基础生理参数检测系统设计

1基础生理参数检测系统设计摘要：介绍了一种新型生理参数无线监测系统的设计及实现过程。该系统以AT89C51单片机为控制核心，以PTR2000为无线通讯部件，采用信号检测、数据处理和无线传输技术实现人体的体温、脉搏两生理参数的实时监测。关键词：单片机；生理参数；无线数据传输；PTR2000生理参数是人体最重要、最基本的生命指标，实时监测生理参数对于提高运动员的训练效率、完善病人的医疗护理以及研究人体对环境变化的反应等方面都有着非常重要的意义。以医疗护理为例，目前部分医院的病人的生理参数都是人工定时测量的方式，如每天护士定时到病房去测量每个病人的体温，手工记录并绘制体温变化曲线，供医生分析病人病情时参考。此项常规护理不仅耗费大量的人力，而且对测量结果进行汇总、查询、分析比较繁杂，同时病人在出现特殊情况时由于不能及时反馈，可能会造成治疗时机的延误，可见这种方式具有很大的局限性，尤其对于传染病患者，监护人员不方便与其接触。因此需要一种既能够监护病人，又无需与其接触的测量方式。本文介绍的生理参数监测系统正是为满足这样的需要而设计，利用它可对病人的情况进行监护而无需与其接触，另外系统还具有功耗低、小型化、便携带等特点。1系统结构及其原理1．1系统结构2本系统选取了体温和脉搏2个生理参数作为主要监测指标。系统通过以AT89C51为核心的前端测量装置实时采集被测对象的体温和脉搏生理参数，然后通过无线数据传输模块PTR2000将生理参数传送到PC机进行显示，并对生理参数进行记录处理，绘制成生理参数的曲线图。系统的硬件采用模块化设计，各功能模块相互独立，便于维护。本系统由生理参数采集模块、通讯模块、数据记录处理模块三部分组成，系统的结构如图1所示。图1系统结构框图生理参数采集模块以单片机作为核心部件，加上体温传感器、脉搏传感器检测电路组成的。采集到的生理参数在单片机中进行预处理，并按照一定的编码格式通过串口送至无线发送模块，实现与PC机的无线通信。通信模块主要完成无限数据的传输，用PTR2000无线数据传输模块实现。数据记录处理模块通过串行通信的方式接收无线数据传输模块传输的数据，并送到由PC机构成的基站进行记录、处理和显示。1．2系统设计基本原理3（1）测量准备和系统自检系统在生理参数采集模块上设置一个按钮，在每次测量前，按此按钮启动系统自检，通过单片机检查与之相连的各个部件，如存储器、体温传感器、脉搏传感器等的状态以及无线通信系统能否正常工作。通过无线数据传输模块PTR2000将检测到的各个部件的状态发送到接收端，若接收端收到正常的信号，则通知可以开始测量；若接收不到，则必须检查、调试，或者更换测量系统，直到接收端收到正常的信号才可开始测量。（2）数据采集在系统自检完成之后，若各个部件工作正常，就可以开始生理参数测量了。由体温传感器模块、脉搏传感器模块将采集的数据保存在发送缓冲区。（3）数据的无线发送和接收在单片机数据采集完成以后，即开始数据的无线发送。将数据按照从高位到低位的顺序发送。在发送之前，对采集的数据按照无线数据传输模块的要求进行编码，然后将数据通过无线数据传输模块进行发送，在无线接收端，把接收到的数据通过电平转换和RS-232串行接口送PC机进行处理和显示。（4）数据的处理和显示由PC机构成的基站从RS-232串行接口接收到数据后，通过生理参数处理软件进行数据处理、存储、显示和分析。2系统硬件设计4从硬件角度看，系统可分成单片机模块、体温检测模块、脉搏检测模块和无线数据传输模块等几部分，下面分别给予介绍。2.1单片机模块的设计在本系统中，考虑到生理参数采集装置是安放在被测对象身上的，由电池供电，因此选择体积小、功耗小的单片机作为本系统的前端数据测量的核心部件。本系统采用的是Atmel公司的8位单片机AT89C51。2.2体温检测模块体温检测模块选用了美国ANALOGDEVICE公司生产的集成温度传感器AD590[1]。AD590是一种电流输出型温度传感器，以电流输出作为温度指标，在激励电压为4～30V时，AD590输出的电流与绝对温度成正比，输出电流按1μA/K的恒定比率输出一个与温度成正比的电流值，当外界温度为0℃时其输出电流为273μA。AD590可以和数百欧姆的电阻串联使用，不易受接触电阻、引线电阻和电压噪声的干扰，适合多点温度测量和远距离温度测量控制。体温检测原理图如图2所示。集成温度传感器AD590具有重复性好，精度高等优点，其测量范围为-55℃～+150℃。在电路中为了把AD590输出电流信号转换成电压信号,在AD590输出端串接一高精度采样电阻,温度信号经放大后进行A/D转换后，再送入单片机进行数据处理。体温检测范围为0～50℃,精度为±0.2℃。5图2体温检测原理图2.3脉搏检测模块血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍，依据此特点，本系统采用透射式光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号[2]。脉搏检测原理图如图3所示。由红色发光二极管LED发出的光线通过人手指照射在光敏三极管的感光窗口上，当指尖的血流量随心脏跳动而改变时，从LED通过指尖到达光敏三极管的光线强弱随之改变，这样光敏三极管的电流也发生波动性变化，电流通过A1进行阻抗变换后送入后级。由于A1的输出信号比较微弱，且存在50Hz及其它高频干扰，要经一级由A2组成的低通滤波器滤波。经过低通滤波器的微弱脉压波动信号，再经一级反相放大器A3的放大，然后通过同相端R10、R11、C5的充放电过程，可将A3输出的脉压峰以外的各种波动信号电平保持在一定的幅度，作为参比电压以保证脉压峰信号进入A4反相端后能正确地比较出来，R12为一正反馈电阻，它的存在使A4成为施密特比较器，确保在脉压波动期间可准确地在脉压6峰处输出一正脉冲信号。把该脉冲信号送入单片机模块进行处理即可得脉搏。图3脉搏检测原理图2.4无线数传模块该部分采用基于RF芯片nRF401的无线数据传输模块PTR2000模块[3]。nRF401是NORDIC公司推出的单片无线收发一体化的芯片，包括高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调及多频道切换等部件，具有体积小、功耗低、频率稳定、灵敏度高等特点，是目前集成度最高的无线数据传输芯片之一。PTR2000既可与80C51、68HC08、PIC等各种单片机的串口或I/O口直接连接，也可通过电平转换芯片MAX232与PC机进行串口通信。由于要监测两个生理参数体温和脉搏的信号，为了避免混淆、不清楚接收到的信号属于哪一参数的现象，采用查询方式分时来实现无线收发。收发模块PTR2000是无线收发一体化的装置，由于单片机端的PTR2000主要用来发射采集的生理参数，而PC机端的PTR2000主要用来接收采集7的生理参数，故可把它们分别叫做发射装置和接收装置。在系统自检完成之后，若各个部件工作正常，就可以开始对某个生理参数无线监测了，首先把发射装置设置为接收状态来接收监测命令，同时把接收装置设置为发送状态用以发射监测指令；控制程序通过接收装置发出监测该参数后，就把其状态变为接收状态来接收监测到的数据；发射装置接收到指令后传给单片机，单片机根据指令转入对应参数的监测子程序开始监测，同时把发射装置设置为发射来发射监测到的数据；这样单片机控制监测到的数据通过发射装置、接收装置传给PC机进行处理。对一个参数监测结束后，接收装置的状态又设置为发送状态用以发射监测指令、发射装置的状态又设置为接收状态来接收指令，由程序控制开始下一个参数的监测过程。这样保证了系统对生理参数的无混淆监测，该过程通过软件编程实现。3系统软件设计根据系统的设计要求，将系统软件划分为单片机端软件和PC机端软件两部分进行设计。3.1单片机端软件单片机部分的软件用80C51单片机汇编语言开发，其主要作用是采集数据、控制PTR2000发射和接收数据，可以分为以下几个模块：自检模块、发射模块和数据采集模块。单片机的主程序流程图如图4所示。8图4单片机端主程序流程图3.2PC机端软件PC机端软件主要包括用VB实现的串口通信、监测数据的显示和SQLServer数据库的访问。采用VB语言进行编程，是因为在RS-232串口通信方面，VB提供的MSComm控件功能强大，可以设置串行通信的数据发送和接收，对串口状态、信息格式和协议进行设置。MSComm控件具有两种处理方式：事件驱动方式和查询方式。事件驱动方式由MSComm控件的OnComm事件捕获并处理通信错误及事件；查询方式是通过检查CommEvent属性的值来判断通信错误及事件[4]。在本系统中采用的是事件驱动方式。基于以上几个程序模块的设计，本软件实现了对生理参数的采集、发射接收以及稳定显示等功能。4结束语9生理参数无线传输系统的应用在体育训练、网络化医疗、远程监护等方面具有很大的社会效益。在完成本系统软、硬件调试后，对若干对象进行的监测证实本系统稳定可靠，使用灵活方便。参考文献：[1]AnalogDevices.AD590DataSheet.[2]沈翠凤.光电式智能心率检测仪.盐城工学院学报.2002.6[3]PTR2000产品资料.哈尔滨讯通科技[4]彭珲,罗强,等.VisualBasic程序设计教程.北京:清华大学出版社.2004