家庭監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)與研究

一、引言

現(xiàn)代人由于飲食不規(guī)律、工作壓力大、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)不合理等原因，很容易不知不覺中患上一些慢性疾病，如高血壓、冠心病、心率失調(diào)等，這些疾病如果不能及早發(fā)現(xiàn)，天長日久將造成非常嚴(yán)重的后果。而血壓、心率、體溫則是監(jiān)控這類慢性疾病滋生的重要參數(shù)。但是，由于公共醫(yī)療資源有限，絕大部分群眾并沒有條件經(jīng)常去醫(yī)院進(jìn)行體檢，對自己身體狀況的把握僅能依靠簡單的自身估計(jì)和觀察，常常忽視了身體狀況惡化的情況。

傳統(tǒng)上使用臺式水銀血壓計(jì)量血壓，但是臺式水銀血壓計(jì)存在體積大、放置不方便、易打碎、操作繁瑣等問題，一般家庭根本不會使用;傳統(tǒng)上使用水銀體溫計(jì)量體溫，水銀體溫計(jì)存在易斷易碎、測溫時(shí)間長（5～10分鐘）、讀數(shù)不方便等問題，目前也逐漸面臨被淘汰。并且，家庭使用含有水銀的血壓計(jì)、體溫計(jì)，容易產(chǎn)生水銀泄漏，從而造成環(huán)境污染和人身安全等嚴(yán)重問題。

在非接觸式電子體溫計(jì)領(lǐng)域，國內(nèi)外都以采用紅外感應(yīng)測溫技術(shù)為主。博朗、歐姆龍等公司相繼開發(fā)出精度小于0.2℃、測量時(shí)間小于2秒的電子紅外體溫計(jì)，但都是基于某一特定功能測量儀器，而能夠集測量血壓、體溫和脈搏等功能為一體的家庭用多功能智能型生理體征測量儀在國內(nèi)外市場上還極為少見，筆者通過市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前該類型產(chǎn)品國內(nèi)市場認(rèn)為空白。

因此，非常有必要研制一款能夠滿足大部分人居家進(jìn)行簡單體檢的智能型家庭監(jiān)護(hù)儀，該儀器應(yīng)能夠較為準(zhǔn)確地檢測出人體的血壓值、脈搏次數(shù)和體溫值，并能對測量結(jié)果進(jìn)行基本的判斷，且滿足成本低、攜帶方便、操作簡單、顯示清晰等要求，適合老人、病患等各類人群的使用。

二、總體方案

相對于較為普遍的工業(yè)信號的檢測技術(shù)，人體生理體征參數(shù)的監(jiān)測有其特殊性，主要體現(xiàn)在被測對象身體情況差異較大、被測生理信息規(guī)律一致性不高、人體內(nèi)部其它生物信息復(fù)雜多樣等。本文的主要研究目標(biāo)是研制一款能夠滿足大部分人居家進(jìn)行簡單體檢的智能型家庭監(jiān)護(hù)儀，該儀器應(yīng)能夠較為準(zhǔn)確地檢測出人體的血壓值、脈搏次數(shù)和體溫值，并能對測量結(jié)果進(jìn)行基本的判斷，且滿足成本低、攜帶方便、操作簡單、顯示清晰等要求，適合老人、病患等各類人群的使用。本系統(tǒng)主要由測學(xué)壓、測體溫、測心率等三個(gè)相對獨(dú)立的功能模塊構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)包括中央處理器系統(tǒng)、信號采集及處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析及顯示系統(tǒng)等子系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。

圖2-1 系統(tǒng)框圖

檢測流程是：在開機(jī)狀態(tài)下，用戶按鍵選擇檢測項(xiàng)目，開啟相應(yīng)通道的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，被測信號經(jīng)過硬件濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字測試結(jié)果在中央處理器中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，所得測試結(jié)果在屏幕上進(jìn)行顯示，如果所測結(jié)果超出正常值范圍，將會有聲光報(bào)警進(jìn)行提示。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多功能家庭監(jiān)護(hù)儀采用"前端信號采集+中央處理器+人機(jī)界面"的基本設(shè)計(jì)形式。前端各個(gè)傳感器以及相對應(yīng)的信號濾波、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道分別完成對人體血壓、體溫、心率等參數(shù)值進(jìn)行采集處理，獲得處理器能夠識別并可作進(jìn)一步分析處理的數(shù)字信號。

為了最大限度降低產(chǎn)品成本，本設(shè)計(jì)擬采用Atmel公司89C51單片機(jī)作為中央處理器，89C51單片機(jī)只有32個(gè)用戶可用的I/O口，為解決I/O數(shù)量不足的問題，本設(shè)計(jì)采用1片8通道A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809進(jìn)行測血壓和測體溫兩個(gè)模塊共4路數(shù)據(jù)通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換工作，其中測血壓模塊需要分別對脈搏波幅值和袖帶氣壓值兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，測體溫模塊需要分別對熱電堆輸出電壓和熱敏電阻輸出電壓兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

為提高產(chǎn)品性價(jià)比，本設(shè)計(jì)采用1602液晶屏顯示測試過程中必要的提示信息?？紤]到多功能家庭監(jiān)護(hù)儀的用戶對象多為老年人及行動不便的患者，所以儀器面板上采用機(jī)械式按鍵設(shè)計(jì)，且按鍵設(shè)置盡量簡單直觀，力圖使普通用戶可以不需要閱讀說明書，僅按照儀器面板上的簡單文字提示即可順利進(jìn)行所有操作。擬設(shè)置3個(gè)按鍵，第1個(gè)按鍵為船型開關(guān)鍵，兩個(gè)狀態(tài)分別表示儀器處于"開啟"、"關(guān)閉"狀態(tài);第2個(gè)按鍵為無鎖輕觸開關(guān)，用以對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作;第3個(gè)按鍵為無鎖按鍵開關(guān)，用以切換啟動測血壓、測體溫、測脈搏等三個(gè)測試流程。面板上還有4個(gè)綠色的LED燈，分別用以指示"系統(tǒng)開電"、"測血壓中"、"測體溫中"、"測心率中"等4個(gè)狀態(tài)。另外當(dāng)測試結(jié)果超出正常值范圍時(shí)，面板上會有一組由1個(gè)紅色LED燈和1個(gè)蜂鳴器構(gòu)成的聲光報(bào)警器持續(xù)發(fā)出10秒鐘報(bào)警信息。

綜上所述，多功能家庭監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)方案如圖3-1所示。

四、程序設(shè)計(jì)

基于AT89C51單片機(jī)的多功能監(jiān)護(hù)儀的工作流程是：系統(tǒng)在開電后處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)無鎖按鍵開關(guān)S3（功能選擇鍵）被按1下則進(jìn)入測血壓流程，若被連續(xù)快速地按2下則進(jìn)入測體溫流程，若被連續(xù)快速地按3下則進(jìn)入測心率流程。當(dāng)在進(jìn)行某項(xiàng)測試流程時(shí)終止或需要切換到其他測試流程，則需先按復(fù)位鍵S2，回到待機(jī)狀態(tài)，再重復(fù)功能選擇操作。如果在進(jìn)行功能選擇操作的過程中連續(xù)快速地按S3鍵4下及以上次，則被視作無效操作。

本設(shè)計(jì)的主程序部分主要實(shí)現(xiàn)初始化工作，并實(shí)現(xiàn)上述S3功能鍵進(jìn)行的測試流程選擇工作。具體的分項(xiàng)測試功能將在相應(yīng)測試子程序模塊中實(shí)現(xiàn)。主程序部分的流程圖如圖4-1所示。

圖中Kn為按鍵次數(shù)的計(jì)數(shù)值，初始值為0，每有效地按下1次，Kn加1，當(dāng)Kn累加到4次時(shí)，程序跳轉(zhuǎn)至初始化狀態(tài)。根據(jù)對Kn值進(jìn)行判別，可以跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的功能測試模塊子程序。

圖中S3是功能選擇按鍵，本設(shè)計(jì)對按鍵的判斷采用的是查詢的方式，因?yàn)橹鞒绦蛑袥]有其它進(jìn)程，所以單片機(jī)可以用不斷查詢的方式判斷按鍵的狀態(tài)，從而減少占用外部中斷資源。

五、結(jié)論

本文主要研究了基于AT89C51單片機(jī)的家庭用多功能監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)和開發(fā)，隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們越來越重視健康，家庭用多功能監(jiān)護(hù)儀正能迎合人們?nèi)找嬖鲩L的對健康的要求。通過開展對監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)的深入研究，開發(fā)性價(jià)比更高、使用更方便的家庭用多功能監(jiān)護(hù)儀，具有十分重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義。

作者簡介：

李博，男，1980年10月出生，浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣分院教師，主要研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)與智能化系統(tǒng)工程，籍貫江西。