基于單片機(jī)和儀表放大器AD620實(shí)現(xiàn)人體基本參數(shù)測試儀的設(shè)計(jì)

（文章來源：電子設(shè)計(jì)工程，作者：夏新凡；伍玉；陳曉君；喻夢穎）

? ? ? ?1 引言

研究的是一臺人體基本參數(shù)測試儀，可以測量體溫、脈搏和呼吸間隔等參數(shù)。這些參數(shù)與記錄是應(yīng)用最多的基礎(chǔ)護(hù)理技術(shù)操作，各項(xiàng)技術(shù)比較成熟。但普通便攜式設(shè)備大多功能單一，精度不高，且僅能作為臨時(shí)測量使用，無法跟蹤病人的整個(gè)治療過程：醫(yī)院里使用的大型醫(yī)療設(shè)備能夠提供很高的精度，且功能全面，但過于專業(yè)的使用方法以及高昂的價(jià)格導(dǎo)致它們的市場需求不高。鑒于這些缺點(diǎn)，該系統(tǒng)的研究具有以下兩點(diǎn)意義：①通過一臺儀器將人體各項(xiàng)參數(shù)集中在一起進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，從而提高測量儀器的集成度和便利性。②測量采用全自動(dòng)的方式，通過對各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定門限，可以在測量后對超出門限的參數(shù)自動(dòng)給出相關(guān)說明。這部便攜、精準(zhǔn)和可記錄的人體參數(shù)測試儀具有很高的科學(xué)價(jià)值和社會意義。

2 設(shè)計(jì)方案比較分析

2．1 體溫測量

方案l：采用數(shù)字溫度傳感器。數(shù)字溫度傳感器內(nèi)部集成了溫度傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以把溫度直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送入微處理器。

方案2：采用模擬溫度傳感器。即采用輸出電壓可連續(xù)變化的模擬溫度傳感器，再通過高精度的A／D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

方案1實(shí)現(xiàn)起來較為簡單．但想實(shí)現(xiàn)高精度的溫度測量，成本較高。而方案2中由于傳感器的輸出電壓可以連續(xù)變化，只需提高A／D轉(zhuǎn)換器的精度就可以大幅度提高溫度測量的精度，故系統(tǒng)采用方案2。

2．2 呼吸間隔測量

方案1：人體胸部的起伏可以通過彈性材料的伸縮來反映，彈性材料的伸縮帶動(dòng)滑片在電阻絲上滑動(dòng)，改變其兩端電阻。通過電阻分壓的方法使電壓的變化與胸部起伏的變化規(guī)律相同，最終實(shí)現(xiàn)呼吸間隔的測量。此方案對彈性材料和電阻絲，以及捆綁方式都有嚴(yán)格要求。

方案2：采用壓力傳感器實(shí)現(xiàn)。其裝置如圖1所示。圖中的帶子選用長度形變很小的線材制成，帶子上固定一個(gè)壓力傳感器，則胸腔的起伏引起壓力傳感器上壓力的變化，通過采集傳感器輸出的電信號在時(shí)間軸上捕捉胸腔起伏的趨勢，可以實(shí)現(xiàn)呼吸間隔時(shí)間的測量。該裝置簡單，更適應(yīng)于便攜設(shè)備的要求。

綜上所述，系統(tǒng)選取方案2。

2．3 脈搏測量

方案1：采用光電傳感器實(shí)現(xiàn)。將手指尖放置在光源和光敏器件之間，當(dāng)手指中有跳動(dòng)的脈搏時(shí)，血液的透光性發(fā)生變化，光敏器件接收的光強(qiáng)隨之變化。從而得到按脈搏跳動(dòng)規(guī)律變化的電信號，但提取的信號非常微弱。

方案2：采用壓電傳感器實(shí)現(xiàn)。在手腕處安裝靈敏度較高的壓電傳感器，將跳動(dòng)的脈搏產(chǎn)生的壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，從而實(shí)現(xiàn)脈搏的測量。但是成本較高。

方案3：采用駐極體話筒實(shí)現(xiàn)。讓話筒緊貼脈搏，則跳動(dòng)的脈搏信號便可通過這一過程轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號。該方案提取的電信號很明顯，測量精度很，且成本很低。

綜上所述，系統(tǒng)采取方案3。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，由提取體溫、脈搏次數(shù)和呼吸間隔的傳感器及相應(yīng)的信號調(diào)理模塊、放大整形模塊、電源模塊、鍵盤控制模塊，以及LCD顯示模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)還包括一個(gè)可以與獨(dú)立監(jiān)測單片機(jī)進(jìn)行串行通訊的集中監(jiān)測機(jī)，用于對儀器設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管理。系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

4 理論分析

4．1 脈搏測量誤差分析

人的脈搏頻率一般為60～100次／min，以脈搏信號調(diào)整、整形后的信號為門限，在第一個(gè)上升沿開始對標(biāo)準(zhǔn)脈沖fo計(jì)數(shù)，第二個(gè)上升沿停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為N。這種在門限內(nèi)的填充計(jì)數(shù)存在誤差。脈沖頻率越小，計(jì)數(shù)值越大，此方法固有誤差的影響就越小。則脈搏頻率f=100次／min時(shí)，誤差最大。取fo=l kHz，此時(shí)理論上N=fo（60／100）=600次，而實(shí)際可能為599或者601。根據(jù)公式f=（60xfo）／N，可以得到f1=100．169次／min和99．833次／min?！鱢max≤0.2次／min，精度很高。

4．2 溫度測量數(shù)據(jù)處理方法分析

影響體溫測量的因素很多。為提高測量精度，適當(dāng)增加測量次數(shù)，利用補(bǔ)償?shù)姆椒p小隨機(jī)誤差的影響。為了獲得最可信賴的結(jié)果，利用最小二乘法，在殘余誤差平方和最小的條件下測得值最可信賴。

被測溫度和輸出電壓V成線性關(guān)系，即V=b+aT，則線性參數(shù)的誤差方程為

利用標(biāo)準(zhǔn)溫度值T1，T2…Tn帶入方程組中可以解得a和b的值，這樣，就完成了利用最小二乘法對載重和電壓進(jìn)行線性標(biāo)定的過程。

5 功能電路設(shè)計(jì)

5．1 溫度傳感器及后級放大電路

該電路采用美國國家半導(dǎo)體公司的LM35作為溫度傳感器，由于其輸出電壓較小，所以在后級加入了同相放大電路，運(yùn)放采用超低噪聲及失調(diào)電壓的LTCl047。如圖3所示。

5．2 脈搏信號提取電路

該電路由話筒及儀表放大器AD620組成。話筒將脈搏信號轉(zhuǎn)換為電信號，儀表放大器AD620采用單電源供電，電位器R3用于調(diào)節(jié)2引腳的直流偏置，使其與3引腳的輸入信號中的直流偏置相同，從而實(shí)現(xiàn)差分放大。其參考端5引腳通過電位器R4加上直流偏置，可以根據(jù)需要對輸入信號在較大范圍內(nèi)進(jìn)行放大。

AD620的失調(diào)電壓和失調(diào)電流小、共模抑制比高，其最大失調(diào)電壓為50μV，最大失調(diào)電流為10 nA，最小共模抑制比為100 dB，所以對在微弱信號的處理，也就是放大和消除噪聲方面有著比較優(yōu)秀的品質(zhì)，在儀表放大中應(yīng)用較多，如簡易心電儀、壓力傳感器、超聲儀等。AD620還有一個(gè)偏置端，可輸出帶偏置的信號，也可用于程控放大等場合。AD620最典型的應(yīng)用是心電信號檢測，圖4為心電信號檢測電路中的AD620電路，其輸入端（2、3引腳）接入的是一對差分信號。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序作為單片機(jī)的控制核心。完成基本的功能．應(yīng)有良好的用戶界面，還要考慮較好的適應(yīng)性、通用性，以最大限度地方便調(diào)試階段的修改與調(diào)整。故在程序的編制中應(yīng)注重結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，還要注重層次化設(shè)計(jì)。程序流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

7 結(jié)語

人體參數(shù)測試儀體積小巧，對人體溫度、脈搏、呼吸間隔測量精度高，操作簡單，采用單節(jié)電池供電．可作為便攜式儀器使用。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到各個(gè)參數(shù)的相對獨(dú)立性，實(shí)物中的各個(gè)測量模塊較為獨(dú)立，拆卸十分方便。并且系統(tǒng)具有語音提示及解說的功能。系統(tǒng)上集成了串行接口，可以隨時(shí)與其它相關(guān)儀器設(shè)備構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中測量和管理。該系統(tǒng)的研究具有重要的社會價(jià)值和實(shí)際意義。

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