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毕业设计报告-便携式人体健康监测系统设计本科生毕业设计报告 便携式人体健康监测系统设计 姓 名：_ 专 业：自动化 指导教师：_讲师 2021年05月 论文题目：便携式人体健康监测系统设计 学科专业：自动化 申请人：_ 指导教师：_讲师 摘 要 随着现代人生活节奏的加快以及生活质量的提高社会经济和工业的发展人们潜在的病发症状也越来越多。所以人们对自身的健康状况越来越关注希望能随时随地的进行了解以至于出现问题时能及时去医院就医。但是人们不希望把时间都浪费在医院里。因此一些体积小的便携式健康检测装置成为了人们的首选比如：体温表、电子血压计等。但是这些装置功能单一如果想对多种健康指标进行检测那就给人们带来了一些不必要的麻烦。因此本设计对多种人体信号进行检测减少使用者的麻烦。 该系统以51系列单片机作为主控制核心由单片机最小系统、体温模块、血压模块、脉搏模块、显示模块、报警模块等组成。能实现体温测量、血压测量和脉搏测量等功能在检测值超出限定值时报警提示。 最后搭建便携式人体健康监测系统实验平台在此平台之上进行了实验。并对所开发的便携式人体健康监测系统进行了性能测试。经过实验结果表明该系统可以实现对人体健康参数体温、血压、脉搏的测量能及时的向人们反映自身的健康状况。同时在人们的健康参数出现非正常状态时还能及时的起到警示作用让人们能及时去医院就诊。 关 键 词：体温测量；血压测量；脉搏测量；单片机AT89C52 论文类型：工程设计 Title: Design of Detecting System Based on Portable Health Indicators Speciality: Automation Applicant: Wei Ma Supervisor: Lecturer. _iaojuan Wei ABSTRACT With the accelerated pace of modern life and the improvement of quality of life, socio-economic and industrial development, People are also more likely to suffer from symptoms. So people are increasingly concerned about their own health status, hoping to understand anytime, anywhere, so that when have problems can be timely to the hospital for medical treatment. But people do not want to waste time in the hospital. So some small size of the portable health detection device has bee the first choice, such as: thermometer, electronic sphygmomanometer and so on. However, these devices function single, if you want to test a variety of health indicators, it gives people some unnecessary trouble. So the design of a variety of human body signal detection, reduce the user"s trouble. This system uses 51 series microcontroller as the main control core by microputer system, Consists of temperature module, blood pressure module, pulse module, display module, alarm module. To achieve the measurement of body temperature, blood pressure measurement and the pulse measurement function, the detection value exceeds the limit alarm. After building the portable human health monitoring system experimental platform. Experiments were carried out on this platform. And do a test for human health monitoring system. Experiments show that the system can achieve the measurement of body temperature, blood pressure and pulse of human health parameters, and can reflect the health status of people in time. At the same time, When people"s health parameters appear abnormal state, they can also play a warning role in time, so that people can go to the hospital in time. Let people go to the hospital in time. KEY WORDS: Temperature measurement ; Blood pressure measurement ; Pulse measurement ; Single chip AT89C52 TYPE OF THESIS: Engineering Design 目 录 1 绪论 1 1.1 研究目的和意义 1 1.2 国内外研究现状 1 1.2.1 国外研究现状 1 1.2.2 国内研究现状 2 1.3 本课题的主要研究内容 3 1.4 论文的内容安排 3 2 便携式人体健康监测系统总体设计 5 2.1 系统主要功能 5 2.2 系统各个模块方案确定 5 2.2.1 体温检测模块方案确定 5 2.2.2 血压检测模块方案确定 6 2.2.3 脉搏检测模块方案确定 6 2.2.4 显示方案确定 6 2.2.5 按键方案确定 7 2.2.6 报警方案确定 7 2.3 系统总体设计 7 3 便携式人体健康监测系统硬件设计 8 3.1 单片机最小系统 8 3.2 体温测量模块设计 9 3.3 血压测量模块设计 9 3.4 脉搏测量模块设计 10 3.4.1 光电传感器工作原理 10 3.4.2 脉搏信号采集电路 10 3.4.3 脉搏信号处理电路信号 11 3.5 显示电路设计 12 3.6 按键电路设计 13 3.7 报警电路设计 13 4 便携式人体健康监测系统软件设计 15 4.1 系统主程序设计 15 4.2 系统子程序设计 16 4.2.1 体温测量子程序设计 16 4.2.2 血压测量子程序设计 16 4.2.3 脉搏测量子程序设计 17 4.2.4 按键模块子程序设计 18 5 便携式健康监测系统调试与问题 19 5.1 系统调试方案 19 5.1.1 体温模块调试 19 5.1.2 血压模块调试 19 5.1.3 脉搏模块调试 20 5.2 系统调试中遇到的问题及解决方法 21 6 便携式人体健康监测系统测试结果分析 22 6.1 测试方案 22 6.2 测试数据 22 6.2.1 体温测量数据记录及分析 22 6.2.2 血压测量数据记录及分析 22 6.2.3 脉搏测量数据记录及分析 23 6.2.4 数据测试误差率记录分析 23 6.3 结果分析 24 7 结论与展望 25 7.1 总结 25 7.2 展望 25 参考文献 26 附 录 27 致 谢 41 章的MathType的章标记（打印前将其字体颜色变为白色在打印预览中看不见即 1 绪论 1.1 研究目的和意义 近些年来由于社会经济和工业发展以及国际贸易之间的来往虽然经济发展越来越快但是带来的问题也越来越多各种病毒和病发症状也越来越频繁。这也让人们对自己的健康情况开始重视为了更方便的帮助人们了解自己的健康情况能让人们在出现身体健康问题时及时的得到相应的治疗。本设计就提出便携式身体健康监测系统用于个人自主的随时随地可以了解自己的健康状况以防治各种病毒扩散。同时该设计还以实用性、经济性、可靠性与方便携带性为设计目标期望能达到大众化需求的商业目标。 一般而言生命机能常以体温、血压、脉搏等为主这些生命机能显示着我们个体的正常生命状态一旦这些生命机能出现非正常状态时通常也代表人体的健康出现了一些异状就需要进行进一步的检查。一般来言大多数的病毒都会带来一个明显的身体机能变化状态那就是发烧体温上升脉搏紊乱血压不稳等等。拿 20_年SARS扩大传染期间来说发烧就为病毒传染的主要症状以公共卫生病理学来说体温对于控制病毒传染极为重要。本设计系统将针对体温、血压、脉搏进行检测当生理机能有一定程度超出正常状况时提出适当警示让使用者更了解自身生理健康状况也能给医生提供诊断时的初步依据。 人体主要生理信号一般有：脉搏、呼吸、血压、体温等。人体的这些生理信号一旦出现问题也代表人的身体状况出现了问题。测量人体生理信号技术就是要应用现代科学技术研究各种人体生理信号通过有创或无创的方法获得各种信息加以分析、综合和研究服务于临床1。人体的不同生理信号代表这不同部位的健康状况这些生理信号在医学中起着很重要的诊断作用。将生理参数检护从大型医院扩展到社区医院以及患者家中是很有意义的。人体生理信息种类繁多脉搏信号（Pulse wave）能反映人体心脏器官和血液循环系统的生理变化在临床健康观察和疾病诊断中十分重要并且从生命信息科学的角度也具有重要的研究价值。所以设计一个便携式的人体健康监测系统能有效的帮助人们了解自己的健康状况也能在医生的诊断中起到很大的帮助。因此本文设计的目标是具有便携式特点的人体生理信号监测系统。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 在国外一种以传感器网络构成的人体生理信号监测仪器得到了迅速的发展。这种传感器网络散布于一种人体可穿戴的表面看起来很普通的衣服。当人们穿着这种特 制衣服的时候他们的人体生理信号通过无线的方式传输到PC系统中PC系统可以对人体的状态进行无间断的记录。当人体出现异常状况的时候PC系统会发出报警信号。如果需要远程监控可以将监测到的信号通过局域网传输到Inter上。但是这种传感器网络构成的人体生理信号监测仪器并没有在医疗领域得到广泛的应用。所以数字健康革命仍然停滞不前虽然科技巨头纷纷涉足该领域诸如Apple Health、Google Fit的产品接连诞生但在真正的医疗用途上依然没什么进展。Fitbit、Jawbone等可穿戴设备可以测量用户的步数和心率但不能进行深入诊断诸如生物标记（可作为严重疾病的早期预警）的东西。目前那些想要准确排查疾病或者检查身体状况的人还是需要到医院去所以能用到医学上的数字设备仍然还处于发展阶段我们只能开发出基础的生理信号检测设备以更好的帮助医生起到初步诊断的作用2-3。如图1-1健康监测服装图所示。 图2-1 健康监测服装图 1.2.2 国内研究现状 目前中国在便携式人体健康检测仪器方面也有一定的研究为了能更方便的检测到人体的健康状况各科研公司也开发出了相应的仪器。比如：小米手环、中医经络检测仪、腕式血压电子仪等。但是国内数字健康的科研、生产与国际先进水平相比还存在一定的差距我们虽然在医疗建设方面做出了很多努力但是大多数高、精、尖的监护设备依旧依赖于国外进口而且价格比较昂贵普通家庭根本无力购买严重影响了数字健康仪器在我国的应用和推广。 最近几年由于中国老龄化步伐的加快各种以传感器网络构成的便携式健康检测仪器出现人们希望能实现个人“个人社区医院”一线式健康服务。但是由于这种健康便携式的检测仪器发展的并不理想所以这种传感器网络构成的人体生理信号监测仪器并没有在医疗领域得到广泛的应用也不能被大多数人认可。如图1-2智能电子血压计图所示。 图12 智能电子血压计图 1.3 本课题的主要研究内容 近些年来随着中国老龄化的速度加快用在医疗方面的费用也是居高不下出现在医疗方面的问题也越来越多。本文所设计的这套检测系统可以同步采集人体的体温信号、血压信号和脉搏信号并通过液晶显示器显示出数据信息。主要内容为以下几个部分： （1）如何进行人体健康参数的信息采集；想要了解人体的健康参数那么就要首先想办法检测到人体的这些参数。 （2）如何对采集的信号进行封存和处理；检测到了这些健康参数接下来的就是要对这些数据进行分析和处理。 （3）如何在参数超过健康范围时进行报警提示；该设计不只是为了检测这些数据主要的目的是能及时为人体做到提示作用让人们能更好的了解自己的健康状况。所以超限报警也是一个主要的问题。 1.4 论文的内容安排 第一章绪论 主要研究了课题的背景和意义便携式人体健康监测系统国内外研究现状以及发展现状等。 第二章便携式人体健康监测系统总体方案设计对各个模块方案进行比较分别对各种方案的优势和劣势进行分析之后然后进行便携式人体健康监测系统平台的总体结构和方案设计。 第三章便携式人体健康监测系统硬件设计。通过传感器选型、信号采集模块、信号调理模块的设计搭建便携式人体健康监测硬件平台。 第四章便携式人体健康监测系统软件设计。通过对各个模块的软件程序编写系统能实现体温检测、血压检测和脉搏检测等功能。 第五章便携式人体健康监测系统调试与问题。搭建好平台并进行焊接后对各个模块进行检查查看是否有漏焊和虚焊的情况存在通电后能不能正常工作。 第六章便携式人体健康监测系统测试结果分析。在系统没有问题的情况下进行通电测试收集测试数据进行分析处理验证控制系统的准确性。 第七章结论与展望 对本文的主要研究工作和结论进行了总结并就所发现的问题提出进一步的改进方法。论文整体如图1-3论文结构图所示。 图13 论文结构图 2 便携式人体健康监测系统总体设计 2.1 系统主要功能 本设计主要用来检测人的体温、血压和脉搏参数然后通过液晶显示出来。体温检测采用温度传感器DS18B20进行检测血压检测采用电容式压力传感器SENSOR进行检测脉搏检测采用光电传感器ST188进行检测显示模块用数码管或者是集成的液晶进行显示。整体的控制和数据处理用51系列的单片机。本系统的功能主要包括测量体温、测量血压、测量脉搏、数据显示、按键控制等。 (1) 测量体温除了测量人体的正常体温外还可以进行温度上下限的设定超出限定范围时报警提示。 (2) 测量血压除了测出人体的舒张血压和收缩血压外还可以设定血压的上下限在出现超出范围的时候能报警提示。 (3) 测量脉搏主要实现对人体脉搏的测量。 (4) 数据显示能实时的将测量出来的各数据显示出来。 (5) 按键控制主要用来控制系统的上电、复位以及对上下限的调节。 2.2 系统各个模块方案确定 2.2.1 体温检测模块方案确定 方案一：利用水银的热胀冷缩原理制作简易的测温工具对体温进行检测。 方案二：采用数字的温度传感器DS18B20进行体温测量。 方案确定：方案一主要是利用水银的热胀冷缩原理来对人体的体温进行测量不需要模数的转换就能直接的测量到人体的体温但是要把数据传输到单片机相对的比较麻烦而方案二是利用集成的数字温度传感器便于携带而且在数据传输时更加的方便。 体温模块采用体温传感器DS18B20来测量人体的体温。在该设计中人体的体温是非电量的模拟信号这里采用DS18B20传感器可以将人体模拟的体温信号进行处理然后转化为数字信号来和单片机进行交换。DS18B20数字温度传感器只有一根信号线和单片机进行数据交换处理。读 、写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。首先向传感器发出ROM指令然后发送温度转换指令最后向温度传感器发送读温度指令。当检测到温度的二进制值时还需要将二进制的温度信息转化为ASCII码值进行显示。 2.2.2 血压检测模块方案确定 方案一：采用水银台式血压计采集人体的血压再通过模数转换进行和单片机的数据传输。 方案二：采用电容式的压力传感器SENSOR采集人体的血压信号直接和单片机进行数据传输。 方案确定：方案一虽然也可以测量出人体的血压但是在和单片机进行数据传输显示时还需要进行模数转换而且相对的价格昂贵不方便携带。而方案二电容式压力传感器中自带模数转换不需要进行模数转换价格便宜而且小巧轻便。 血压测量目前主要是采用一些血压测量仪器进行测量本设计中采用电容式压力传感器SENSOR。传感器将袖带采集的人体血压信号转换为电信号再传输给单片机进行处理。电容式压力传感器主要是由四个或非门组成。该传感器不需要进行模数转换主要是将人体血压的频率值和基准压力频率作比然后转化为电信号进行输出从而得到人体的血压值。 2.2.3 脉搏检测模块方案确定 方案一：采用压电陶瓷式压力传感器对人体的脉搏进行测量通过单片机的中断技术记录脉搏的次数。 方案二：采用光电传感器ST188对人体脉搏信号进行检测采集将采集到的信号经过芯片LM324后放大然后传输到单片机利用中断进行脉搏次数的累计。 方案确定：虽然方案一和方案儿都能够实现对人体脉搏的测量但是由于人体的脉搏信号相对微弱而且还存在着外界的干扰。所以本设计采用方案二因为光电传感器先对于其他的传感器对于外界的抗干扰能力更强测出来的脉搏也更加的准确。 近几年来测脉搏的方法有不少主要有压电式、光电式、液体耦合式、压阻式等。在该设计中主要采用光电式传感器进行测量因为光电传感器简单易用而且还有较强的抗干扰能力。用光电传感器测量脉搏主要是利用血液对光的透射原理光电传感器主要由发光二极管和光敏二极管组成。当手指的血液同过发光二极管的透射衰弱再由光敏二极管接收这样就可以反映出脉搏的周期性变化但是由于测到的脉搏信号很微弱而且在测量过程中还可能存在着外界的干扰所以要对它进行线性放大和滤波。 2.2.4 显示方案确定 方案一：采用八段数码管和单片机连接进行显示功能。 方案二：采用集成的液晶显示和单片机连接进行显示功能。 方案确定：方案一中八段数码管价格便宜只需要简单的驱动芯片但是显示的信息量少。方案二中液晶模块虽然价格稍贵需要占用的I/O口较多但是显示的信息量多能同时显示体温、血压、脉搏值所以本设计采用方案二。 2.2.5 按键方案确定 方案一：采用独立式按键与单片机的I/O口连接进行指令的发送。 方案二：采用4x4矩阵式键盘与单片机I/O连接进行指令的发送。 方案确定：方案一中按键的特点是每个按键都会占用一个I/O口每个按键之间都互不影响而且全部采用端口的直接扫描方式控制相对简单编程容易。但是占用的I/O口会增多。方案二中采用行列式的扫描方式对I/O口的占用较少。考虑到本设计中所需的按键少所以本设计采用方案一。 2.2.6 报警方案确定 方案一：采用语音提示的报警电路当检测值超限时进行语音报警。 方案二：采用声光报警电路当检测值超限时用蜂鸣器和发光二极管警醒报警。 方案确定：方案一相对的更加适用于该设计系统但是考虑到语音报警电路价格高而且设计相对困难所以本设计采用方案二。 2.3 系统总体设计 本系统以51系列单片机为主要控制核心以体温模块、脉搏模块、血压模块、液晶显示模块、报警电路、键盘电路为主要的模块单元。 本系统设定三种工作方式：脉搏检测体温检测血压检测。本设计中采用DS18B20数字温度传感器进行温度测量测得的数据如果超过限定值则报警。脉搏测量采用光电传感器将采集到的脉搏信号转换成单片机可以接受的电信号。脉搏每跳动一次就产生一个脉冲让单片机产生一个中断每中断一次就进行一次计数每分钟进行一次采样进行统计脉搏数。血压利用电容式传感器SENSOR进行测量如果血压超限则报警。 该方案可以有效的测量体温、血压、脉搏这些参数能够达到系统设计的各项指标设计方案是切实可行的。如下图2-1系统总方案框图所示。 图2 -1 系统总体方案框图 3 便携式人体健康监测系统硬件设计 3.1 单片机最小系统 单片机最小系统主要包括AT89C52单片机晶振电路复位电路电源电路。AT89C52单片机是核心部分主要负责数据的运算D/A或A/D的转换寄存器的数据存储和交换等。复位电路起到复位重启的作用当单片机运行出现问题时按复位键可以使单片机重新运行工作。晶振电路为单片机提供运行时的时钟频率频率越高单片机运行速度越快所以晶振电路的作用非常重要4-7。如图3-1单片机最小系统图所示。 图31 单片机最小系统图 电源电路主要提供上电的作用由一个电源插口和一个自锁开关组成。插口提供+5V电源正端给单片机和所需的部分供电两个接地端接地。 自锁开关的识别方法：在按键的下方有一个小孔以这样的排列为基准小孔在1、4脚的中间。1、2和4、5是常开触点2、3和5、6是常闭触点。开关按下1、2和4、5导通2、3和5、6断开；开关弹起1、2和4、5断开2、3和5、6导通。在电路中我们随意接一组就可以实现电路的控制。如图3-2电源电路接线图所示。 图32 电源电路接线图 3.2 体温测量模块设计 体温模块主要是对人体的体温进行测量测量的是非电量的模拟信号。数字温度传感器DS18B20能进行温度的采集并且内部进行了模数转换不需要外部进行处理所以测量的温度可以直接传输到单片机。 DSl8B20中有两个8位RAM存贮器用于贮存温度值编号为0号和 1号。1号存贮器存放温度值如果温度为负则1号存贮器 8位全为1否则全为0。0号存贮器用于存放温度值的补码最低位。 将存贮器中的二进制数求补码再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值(-550125 )。测量的温度经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出。 DSl8B20数字温度计提供9位(二进制)温度读数。因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线(和地线)。每只DS18B20都可以设置成两种供电方式即数据总线供电方式和外部供电方式。 采取数据总线供电方式可以节省一根导线但完成温度测量的时间较长；采取外部供电方式需要多用一根导线但测量速度较快8-10。如图3-3温度采集电路图所示。 图33 温度采集电路图 3.3 血压测量模块设计 血压测量模块用来测量人体的血压值系统采用电容式压力传感SENSOR对人体血压进行测量该压力传感器能检测到人体血压压力然后将压力所对应的频率经过转换从而得到人体的血压值。 SENSOR是利用压力的比值从而进行测量的用外部连接的袖带将人体的血压值进行采集然后将血压的压力值传输给压力传感器SENSOR。在SENSOR内部有一个内部真空参比值(基准值)当检测到外部压力时将基准值和该值作比因此可直接输出一个与绝对压成比例的电信号。然后压力传感器将这一信号输送到单片机进行处理。 SENSOR共有8个外围引脚其中5个为空脚。可用于测量绝对压、差力压和表力压范围从1PSI到100PSI工作电压为正5伏。由+VCC脚引入正5伏电压DATA为数据输出脚将所测量得到的数字电压信号传送到单片机的P3.4脚SENSOR的地脚为GND脚接地。因此只需要将传感器的输出脚DATA连接到单片机的P3.4脚上即可11-12。如图3-4血压采集电路图所示。 图34 血压采集电路图 3.4 脉搏测量模块设计 3.4.1 光电传感器工作原理 脉搏测量模块用来对人体的脉搏进行检测该系统采用光电传感器ST188对人体的脉搏进行测量它能将采集到的脉搏信号经过放大和比较后传输到单片机然后单片机通过中断的方式进行计数从而实现对人体脉搏次数的测量。 ST188光电传感器由发光二级管和光敏二极管组成其工作原理是：发光二极管发出的光透射过手指经过手指组织的血液吸收和衰减由光敏二极管接收。由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化所以它对光的吸收和衰减也是周期性脉动的于是光敏二极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化13。 3.4.2 脉搏信号采集电路 脉搏信号的采集如图3-5脉搏信号的采集电路图所示。当手指放在光电传感器上时会有两种情况：一是无脉搏。虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光但是由于红外接收三极管中存在暗电流会造成输出电压略低。二是有脉搏。当有跳动的脉搏时血脉使手指透光性变差红外接收三极管中的暗电流减小输出电压上升。但该传感器输出信号的频率很低因此采集的信号先经C4、R11滤除高频干扰再由耦合电容C5、C6加到线性放大芯片LM324输入端。 图35 脉搏信号采集电路图 3.4.3 脉搏信号处理电路信号 (1) 信号放大电路设计 按人体脉搏在运动后跳动次数达200次/分钟的计算来设计低通放大器。R23、C6组成低通滤波器以进一步滤除残留的干扰截止频率由R23、C6决定运放U3将信号放大放大倍数由R23和R27的比值决定14-15。如图3-6信号放大电路图所示。 图36 信号放大电路图 根据一阶有源滤波电路的传递函数可得式（3-1）、（3-2）、（3-3）如下所示： （3-1） 放大倍数为： （3-2） 截止频率为： （3-3） 按人体的脉搏跳动为200次/分钟时的频率是3.3 Hz考虑低频特性是令人满意的。 (2) 信号比较电路设计 U2C是一个电压比较器C11、R29构成一个微分器U2A和C7、R32组成单稳态多谐振荡器其脉宽由C7、R32决定。当有输入信号时U2A在比较器输入信号的每个后沿到来时输出高电平使C7通过R32充电。大约持续20ms之后因C7充电电流减小而使U2A同相输入端的电位降低到低于反相输入端的电位（尖脉冲已过去很久）。于是U2A改变状态并再次输出低电平。脉冲是与脉搏同步的并由红色发光二极管DS3的闪亮指示出来。即发光二极管作脉搏测量状态显示脉搏每跳动一次发光二极管就亮一次。同时该脉冲电平通过R24送到单片机INTO脚进行对心率的计算和显示16-17。如图3-7信号比较电路图所示。 图37 信号比较电路图 3.5 显示电路设计 显示电路是用来显示系统的状态命令或采集的电压数据。本系统显示电路采用的是16×2的字符型LCD液晶模块SMC1602A。 SMC1602A点阵图形式液晶由M行×N列个显示单元组成假设LCD显示屏有64行每行有128列每8列对应1个字节的8个位即每行由16字节共16×8=128个点组成屏上64×16个显示单元和显示RAM区1024个字节相对应每一字节的内容和屏上相应位置的亮暗对应。一个字符由6×8或8×8点阵组成即要找到和屏上某几个位置对应的显示RAM区的8个字节并且要使每个字节的不同的位为1其它的为0为1的点亮为0的点暗这样一来就组成某个字符。 该液晶以HD44780为主控制器是一个功能较强的指令集能显示字符的移动闪烁等功能与单片机通讯可采用8位或4位并行传输两种方式本设计中管脚连接方式为D0-D7分别与单片机P1.0-P1.7连接18。如图3-8显示电路接线图所示。 图38 显示电路接线图 3.6 按键电路设计 键盘是实现人机对话的设备利用键盘可以对系统进行参数设定发出指令等。按键电路主要有两种一种是独立的按键方式另一种是4×4的矩阵式键盘。本系统中因为只用到3个按键所以采用独立式的按键电路。 独立按键采用的是端口的直接扫描方式按键只起到简单的通断状态（0或1）扫描和识别由用户的按键程序实现。 其中S1键是体温上限调节键S2键为体温下限调节键S3为上下限选择键。因键盘数目很少所以采用按键与单片机的I/O口直接连线的方法连接。如图3-9按键电路接线图所示。 图39 按键电路接线图 3.7 报警电路设计 报警电路主要起到提醒作用如果测量的数值超出限定范围就报警如果在限定范围内则不会报警。 报警电路由二极管与电阻相连再加一个蜂鸣器如果报警则二极管发光蜂鸣器发出蜂鸣声蜂鸣器的报警主要由三极管控制该三极管为PNP型正常工作时电压差为Ue>Ub>Uc当单片机给出一个低电平时三极管导通存在电压差蜂鸣器报警当单片机给出高电平时不存在电位差三极管截至蜂鸣器不报警。其中报警的时限可以编写程序进行控制本设计中报警电路与单片机P1.4管脚相连19-20。如图3-10报警电路接线图所示。 图320 报警电路接线图 4 便携式人体健康监测系统软件设计 4.1 系统主程序设计 主程序设计如图4-1主程序流程图所示首先对系统和各个模块进行初始化然后对键盘进行读取如果有键按下则进入相对应的模块进行处理。如果按下复位按键那么对系统进行复位并重新进行初始化如果没有复位按键按下看看模块调整按键是否按下如果按下就进入相应的模块进行参数上下限的调整要是没有就继续执行进行体温、血压、脉搏的测量然后显示结果显示后就结束测量。 图41主程序流程图 4.2 系统子程序设计 4.2.1 体温测量子程序设计 体温检测子程序设计如图4-2体温检测流程图所示由于单片机与DS18B20采用单总线模式所以编程时严格按照DS18B20的读写时序。首先对DS18B20进行初始化先发出ROM指令再发出RAM指令再发体温转化指令单片机这时读取体温值如果超限进行报警提醒如果没有超限则将体温值显示出来。 图42 体温检测流程图 4.2.2 血压测量子程序设计 血压检测子程序设计如图4-3血压检测流程图所示首先对血压传感器进行初始化然后电路工作给袖带打气对人体的血压进行采集。采集到的血压值传输到传感器和基准值进行比较得出人体的血压值再传送给单片机经过液晶显示出具体的数值。 图43 血压检测流程图 4.2.3 脉搏测量子程序设计 脉搏子程序设计如图4-4检测流程图所示检测脉搏采用中断完成每次中断对脉搏数进行加1完成对脉搏数的计数。脉搏检测子程序利用单片机中的两个定时计数器进行1分钟延时检查脉搏数为多少如果超限则报警提醒使用者注意脉搏数。没有超限的话通过单片机内部的处理程序将脉搏数转换成BCD码再通过液晶显示模块进行脉搏数的显示并将脉搏数清0。 图44 脉搏检测流程图 4.2.4 按键模块子程序设计 按键电路子程序设计如图4-5按键电路流程图所示：本系统采用按键组成的独立键盘。键盘程序的编写有查询方式和中断方式两种。采用查询方式时单片机一直在查询有没有键被按下不能做其他的事情如果单片机采用这种方法工作效率会很低。为提高单片机的工作效率本系统采用外部中断的方式（扩展的外部中断）查询按键是否被按下。 图 45 按键电路流程图 5 便携式健康监测系统调试与问题 5.1 系统调试方案 系统的调试在设计中是很重要的有时候一个小小的错误就会导致整个设计都无法正常运行或烧坏器件。当焊接好整个实物后先不要急着通电去试首先对照电路图检查所有的器件和借口是否有漏焊和虚焊。要是没有然后再进行通电通电后检查各个器件会不会有发烧的症状要是有那就是电路中有短路情况。等这些都检查完毕了再对各个模块进行检查用万用表先测各个模块是否都有电压要是有那就都是正常的要是没有那就是电路的焊接有问题就马上断电再仔细检查电路。 5.1.1 体温模块调试 检查完焊接问题后进行通电。通电后单片机没有出现发烧情况电路中没有虚焊、漏焊以及短路情况。用温度传感器对体温进行测量液晶正常显示温度。然后调节温度的上下限在超出限定值后看蜂鸣器是否报警。调试过程如图5-1体温模块调试所示。 温度上限 实测温度 温度下限 三极管 自锁开关 蜂鸣器 LM324 光电传感器 图51 体温模块调试图 5.1.2 血压模块调试 血压模块焊接问题检查后对模块进行通电因为血压模块不在主板上所以通电用到了排针在通电后仔细检查排针的接口是否都接好电是否通过。要是没有电 流通过那么就可能是排针没有插好或者焊接没焊好。通电问题解决后用袖带检测血压看气泵和电磁阀是否都正常工作如果正常就进行血压的检测如果液晶正常显示血压值则该模块正常。调试过程如图5-2血压模块调试图所示。 收缩压 舒张压 图52 血压模块调试图 5.1.3 脉搏模块调试 检查完焊接问题后进行通电。通电后传感器和单片机芯片等都没有出现发烧情况证明没有短路出现焊接是正确的。然后通过传感器对脉搏开始测量看是否有脉搏值显示要是有那么该模块就没有问题。具体调试过程如下图5-3脉搏模块调试图所示。 脉搏 图53 脉搏模块调试图 5.2 系统调试中遇到的问题及解决方法 在脉搏调试过程中检查完电路通上电后发现电源线有发热的情况这属于短路引起的。所以断掉电之后又重新检查焊接情况果然有焊点连接到一起了。修改后就没有问题了。在体温测量模块调试的时候电路检查完通电后出现了蜂鸣器一直报警的现象因为蜂鸣器是三极管控制的所以用万用表检查了三极管的各脚电压。但是三极管是正常工作的所以应该是软件方面的问题再查看程序时果然单片机给三极管的一直是高电平所以蜂鸣器一直会报警修改后问题就解决了。 6 便携式人体健康监测系统测试结果分析 6.1 测试方案 实物焊接完成通电测试都没有问题后。对整体的功能进行测试记录相应的数据。进行多次测量对记录的数据进行数据分析和处理。看能否在允许的误差范围内测出人体的相关参数如果误差太大就想办法进行改善。 6.2 测试数据 6.2.1 体温测量数据记录及分析 体温数据测量取三个测试对象分别进行三次测量。数据的记录如表6-1体温检测数据表所示。 表61 体温检测数据表 对象一对象二 对象三 次数 实际 测量 实际 测量 实际 测量 1 36.2 36.4 35.4 35.4 36.8 36.6 2 36.2 36.5 35.4 35.6 36.8 36.5 3 36.2 36.4 35.4 35.3 36.8 36.6 根据上表的测量数据对象一、对象二和对象三的体温测量数据和实际的体温数据之间有一定的误差。但是都在可控的误差范围内所以体温的检测正确率相对准确。 6.2.2 血压测量数据记录及分析 血压数据测量取三个测试对象分别进行三次测量。数据的记录如表6-2血压检测数据表所示。 表61 血压检测数据表 对象一对象二 对象三 次数 实际 测量 实际 测量 实际 测量 高 低 高 低 高 低 高 低 高