便攜式多功能實(shí)時(shí)生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

前言
本文利用凌陽(yáng)單片機(jī)設(shè)計(jì)了便攜式多功能實(shí)時(shí)生理參數(shù)監(jiān)測(cè)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(jì)

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(dòng)模快。利用該單片機(jī)作為處理芯片，使得模、數(shù)信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換以及液晶驅(qū)動(dòng)可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，避免了外界信號(hào)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(chǔ)溫度值對(duì)應(yīng)的數(shù)字表示形式，理論精度可達(dá)到0.05℃ ，能實(shí)時(shí)、精確地檢測(cè)到人體溫度的變化，可通過(guò)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(jì)

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(xiàng)

(1)ds18b20從測(cè)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(shí)間，這是必須保證的，不然會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤，使溫度輸出總是顯示85℃。

(2)在實(shí)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(guò)低，會(huì)使所測(cè)得的溫度與實(shí)際溫度出現(xiàn)偏高現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一般在5v左右。

(3)較小的硬件開(kāi)銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)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(duì)ds18b20進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴(yán)格保證讀寫(xiě)時(shí)序，否則將無(wú)法讀取測(cè)溫結(jié)果。

(4)在ds18b20測(cè)溫程序設(shè)計(jì)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(hào)，一旦ds18b20接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該ds18b20時(shí)，將沒(méi)有返回信號(hào)，程序進(jìn)入死循環(huán)，這一點(diǎn)在進(jìn)行ds18b20硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。

zd-3微震動(dòng)傳感器

zd-3微震動(dòng)傳感器是一種有源的高靈敏度微功耗檢測(cè)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(cè)高電平，能實(shí)時(shí)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(cè)傳感器

hk-2000a傳感器是一種主要用在運(yùn)動(dòng)、健身器材上檢測(cè)脈搏的傳感器，以脈沖波的形式輸出。當(dāng)脈搏波動(dòng)一次時(shí)輸出一正脈沖，可將其輸出信號(hào)輸入單片機(jī)，檢測(cè)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(diǎn)陣的漢字圖形液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國(guó)標(biāo)gb2312碼簡(jiǎn)體中文字庫(kù)(16×16點(diǎn)陣)、128個(gè)字符(8×16點(diǎn)陣)及64×256點(diǎn)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(huà)面移位、睡眠模式等。配合1×4鍵盤(pán)可實(shí)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(duì)話，能實(shí)時(shí)顯示各種生理參數(shù)值。

報(bào)警模塊

利用凌陽(yáng)單片機(jī)內(nèi)部的語(yǔ)音功能，采用軟件控制，當(dāng)參數(shù)超過(guò)閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)輸出一高電平，用以驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，這樣更容易提醒鍛煉者。
呼吸氣流溫度檢測(cè)模塊

為了減少熱惰性帶來(lái)的誤差，準(zhǔn)確地測(cè)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(shí)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(hào)由前置放大器放大后，通過(guò)一個(gè)4.84hz低通濾波器，再變換為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)和菜單操作。利用c61(類似于c語(yǔ)言的凌陽(yáng)單片機(jī)編程語(yǔ)言)及匯編語(yǔ)言編寫(xiě)軟件，在液晶顯示屏上實(shí)時(shí)顯示各種生理參數(shù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用flash， 這樣，在更換儀器電池時(shí)不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。所有測(cè)量參數(shù)均可設(shè)定上、下報(bào)警閾值，當(dāng)任一參數(shù)超過(guò)閾值時(shí)都能發(fā)出聲、光報(bào)警。根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，可以利用消聲鍵停止報(bào)警。儀器進(jìn)入工作狀態(tài)后，主程序首先完成對(duì)液晶顯示屏的初始化，然后進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)。由于呼吸阻抗信號(hào)具有基線漂移現(xiàn)象，因此，在軟件設(shè)計(jì)中采用一種變化中值檢測(cè)法對(duì)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(diǎn)作為本次呼吸周期的檢測(cè)點(diǎn)，這樣即可克服在正常檢測(cè)電壓范圍內(nèi)的基線漂移現(xiàn)象所帶來(lái)的漏檢情況?！?br>
數(shù)據(jù)采集部分

生理參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)傳感器進(jìn)行。在測(cè)量人體溫度時(shí)，由于體溫在鍛煉時(shí)的變化比較緩慢，因此，主要運(yùn)用軟件定時(shí)中斷的方法進(jìn)行檢測(cè)。在檢測(cè)步數(shù)和脈搏等參數(shù)時(shí)，主要記錄的是頻率，只需采用軟件計(jì)數(shù)就可以，根據(jù)檢測(cè)到的高電平，計(jì)數(shù)器進(jìn)行自加運(yùn)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(dòng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)顯示功能的實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上就是對(duì)ocm4x8c液晶顯示模塊的驅(qū)動(dòng)編程。本文按照結(jié)構(gòu)化的編程思想，利用c61語(yǔ)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(dòng)程序不在此詳述。

結(jié)語(yǔ)

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