基于單片機(jī)的心率體溫測量計(jì)

姜銘 李亦寧 苗紫民 呂東艷 周慧

摘要：生活中很多潛在的病毒會引起發(fā)熱，心律不齊，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)將會帶來很嚴(yán)重的后果，就如現(xiàn)在的新冠病毒引起的癥狀（發(fā)熱和呼吸困難），這時(shí)就需要心率體溫測量計(jì)，可以方便實(shí)時(shí)檢測體溫，有效監(jiān)測心率是否正常。特別是免疫系統(tǒng)比較差幼兒和老人的，這時(shí)就需要一款方便快捷的測量工具。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);溫度傳感器;多功能;便攜式

中圖分類號：TP391? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）16-0232-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Heart Rate and Temperature Meter Based on Single Chip Microcomputer

JIANG Ming， LI Yi-ning， MIAO Zi-min， LV Dong-yan， ZHOU Hui

（College of Information Science and Technology， Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， China）

Abstract： some potential viruses can cause fever， arrhythmia， if not detected in time will bring very serious consequences， such as the current symptoms caused by the new coronavirus is fever and breathing difficulties， then the need for the heart rate and temperature meter， not only can facilitate the detection of body temperature， but also can effectively monitor whether the heart rate is normal.And young children and the elderly have poor immune systems， which requires a quick and easy measurement tool.

Key words： SCM; Temperature sensor; Multi-function; portable

測量體溫和心率是生活中常用的醫(yī)學(xué)監(jiān)測手段，傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)和聽診器存在測量時(shí)間較長，數(shù)據(jù)讀取不方便，數(shù)據(jù)測量不準(zhǔn)確，玻璃溫度計(jì)易破損等缺點(diǎn)，容易造成測量人員的傷害。

如今隨著人們?nèi)粘Ｉ钯|(zhì)量水平的提高，及二胎政策的開放，人口逐步老齡化，日益發(fā)展的電子信息技術(shù)在家用醫(yī)療保健中得到更加廣泛應(yīng)用，隨著國家越來越重視醫(yī)療健康技術(shù)水平的發(fā)展，此時(shí)人們就需要一款便捷測量心率和體溫的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)心率體溫測量計(jì)可以快速方便的檢測體溫和心率，預(yù)防疾病，監(jiān)測兒童和老人的健康狀況。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

本次設(shè)計(jì)使用單片機(jī)MCS-51作為控制核心來實(shí)現(xiàn)基本的測量功能，此單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于控制簡單且比較實(shí)用，性價(jià)比較高[1]。該系統(tǒng)的功能在于主控制器、收集心率、檢測體溫，采用AT89C51單片機(jī)能夠及時(shí)、高效的監(jiān)測心率、體溫并顯示其數(shù)據(jù)。圖1系統(tǒng)模型框圖。首先心率被MPX2100壓阻傳感器收集，然后由電壓比較器轉(zhuǎn)換為頻率信號，最終發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理和顯示。二進(jìn)制碼形式串行在DS18B20溫度傳感器被運(yùn)用，目的在于將收集的溫度信號送到單片機(jī)處理并顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 AT89C51 單片機(jī)主控電路

單片機(jī)是系統(tǒng)的重心，時(shí)鐘器外部連接振蕩電路（12MHz），復(fù)位鍵為S，構(gòu)成如圖2。測溫傳感器接于P3.7，超聲波接收電路連于P3.4。硬件電路分為：時(shí)鐘、復(fù)位、溫度、心率檢測、顯示和異常報(bào)警電路。

2.2 心率監(jiān)測模塊

心率的監(jiān)測是該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)較重要的一部分，其硬件的設(shè)計(jì)也較為豐富復(fù)雜。心率測量使用壓式傳感器，該傳感器優(yōu)勢為：（1）電橋由4個(gè)等值電阻構(gòu)成;（2）先進(jìn)的半導(dǎo)體電子技術(shù)微細(xì)加工;（3）具有很好的溫度補(bǔ)償、線性度功能;（4）輸出電壓和所加壓力形成正比關(guān)系[1]。測量過程為：（1）將傳感器貼在體表;（2）采集心率信號;（3）由比較器將收集信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號;（4）送到單片機(jī)P3.4口;（5）單片機(jī)脈沖計(jì)數(shù)（次/10s），測得心率值。另設(shè)有心跳指示燈，LED指示燈隨心跳的次數(shù)而閃爍，電路如圖3所示。誤差分析：原因有：（1）環(huán)境溫度較低時(shí)，導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生誤差（溫度范圍0～85C）。（2）操作不規(guī)范。（比較器由LM324集成運(yùn)放器構(gòu)成）

2.3 體溫檢測模塊

熱敏電阻器測溫時(shí)是利用電阻值的溫度依賴性的，溫度傳感電路將傳感器產(chǎn)生的點(diǎn)阻值與溫度變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，形成電路。 半導(dǎo)體熱敏電阻器可分為兩類，一類是正溫度系數(shù)型，另一類是負(fù)溫度系數(shù)型，它隨溫度的升高而減小[3]。熱敏電阻器的進(jìn)行具有高電阻率和高溫度影響系數(shù)，但它們可以是非線性的，排列產(chǎn)生不良和穩(wěn)定性差。 它們通常只適用于低溫測量。本次心率體溫測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用DS18B20對人體體溫進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將結(jié)果顯示在1602LCD顯示屏上，溫度測量范圍為-55C～+125C，可用來編程的分辨率為9～ 12位[4]，與其相對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5C、0.25C、0.125 C和0.0625C，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度測量。

2.4 顯示電路設(shè)計(jì)

顯示電路模塊采用LM016L液晶模塊，模塊內(nèi)部帶有控制器，接口為數(shù)字式接口，顯示質(zhì)量高，并且還具備字符閃爍、移動等功能[5]。與單片機(jī)通信有兩種傳輸方式：8位、4位并行傳輸， 引腳連接為D0～D7與單片機(jī)P1.0～1.7。

2.5 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警電路由二極管、電阻組成，如需報(bào)警，LED會發(fā)光，報(bào)警時(shí)間可以通過寫程序控制，報(bào)警電路與單片機(jī)P2.0口相連（圖6）。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序組成為：主程序、測溫程序、心率測量程序和顯示模塊。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)和LCD會被初始化，初始化的過程主要是集單片機(jī)的每個(gè)部分的工作狀態(tài)，然后就可以開始測量體溫和心率，通過 lm016l 顯示器輸出并顯示，當(dāng)體溫、心率超過自己一定時(shí)間限度時(shí)，報(bào)警信息系統(tǒng)會做出提示。過程中所使用的DS18B20溫度傳感器與AT89C51的P3.7口串接，測溫程序過程中，時(shí)序讀寫為重，否則結(jié)果會異常[2]。心率信號被壓式傳感器送到單片機(jī)的P3.4口完成中斷，將存儲計(jì)數(shù)值設(shè)置為零后，初始化計(jì)時(shí)器，然后確定計(jì)數(shù)是否達(dá)到10秒，如果不是10秒鐘則繼續(xù)計(jì)數(shù)，否則10秒鐘停止計(jì)數(shù)，讀取計(jì)數(shù)值，然后我們再開始重新循環(huán)。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)心率計(jì)溫功能穩(wěn)定、使用方便，應(yīng)用廣泛，具有實(shí)際意義。綜合了很多問題，調(diào)試過程中一些數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。 心率檢測分析數(shù)據(jù)受外部環(huán)境的影響，實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件有限，數(shù)據(jù)主要分布趨于均勻，偶爾有一些異常數(shù)據(jù)，心率數(shù)據(jù)是一種異常現(xiàn)象，可能是外部環(huán)境的影響，也可能是一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件不穩(wěn)定，但大部分?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)域是可以通過理解的。起初體溫?cái)?shù)據(jù)呈上升趨勢，然后逐漸穩(wěn)定，可能是因?yàn)閭鞲衅饕婚_始不適應(yīng)環(huán)境溫度，然后人體體溫慢慢傳到傳感器，溫度開始逐漸升高，最后穩(wěn)定，數(shù)據(jù)基本在人體體溫正常測量范圍內(nèi)波動。

通過本項(xiàng)目的整個(gè)設(shè)計(jì)過程，我們了解了理論與實(shí)踐的差距，對項(xiàng)目具體的設(shè)計(jì)與調(diào)試過程有了更進(jìn)一步的了解。此次的設(shè)計(jì)研究結(jié)果也達(dá)到了預(yù)想的目的，也為以后需要我們可以在其他設(shè)計(jì)中熟練使用相應(yīng)的軟件提供了基礎(chǔ)。

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【通聯(lián)編輯：梁書】