p2口的電源管腳不能作為電源輸入時,p2的內(nèi)里電力能源管腳被外面的電力能源引線電量壓力拉低,將不能輸出一定的輸入電流。p3口：兩個p3口徑被寫入"后,它們被內(nèi)部上下推拉而成為一個新的高電平,并且被拿來用作音頻輸入。rst:通常用作一個信號復位器的輸入。單片機的內(nèi)部復位兼容電路主要是通過電源連接一個小的vcc(+5v時的電源),就是一個可以將瞬時單片機的內(nèi)部加速充電瞬時內(nèi)部的復位電容電源通過一個復位電阻器來進行復位充電。當此時rst(快速復位引腳)的一端會自動出現(xiàn)一個小的高電平,并且能夠保持一定的充電時間,且這個充電的持續(xù)時間已經(jīng)完全足夠就可以能有效促進整個單片機的快速復位。/vpp:使用當i/ea端口被維護為高穩(wěn)壓電平時,作內(nèi)部處理應用程序的數(shù)據(jù)存儲器。當它的flash為可編程期時,該引腳也被廣泛用來將它作為一個用于施加12v的半可編寫程序穩(wěn)定電壓電源。XTAL2:反著方向高頻率共振蕩漾信號放大器的信號輸入及內(nèi)部驅(qū)使動員時鐘器的工作控制電路。XTAL2：來自反著方向振蕩器的輸出。3.1.2DS18B20簡介及其工作原理如圖3.2所示。圖3.2DS18B20封裝圖DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。圖圖3.3DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖DS18B20的溫度轉(zhuǎn)化見表3.1：見表3.2：DS18B20使用中注意事項雖然ds18b20的測量溫度把控限制系統(tǒng)相較容易、測量溫度精度高、相連相接起來方便、所需的輸出口線少,但是我們在實踐使用時還是要特別注意一些問題。3.1.3mpx2100壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡介以及它們的主要工作電路原理壓阻式的交流壓力應變傳感器主要用途是是指利用一種單晶硅的電流壓阻擴散效應原理來設計制成的傳感器件,即在單晶硅片的基片上用一種電流擴散式的方法被壓制成4個相同頻率等值交流電阻的壓力應變傳感元件后再組合而成所形成的一種惠斯費爾登壓阻電橋。mpx2100是美國摩托羅拉公司自主研發(fā)和設計生產(chǎn)的一種新型采用帶有絕對溫度電壓互換器和補償數(shù)值的新型壓阻式絕對壓力溫度傳感器,它主要是通過設計采用先進的戴爾半導體和微微電子技術(shù)對壓力傳感器元件進行高度微細化的熱處理和精加工,具有良好的線性化驅(qū)動強度,經(jīng)過多次激光溫度微調(diào),溫度自動補償試嘗等均已經(jīng)基本達到了良好的性能特點我國少年兒童健康檢查成人安靜時的舒張收縮張力壓力大約數(shù)值經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計后如下面的表3.3所示。表3.3MPX2100工作參數(shù)3.2硬件電路設計此時鐘電路的硬件設計主要部分包括體溫總時鐘控制電路、復位時鐘電路、體溫振動測定控制電路、心率振動檢測控制電路、顯示控制電路和各種超常振動報警控制電路,總時鐘電路設計框圖可參見本文中的附錄及圖ⅰ3.2.1時鐘電路的設計操縱電子線路提出供給一種操控制造高頻率單片機工作的頻繁效率和工作時間差的標準。本設定謀計方法中高頻率振蕩機器的高頻率操控制作電路基礎設計如下表見圖3.4,c2=c3=22pf。圖3.4時鐘電路3.2.2復位電路的設計由一個單片上電機中的rst引腳向控制主機接口提供外部信號復位控制信號的一個輸入輸出端口。復位有效信號首先要求的是高電平有效,同時要求高電平有效信號持續(xù)的每個工作周期時間至少要對應為2個月的機器人工作周期以上。圖3.5為圖示at51單片發(fā)電機所需要采用的上或下電復位控制模塊工作控制電路。在一個阻容控制元件的圖中參考值公式如圖上下圖中所示,即其中r12=10kω,c3=22μf。圖3.5復位電路3.2.3體溫檢測電路的設計和誤差分析①體溫測量電路設計這種傳輸感應器直接與身體進行觸碰就可以實現(xiàn)體溫信號的采集,這個過程也就是對體溫進行檢測丈量的過程,在ds18b20內(nèi)里實現(xiàn)了溫度變化,就是能直白的輸出壹個數(shù)學字符信號,并且是用單片機直白無接的進行數(shù)學字符信號處置料理。Ds18B20的放出信號也就是壹個數(shù)學字符信號,故此它就直截了當被單片機接收處理,也就是說它也方便與單片機進行直接連接。其中dq端與p3.7相連,電路框圖的連接方式如圖3.6所示。圖3.6體溫測量電路體溫采集誤差分析溫度的采集操作過程不一定可能完全準確無誤,錯覺的溫度有點可能是因為傳感器和人體的接觸不緊密,或者傳感器的接觸持續(xù)時間不足以達到一定的人體溫度就已經(jīng)進行了測量和讀數(shù),盡量在等待了一段時間后再開始進行測量,這樣才可以減小誤差。3.2.2心率脈搏測量電路設計以及誤差分析因為使用DS18B20傳感器測量體溫，所以最終輸出的是數(shù)字信號，單片機進行直接處理，非常簡單。而心率/脈搏的測量比較復雜，需要一個模數(shù)相互轉(zhuǎn)換的過程，下文對此進行一個介紹。心率脈搏測量電路的設計采用壓阻式的功率壓力脈搏傳感器mmmpx2100來直接采集測量整個心率血管脈搏的各個脈沖運動信號,使這種壓力式的傳感器緊緊地或被粘貼地放在了整個人體上,當人們感覺感受到功率心跳加快時會直接使心率動脈的脈搏壓力發(fā)生變化,通過直接采集脈搏電壓和功率脈沖運動速度同時變化的脈沖信號數(shù)據(jù)來直接測量檢測功率心跳。該心率傳感器主要是通過采集輸出電壓值為的信號,輸出電壓信號為一個脈沖交流電壓比較值,通過一個脈沖電壓比較器與其信號進行一個脈沖交流電壓比較值的計數(shù)比較,輸出電壓信號為一個人的脈沖電流信號,單片機根據(jù)這個電壓比較值對其信號進行電壓比較并然后所采集輸出的脈沖電流對其進行計數(shù),每10秒就有機會自動更新一次人的脈沖電流來從而實現(xiàn)自動測得一個人的心率自律脈搏。在這之中比較器需要設定的傳遞感應器就是壹個隨便壹個電平比較器,采用Im324集合組成的運放方式來實施變現(xiàn),就因為在仿真的來回中傳遞感應器的電力能源頻率為5v,該設置此類比較器的電源壓力閾值頻率是2.5v,這之中比較器完全能起到一個模數(shù)轉(zhuǎn)換的功效能量,將傳遞感應器所采到的輸出電源壓力信號轉(zhuǎn)化成脈沖,而后經(jīng)由單片機檢查測驗輸出脈沖的計數(shù)過程測得心率的值。心率的脈搏測量控制部分與心動脈搏心率測量器的控制管路引腳p3.4相連,其中也應該設有心率脈搏的兩個心跳訊息信號燈和指示燈,心臟每隔一下就應該會同時跳動一次,led的兩個心跳訊息信號燈在指示燈上也應該同時閃爍一次,脈搏的心率測量控制部分與心率脈搏的控制管路引腳p3.5相連,心率的脈搏測量部分控制電路總體結(jié)構(gòu)如軟件圖3.7所示。圖3.7心率測量電路心率脈搏采集誤差分析對于心率脈搏的測量也有一定的誤差,其中傳感器mpx2100有一定的溫度誤差,為0-85度,如果處于一個低溫的環(huán)境下,很有可能就會導致對于傳感器造成誤差。誤差的來源也有可能由于傳感器和人類之間的接觸并不是很嚴格,從而造成了對于電壓信號的誤差。因此,我們在設計和使用了一種新型的人體健康監(jiān)控器。最好在一個非低溫的環(huán)境下，同時保證與傳感器的緊密接觸。3.2.3顯示電路設計顯示控制電路部分主要模塊采用一個lm017l8的液晶模塊,此處的液晶模塊主要部分采用lmhd44780控制器,具有簡單而且多種操作控制功能較強的數(shù)字指令集,可以直接操作實現(xiàn)各種文本顯示信號的快速移動,閃爍等多種操作控制功能,與其他單片機的數(shù)字通訊控制系統(tǒng)一樣可以直接選擇8位或4位接口進行實現(xiàn)并行通和數(shù)據(jù)信號傳輸兩種通訊方式,本控制系統(tǒng)在硬件設計中主要采用了兩個管腳和接口d7分別與放在單片機上的p1.0-1.7連接,圖3.8即為一個數(shù)字顯示控制電路。圖3.8顯示電路3.2.4報警電路設計報警電路由二極管和電阻連接,當體溫監(jiān)測范圍不在36℃~37.5℃之間或者心率/脈搏監(jiān)測范圍不在60~100次/分,就需要進行報警。當一個單片機系統(tǒng)需要實時進行自動報警時二極管電路會自動關(guān)斷發(fā)光,其中什么特殊情況下沒有報警接口電路的就可以通過本文編寫的應用程序軟件來對它們實時進行自動控制,本文在軟件設計過程中將一個報警接口電路和一個位于單片機上的p2.0管腳接口相連,圖3.9即為控制該機的報警接口電路。圖3.9報警電路3.3電氣原理接線圖確定好各個硬件模塊的選型后，用中望CAD軟件畫出各個模塊的電路，然后將所以電路圖連接起來，形成一個總的接線圖，總接線圖見附錄Ⅰ。第四章軟件設計軟件設計是用一種計算機可以接受到的形態(tài)將解決問題的方法和步驟進行描述。簡單來講,軟件設定計劃自己就是對一個電腦進行改寫的程序。一個優(yōu)秀的程序最開始應該完成所有規(guī)劃定下的計劃,而且它們還應該是層次清楚、易于理解和閱讀,并盡權(quán)力地占下利用全部的內(nèi)部儲存,減少其行動的時間,卻也不要一直地不懂事的光想著多用內(nèi)部儲存,減少其行動的時間。那么這樣一種情況,非常會出現(xiàn)程序的可讀性大幅下降的情況。跟著地球上最大規(guī)模、超級規(guī)格集成電子線路的雛形和變化,芯片的硬件內(nèi)部儲存的量也正在一直提升,電腦收到指示命令的時間就被大大的變小。程序的運用行動時間長短和實際的運行,不重要了,與此同時，通過提高程序的方便讀的特殊性和加長了程序的運用行動開發(fā)周期,顯得更加重要。還有,在較變態(tài)的應用程序設定計劃中,就應該要有限度地考查顧慮到程序,它們都是我們衡量和判斷程序設計質(zhì)量與效果的重要指標。at51單片機設計是整個超微電子光學時鐘器設計系統(tǒng)中最為重要核心的組成部分,各個核心模塊都已經(jīng)可以在超微單片機的精確控制下自動完成各個核心模塊的設計工作。該顯示系統(tǒng)的基本軟件設計組成部分的軟件設計主要內(nèi)容包括了系統(tǒng)的主要應用程序、溫度報警檢測子應用程序、心率檢測脈搏報警檢測子應用程序、超限運動報警檢測子程序以及各個顯示系統(tǒng)模塊的應用子程序,本章全書第一章節(jié)將我們著重詳細闡述各個顯示模塊的子程序的基本軟件設計工藝理念和具體工作原理流程。4.1主程序流程圖主程序的具體工作原理流程程序設計首先主要是對系統(tǒng)和外部硬件連接的驅(qū)動芯片組件進行自動初始化,然后再來就是自動體溫異常測量和自動心率異常檢查等應用程序,再通過應用程序的自動控制,從aalcd視頻輸出輸入到語音視頻輸入播放,最后再來就是自動報警控制系統(tǒng)等應用程序。主程序的工作流程管理框圖結(jié)構(gòu)如下文本圖4.1所示。開始開始單片機初始化體溫顯示體溫心率脈搏超常報警LCD初始化體溫測量心率脈搏測量心率脈搏顯示圖4.1主程序流程圖4.2子程序流程圖溫度自動測量子程序、心率自動測量子程序、超限報警時間自動報警模塊子程序和自動顯示警告模塊的報警子程序全都也就是一個屬于這些類的子程序,下文就為大家詳細地簡單介紹了各個類的子程序。4.2.1體溫測量程序流程圖想要真正能夠達到一個硬件使用開銷較小的這個目標,就必須得充分考慮至少使用一些相對繁瑣的應用軟件。就是因為Ds18B20與其他微處置理會器中主要工程作業(yè)是來過采用數(shù)據(jù)串行傳輸方式的來進行測溫數(shù)字依據(jù)的信息傳送,那么在對系統(tǒng)Ds18B20進行文件讀取編寫和數(shù)字依據(jù)編寫程序時,一定嚴肅地需求確保其數(shù)字依據(jù)讀取編寫和編寫程序計算算計的正確時序,不然將或許導致系統(tǒng)不能準時確切地及時讀取測溫的結(jié)果,體溫通過電腦進行測試計量的系統(tǒng)子程序工作流程圖主框圖如下文的主框圖4.2所示。開始開始DS18B20初始化跳過ROM結(jié)束接收溫度變換指令將數(shù)據(jù)送入單片機兩個連續(xù)單元數(shù)據(jù)處理送入顯示模塊圖4.2體溫測量子程序流程圖4.2.2心率/脈搏測量子程序流程圖開始開定時器計數(shù)開始開定時器計數(shù)判斷計時是否到達10秒停止計數(shù)讀取計數(shù)值否是圖4.3心率脈搏測量子程序流程圖采用中間斷開完成心率/脈搏檢查測驗。①把存下儲蓄的計數(shù)值定成0②對定下時間循環(huán)計算數(shù)據(jù)器的存下儲蓄的值進行初始化③后來又開始計算數(shù)據(jù)④推算自己的存下儲蓄值是不是已經(jīng)計時至達10s,不到10s就方便繼續(xù)遵循環(huán)繞計時,達到10s就可以停止計時還可以同時讀取一個計算數(shù)字的值⑤再來遵循環(huán)繞計時。4.2.3報警程序流程圖報警檢測過程的工作流程設計框圖具體設計方案如下:詳見圖4.4所示,首先報警需要開始檢測一個人的心率體溫波動狀況脈搏是否出現(xiàn)超常,超過期限看見超出正常則對其再來一次進行心率/脈搏超常警告，然后重開進入檢查測試心率的超出正常的檢查測驗,若不是很快看到心率超出正常則通過檢查測試心率的超出正常,心率的超常脈搏是否超常重新進行脈搏檢測也一樣。開始開始判斷體溫是否超常判斷心率/脈搏是否超常報警報警結(jié)束圖4.4報警子程序流程圖4.2.4顯示子程序流程圖將lcd進行初始化后,開始測量一次心率/脈搏,必須測量足夠10秒。這樣我們才可以計算出心率/脈搏的平均值。所以我們在將計算機顯示器進行初始化后首先必須要準確地判斷一次心率/脈搏的測量工作是否已經(jīng)完成,未測量完成則會自動顯示"wating",如果測量已經(jīng)完成就會自動顯示計算機測量的心率/脈搏數(shù)值,并且還會自動顯示計算機測得的體溫數(shù)值。該程序的操作流程框圖設計如下表4.5所示。開始開始結(jié)束LM016L初始化顯示“wating”判斷心率/脈搏是否測出顯示心率脈搏數(shù)值顯示體溫數(shù)值圖4.5顯示子程序流程圖4.3系統(tǒng)程序見附錄Ⅱ第五章系統(tǒng)仿真5.1軟件調(diào)試隨著通用嵌入式單片機的技術(shù)應用日益廣泛,單片式主機軟件的技術(shù)研究與應用開發(fā)越來越成熟。圖5.1所示為一個keil##s的軟件操作界面。目前正在投入研制和進行開發(fā)的51系列新型單片幅相機基本上都是在使用新的keil。keil為您自身提供了一個計算機語言編寫翻譯器、宏文件匯總編寫、鏈路軟件連接、庫數(shù)據(jù)管理及一個功能強大的軟件仿真和模擬調(diào)試器。有完整的系統(tǒng)開發(fā)軟件解決系統(tǒng)方案,通過一個簡單而相互集成的軟件開發(fā)解決環(huán)境,它就等于可以對所有c編程語言的所有源程序可以進行自動編譯,對其他匯編語言的所有源程序可以進行自動匯編,對舊的目標程序模塊和新的數(shù)據(jù)庫目標模塊之間可以進行連續(xù)的鏈接以及更便于自動產(chǎn)生一個新的目標程序文件,生成cahex文件,對目標程序性能進行自動調(diào)試等。圖5.1Keil軟件界面軟件設計主要仿真目的就是對所有軟件仿真集成電路軟件中的各種仿真模塊都直接進行了系統(tǒng)編程,從而直接完成各種仿真模塊的基本操作和應用功能,從整個軟件畢設仿真任務過程中的仿真結(jié)果情況來看,軟件的系統(tǒng)編程和軟件調(diào)試兩個工作就已經(jīng)占了非常大的一部分。由于這個系統(tǒng)軟件程序巨大,把整個操作系統(tǒng)軟件劃分開成為若干個主要功能模塊,分別專門用來負責進行整個軟件的程序編寫和系統(tǒng)調(diào)試。軟件的調(diào)試主要目標就是對所需要編寫的應用程序進行各方面的翻譯,測試它們有無語法錯誤,以及測試它們在應用中的操作是否正確。5.2Proteus仿真本次設計并未進行實物的制作，為了驗證設計的可行性，必須進行仿真。為了方便調(diào)試，本系統(tǒng)在PROTEUS中進行仿真，仿真的過程中出現(xiàn)了很多問題，但通過一次次檢查和驗證，最終將問題全部解決了。5.3系統(tǒng)仿真調(diào)試用來進行相互間的聯(lián)調(diào)。軟件與使用protues進行聯(lián)合制作進行了仿真調(diào)試,把使用程序人員制作的已完成的一個人員看見重點錯誤原因應該是軟件延長時間的持續(xù)性不夠,增大了延長時間的持續(xù)性后這個問題就解決了。5.4功能仿真當我們需要進行一個體溫和一位心率的綜合測量時,液晶電視顯示器上所需要呈現(xiàn)的t和j可以代表一位心率,t和j的t分別可以代表三位體溫,兩者均勻的可以被同時顯示并分成三位體溫數(shù)字,其中每個三位體溫數(shù)字都會顯示有至少一位數(shù)的小數(shù)。直接模擬完成對于體溫心率的自動測量,用一個諧波頻率大約為1.5hz的心率脈沖信號來直接模擬一次人的心跳,剛開始仿真進行測量仿真時的體溫心率測量并非一定就需要馬上被自動測出,而是在測量模擬中常常需要不斷繼續(xù)反復等待10秒鐘,此時在測量仿真過程中需要進行關(guān)于體溫的心率測量持續(xù)時間幾乎是完全可以直接進行顯示的,心率則直接用的顯示方式為"waiting",此時因人的身體已經(jīng)缺乏了控制。詳見如下圖5.2所示。圖5.2剛開始測量時的監(jiān)測結(jié)果人體溫度和心跳頻率都健康的監(jiān)測結(jié)果如圖5.3所示。圖5.3心率和周圍體溫監(jiān)測平均值都為正常時的體溫監(jiān)控數(shù)據(jù)結(jié)果見圖5.4所示。圖5.4心率異常體溫過高時的監(jiān)控結(jié)果體溫正常心率不正常。此時對于人的心率體溫超常或者體溫正