基于复合传感器的人体健康监测系统设计

丁青锋，王丽姚(华东交通大学电气与自动化工程学院，江西南昌330013)摘要：针对传统血压脉搏和体温测量方式效率低和操作繁琐的问题，设计了基于复合传感器的人体健

康监测系统。系统以STCC52单片机为核心，分别使用电容式压力传感器和温度传感器测量人体血压 脉搏和体温，避免了传统测量方式下因为人的主观因素影响测量结果的问题。测量结果由液晶显示器直 观显示，当测量结果超出正常范围时，报警提示用户生理指标异常。系统设计具有简便实用、易操作、低成

本等优点,为监测身体健康状况提供了极大的便利。关键词：单片机；血压脉搏测量；压力传感器；体温测量中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1000-9787(2019)11-0082-03Design of human health monitoring system based on

compound-sensors *DING Qingfeng, WANG Liyao(School of Electrical and Automation Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)Abstract: Aiming at the problem of low efficiency and tedious operation of traditional blood pressure, pulse and body temperature measurement mode, a human health monitoring system based on compound sensor is designed・

The system uses STCC52 as core, which uses a capacitive pressure sensor and temperature sensor to respectively

measure blood pressure, pulse and body temperature, which avoids the traditional measure of subjective factors affecting the result of the measurement. The results are displayed by the liquid crystal display. If the results are beyond the normal range, lhe alarm will alert the user・ The system is designed to be convenient, operate easily ,low

cost and so on,which provides great convenience for health monitoring.Keywords: micro-controller unit ( MCU) ； blood pressure and pulse measurement； pressure sensor； body temperature measurement0引言生活节奏加快，生活和工作压力加大，导致人们健康多

1血压检测原理示波法又称测振法，采用充气袖带来阻断动脉血流，由

处于亚健康状态,且在健康意识日益深入的情势下,通过方 便快捷的方式获取人体生理状况成为迫切需求。血压、脉

搏和体温是人体非常关键的生理指标，在临床上通常作为

于动脉血流的脉动，在放气过程中通过压力传感器检测袖

带内动脉血流产生的气压振荡波⑷。示波法测量血压需 要找到脉搏波振幅最大值,其最大值对应于脉搏波平均

值⑸。收缩压和舒张压分别由对应脉搏波最大振幅比 例确定\"，记第一个脉搏波振幅大于0.54m时的血压值为

检查疾病与判断医疗成效的重要依据\"⑵O血压、脉搏和体温的传统测量方式需要人手动操作的 环节较多,且存在测量耗时长效率低的问题。为此,本文设

计利用单片机控制传感器测量生理指标，代替了在传统测

收缩压;记最后一个脉搏振幅大于0.84m时的血压值为舒

张压。量过程中需要手动操作的环节，同时可避免测量结果受主 观因素影响。系统设计选择使用传感器简单，整体系统具 有硬件设计制作简单易实现,成本低廉,功耗低，操作简便 等优点⑶。2系统总体设计基于单片机控制的人体健康监测系统设计以单片机为

核心，其功能为监测人体体温、脉搏和血压生理特征。硬件

系统总体设计图如图1所示。收稿日期=2018-09-20*基金项目：国家自然科学基金资助项目(61501186)；江西省自然科学基金资助项目(20171BAB202001 )；江西省教育厅科研项目(GJJ160501)| |cM Kj：\\2°l9-10-29\\【天才】\\传感器与微系统 11 \\2019-11 \\2Q^41 \\G 919.PS 20191029 11 ：44：56 Time： 20194029 12：24：09丁青锋，等:基于复合传感器的人体健康监测系统设计第11期83|按键选择功能电路|图1硬件系统总体设计3硬件组成模块3.1单片机控制模块单片机控制模块硬件组成包括单片机、晶振电路和复 位电路。单片机控制模块电路图如图2,本文系统选用价格

值变大，输出的频率值变小;反之，输出的频率值将增大。SensorlOl传感器输出特性如表1所示。单片机可使用内部

较低且性能强大的STCC52单片机。U1P1.0 pi.iP1.2c o 1 VC2PO. 3PO. PO.4 PO.5PO. 6PO. 7PO. POP

定时器进行同步计数得到压力传感器输入的频率值表1 SensorlOl传感器输出特性Pm压力典型输出频率血压/kPa08气 JE/mmHg0频率Au/kHz12001080960间隔值/kHz0P1.5P1.6P1.7 RESET P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7RD X2XI GND6012018012024016243240一 一.A/VTN卩ALE

PSE7

6p2. p2. 5p2. 4p2. fr3fr-2

840720600360480600240300血压脉搏测量过程首先需要对袖带进行充气操作，测

—-O

量结束后,需要进行放气，袖带充气需要用到气泵,充气电

路图如图4(a)所示，放气需要使用电磁阀，电磁阀电路图

图2单片机控制模块电路如图4(b)所示。STCC52单片机共有40个引脚，系统设计用到的引 脚及功能如下：1)40引脚连接+5 V电源VCC输入端，为单

片机工作提供电源;20引脚接地。2)19引脚和18引脚连

P2.1 竺 /\"IKLqi气泵 P2.0 R4—m 电磁阀\\Q2接外部晶振，为使系统运行速度较快，系统选用24 MHz夕卜

部晶振。3)9引脚是单片机的复位信号端，系统采用按键

lOkfl—(a)充气电路图4iom2(b)放气电路充/放气电路复位。4)P0 口为8位双向I/O 口，连接上拉电阻与液晶屏 连接。5)P1 口、P2 口、P3 口为准双向输入输岀端口，用作

3.3体温测量模块外部设备与单片机之间的信号传递，例如系统使用引脚

P2.0控制电磁阀释放袖带内的空气，使用引脚P2.1控制 气泵向袖带充气。3.2 血压脉搏测量模块为了简化电路，减低复杂度，系统设计采用接触式测量

方式⑼，选用较为简单的DS18B20温度传感器来监测人体

体温。本系统设计中DS18B20温度传感器选用电源供电方

式，即传感器的VDD引脚与电源相连，GNG接地。

血压脉搏测量模块主要是由SensorlOl电容式压力传

DS18B20温度传感器测量得到的温度值通过单片机P 3. 7

口传送给单片机控制模块。3.4报警显示模块感器J4HC02芯片和充放气装置构成,SensorlOl传感器和

74HC02芯片完成对血压和脉搏的测量任务，电路图如图3 所示。SensorlOl电容式压力传感器在电路中相当于一个

由于设计中需要显示的字符较多，因此选用LCD1602

可变电容。SensorlOl传感器输出的信号为数字信号，不需

液晶显示器。单片机将显示指令和显示内容通过P0 口传

要经过A/D转换，电路图设计简单。74HC02芯片实现4路

2输入或非门功能。输给液晶显示器。当系统测得的血压、脉搏、体温超出正常范围时，蜂鸣

SensorlOl传感器输岀的频率值与所受的压力值呈反 器发出报警声音,提示被测者生理指标异常。当测得到的 生理指标超岀正常范围时，单片机端口 P1.3输出低电平

比例关系，即当受到的压力变大时，极板间距离变小，电容I |cM Kj：\\2019-10-29\\【天才】\\传感器与微系统 1l\\2019T1\\2Q^41\\G919.PS 201 射029 11 ：44：56 Time： 20194029 12：24：11传感器与微系统频率波形通过引脚P3.5输入到单片机。84第38卷时，三极管导通，蜂鸣器发出声音；端口 P1.3输出高电平 时，三极管截止，蜂鸣器不发声。程序中改变单片机P1.3 引脚输出波形的频率，可以调整控制蜂鸣器音调，产生各种 不同音色、音调的声音，用于提示不同生理指标异常。第三阶段测量结束阶段,单片机控制电磁阀开启快速

放出袖带内空气，袖带内气压值迅速下降。血压脉搏测量过程中需要记录关注脉搏振荡波变化情

3.5电源模块本系统设计中，充气泵电路和电磁阀电路需要使用

+6 V电源，单片机、液晶屏、温度传感器等需要使用+5V

况,对记录的血压值和振幅进行处理后，得到脉搏振荡波振 幅的最大值Am，并得到第一个脉搏波振幅大于0. 5/1m和最

后一个振幅大于0. 8九时袖带内的气压值,分别即为收缩

电源。为方便实用，系统设计使用AMS1117-5低压差稳压

器设计稳压电路，输出+5 V直流电源,稳压电路如图5所压和舒张压。脉搏通过单片机内部定时器/计数器对传感

器SensorlOl输入的滤波后的脉搏波进行计数得到。5系统调试系统设计中使用到+6 V和+5 V两个电源，在上电前 需检查电压是否符合要求。硬件电路检查完毕后，就将编

译好的程序烧写到单片机上，进行调试。系统对血压脉搏进行测量时，需要将袖带佩戴在手肘

上处,佩戴过程中保持手臂放松,测量过程避免说话保持平

图5稳压电路静。血压脉搏测量过程中，袖带内气压值变化速度较快，而

4软件设计系统设计使用C语言进行软件设计。系统使用前进行 初始操作,系统设置按键用于选择体温测量功能、血压脉搏 测量功能，选择使用血压脉搏测量功能前需要提前佩戴好

LCD1602液晶显示屏为慢显示器件,为使液晶显示器显示 正常，可以采用读忙标志位或者适当延时一定时间再显示

下一个字符，本系统设计中采用第二种方式。血压脉搏测

量过程中,液晶显示器显示袖带内气压值实物图如图7(a) 所示。系统对血压脉搏测量结束，液晶显示器上显示血压和

袖带。测量功能选择完毕后，由单片机控制进行测量、显示

命 等过程，血压脉搏测量流程图如图6所示。脉搏值，其中，SBP、DBP、Pulse分别代表收缩压、舒张压、脉

搏的数值。图7(b)为某次血压脉搏测量结果，由液晶屏显

示数值可看出：被测者收缩压为104 mmHg,舒张压为

67 mmHg,脉搏为77次/min,生理指标属正常范围。系统多 次测量与传统水银血压计比较，所测的血压误差不超过

10 mmHg,每分钟脉搏误差平均值为2。(a)血压脉搏测量过程 (b)血压脉搏测量结果图7血压脉搏测量实物显示6结论本文设计使用STCC52单片机设计人体健康监测系

图6血压脉搏测量流程图血压脉搏测量过程可分为以下3个阶段：第一阶段为测量准备阶段,单片机P2-1引脚输岀低电

统用于快速监测人体体温、血压脉搏生理指标，并可以在生

理指标异常时报警提示。所设计系统具有测量快、低能耗、 结构简单、操作简便、成本低廉等的优势，同时系统设计还

平，充气泵开始向袖带内快速充气，当袖带内气压值达到 有需要完善的地方,如系统体积较大未达到便携式要求。

180 mmHg时，单片机控制P2.1引脚输出高电平，气泵停止 充气。参考文献：[1]

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第二阶段为测量阶段，第一阶段结束时,血管受压迫, 血流不通。由于袖带缓慢漏气袖带内气压值逐渐降低，血

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州:华南理工大学,2012.管内的血液由受阻状态变为缓慢流通状态，脉搏跳动引起 袖带内气压值变化。压力传感器将袖带内气压变化转化为

(下转第88页)I |cM Kj：\\2019-10-29\\【天才】\\传感器与微系统 1l\\2019T1\\2Q^41\\G919.PS 201 射029 11 ：44：56 Time： 20194029 12：24：17传感器与微系统88第38卷查询电压值对应的能量值,AA32416芯片在3.3V的工作电

压下，经转换后该能量对应的电压值大小约为0. 8 ~ 1.0 V。

仪基本电路结构简易，使用的元器件价格较低，在实际制造 过程中，大大降低了鱼探仪的生产成本，提高了鱼探仪的经

图8(d),(e)为经过接收电路处理放大后的波形指示信号, 济效益,在实际生产生活中投入使用,能够大大提高捕鱼作

业的准确度和生产效率。由图中显示可知，图(d)有2个幅值较大的波峰，图(e)有

3个幅值较大的波峰，分别为无鱼和有鱼的信号的指示。 由于设计了隔离电路能够是的鱼探仪处于收发一体的模

式，所以如图(e)所示,第一个波峰为发射信号经由接收电 路的显示，而第二个波峰处于0.8 ~1.0 V之间，且持续时间

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CHI 50.0mV

M500»s

按显示廉按钮以改变測虽

CHI CHI 200mV CH2.I00V M250p,s CHI13-Dec-1714:25 22.469 2Hzting and Communication Engineering, Dehradun, 2015:400 -403.(C)由换能器接收到的原始信号@)信号进行放大处理后的波形(无鱼)[9] 刘思双，冯涛，张柯•多探头双频超声波接收电路设计[J].电

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(e)信号进行放大处理后的波形(有鱼)

图8实验测试波形计[J].电子元器件应用,2009,11(10) ：1 -3,7.5结束语本文设计了一种基于AA32416对数放大器的便携式垂

直鱼探仪，设计了良好的供电功能，摆脱了传统鱼探仪体积

作者简介：谭本军(1994-),男，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统设

计与智能家居,E-mail:773570819@ qq. com。宋 宇(1993 -),男，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统设

庞大、价格昂贵的缺点，便于携带，且能够实现水底鱼群信

计与无线电子通信,E-mail: 1105754232@ qq. com0苏 娟(1963 -)，女，硕士，副教授，主要研究领域为嵌入式系

息的实时显示，方便小型捕鱼船和垂钓爱好者的日常使用,

大大提高了捕鱼作业的效率和准确度。此外，设计的鱼探

统设计与研究，E-mail：275592010@qq. com。(上接第84页)[3]

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