随着人们对健康的日益重视,家庭医疗设备也在近几年异军突起,譬如:智能手环、智能心率带、智能手表、计步器、智能体温计等等,伴随着智能移动设备和互联网产品的普及,移动健康监护设备也应运而生,健康指标的监测通俗来讲就是生理参数测试系统或生理监护仪,是用来检测人体生理参数,同时与设置值进行比对,当人体指标超过安全范围时,系统发出提醒并报警,将健康隐患提醒人们,防患于未然。
本课题将对人体心电、体温、心率三项生理参数的测量作为研究内容。这三项指标直接关乎着人体的心肺工作情况,通过前端检测得到数据并显示在LCD上,并可通过串口通讯线连接至电脑,可实时显示心电图。该系统的推广可为家庭医疗设备的普及迈出一大步。
本系统主要包括心电心率、体温测量模块的电路设计,整个系统包含:单片机主控单元、体温检测单元、心电心率信号调理单元、按键输入单元、LCD显示单元、串口通讯单元、电源单元,共七大模块组成,主控处理器采用美国MICROCHIP公司的PIC16F1936单片机作为核心单元。具有高速、高可靠性、低功耗等特点,同时内置8通道10位高速ADC模块、增强型串口模块,方便我们作信号采集和通讯传输,提高了我们系统的集成度;体温采集单元,我们采用高精度热敏电阻配合ADC采集模块实现体温参数获取;心电心率信号调理单元包括信号采集与保持、噪声滤波、幅度放大、ADC采样处理。由于前端心电极的信号极其微弱,几乎是毫伏级别,所以在信号的采集调理环节对元件的要求也较高,介于此,我们选用高性能低噪声高精度放大器OP07,作为主放大器保证信号的真实和完整;按键输入单元我们使用4位独立按键,用来设置心率上限下限,体温上限下限;显示单元我们采用通用的LCD1602作为显示终端,显示当前心率和体温;心电图的打印则通过串口通讯单元,将下位机数据上传给电脑进行实时显示。
关键词: 心电图 心率 体温 生理参数测试 单片机
本次设计,以人体的心电、心率、体温为采集对象,系统主要功能是:生理参数的采集输入、信号调理、模数转换、LCD显示、串口打印,最终将生理参数信息的直观显示在人们眼前,心电和心率的测量是医疗领域极重要的科目,对心电参数的分析甚至可直接判断病情和未来发展趋势,为医护人员的下一步治疗提供重要的生理指标。
本课题研究的难点在于,心电信号获取和还原,我们知道心电信号极其微弱,只有在接近人体心脏位置的心音最为强烈,但即便是强烈还无法达到我们控制器的检测标准,也就是说信号微弱,控制器无法采集到,所以在采集之前,我们要对心电信号进行处理放大才能送给控制器采集,体温的采集相对简单,但是热敏元件需要紧贴人体皮肤才能准确的采集温度信息,同时热敏元件的误差也给测量精度带来了障碍。
本文主要完成任务:
(1) 通过心电极、热敏电阻采集人体人体心电、心率、体温三项生理参数信号,传感器负责将物理模拟量转换为电信号。
(2) 模拟电路将采集获取的微弱电信号差分放大、低通滤波、幅度放大等处理,利用单片机内部的ADC转换为数字信号。
(3) 微处理器采集生理参数信息,进行分析运算处理,换算成实际数据号,同时系统具有存储,报警功能。
(4) 系统通过RS232通信模块,将系统与计算机进行通讯连接,并能在计算机上显示心电图。
(1)系统方案选择及论证
A: 传感器的选择
B: 放大器的选型
C:单片机的选型
D: 显示器的选择
(2)硬件设计与分析
1、单片机主控单元
2、体温检测单元
3、心电心率信号调理单元
4、按键输入单元
5、LCD显示单元
6、串口通讯单元
7、电源单元
(3)电路原理图及PCB绘制
1、原理图绘制
2、PCB布板布线
(4)元件清单
整个系统包含:单片机主控单元、体温检测单元、心电心率信号调理单元、按键输入单元、LCD显示单元、串口通讯单元、电源单元,共七大模块组成,下面是系统框图:
微处理器我们采用MICROCHIP公司的PIC16F1936,片内资源丰富、开发方便、可靠性高。PIC16F1937是MICROCHIP公司的16F系列的一款8位单片机,内置8K FLASH,512字节RAM、256字节EEPROM,采用RISC精简指令集,效率更高,具有3组可编程双向IO,内置10位ADC、串口、CCP模块、使用它作为核心芯片,使系统极大的简化,而且编程和固化相当方便、灵活。主要性能:
● 8KB可重复编程Flash存储器。
● 耐久性:1000000次写/擦除。
● 1.8~5.5V的工作电压范围。
● 内置6个定时器.
● 内置8通道10位ADC模块,内置4.096V标准参考电压。
● 512×8位内部RAM。
● 三组可编程I/O引线。
● 可编程串行UART通道。
● 直接LED驱动输出。
● 内置CCP模块。
● 内置256字节EEPROM
● 休眠和待机模式。
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