便攜式多功能實時生理參數(shù)監(jiān)測儀的設(shè)計

前言
本文利用凌陽單片機(jī)設(shè)計了便攜式多功能實時生理參數(shù)監(jiān)測儀，具有播放mp3的功能，可達(dá)到提高身體鍛煉質(zhì)量的效果。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)以單片機(jī)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(jī)工作的可靠性。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

spce061a單片機(jī)

spce061a單片機(jī)內(nèi)部集成了adc、 dac、32kb的flash和2kb的sram,以及液晶驅(qū)動?？?。利用該單片機(jī)作為處理芯片，使得模、數(shù)信號之間的轉(zhuǎn)換以及液晶驅(qū)動可以通過軟件來實現(xiàn)，避免了外界信號的干擾，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及抗干擾能力。

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(dá)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(jī)在液晶顯示器上顯示溫度。

ds18b20與單片機(jī)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℃。

(2)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(jìn)行補償，由于ds18b20與單片機(jī)間采用串行方式傳送數(shù)據(jù)，因此，在對ds18b20進(jìn)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。

(4)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(jìn)入死循環(huán)，這一點在進(jìn)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(jī)檢測高電平，能實時記錄跑步者或鍛煉者的步數(shù)，進(jìn)而得到鍛煉者的能量損耗，以利于更有效地進(jìn)行鍛煉。

hk-2000a脈搏檢測傳感器

hk-2000a傳感器是一種主要用在運動、健身器材上檢測脈搏的傳感器，以脈沖波的形式輸出。當(dāng)脈搏波動一次時輸出一正脈沖，可將其輸出信號輸入單片機(jī)，檢測高電平，記錄脈搏。

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。該液晶顯示模塊具有多種功能：光標(biāo)顯示、畫面移位、睡眠模式等。配合1×4鍵盤可實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、瀏覽和修改分析結(jié)果，以及進(jìn)行各種人機(jī)對話，能實時顯示各種生理參數(shù)值。

報警模塊

利用凌陽單片機(jī)內(nèi)部的語音功能，采用軟件控制，當(dāng)參數(shù)超過閾值時發(fā)出報警信號，同時輸出一高電平，用以驅(qū)動發(fā)光二極管，這樣更容易提醒鍛煉者。
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(jī)。

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(jī)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。儀器進(jìn)入工作狀態(tài)后，主程序首先完成對液晶顯示屏的初始化，然后進(jìn)入檢測狀態(tài)。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(jìn)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?！?br>
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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dá)到鍛煉者想要設(shè)定的閾值為止(在35℃～42℃之間)。其它參數(shù)的設(shè)定情況類似。

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 輕便小巧，適合室內(nèi)、室外鍛煉時使用。同時，如果能將藍(lán)牙?？旒傻皆搩x器中，可以實現(xiàn)這些生理參數(shù)的無線傳輸，實現(xiàn)對老人或病人的遠(yuǎn)程看護(hù)。