基于STC89C52的無(wú)線實(shí)時(shí)體溫心率監(jiān)測(cè)

徐杰，崔艷

(山西師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，臨汾 山西 041004)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)于健康愈發(fā)地重視，生活中各類運(yùn)動(dòng)APP、運(yùn)動(dòng)手環(huán)應(yīng)運(yùn)而生。肆虐全球的新冠疫情使得具有風(fēng)險(xiǎn)提示功能的可穿戴設(shè)備成為了必需品。后疫情時(shí)代，可穿戴設(shè)備和其他互聯(lián)設(shè)備會(huì)越來(lái)越多地投入到醫(yī)療應(yīng)用中，研發(fā)可長(zhǎng)期佩戴的便攜式無(wú)線醫(yī)療設(shè)備成為了最新的發(fā)展方向。隨著我國(guó)進(jìn)入疫情防控常態(tài)化，衛(wèi)生經(jīng)濟(jì)也即將迎來(lái)空前的發(fā)展機(jī)遇。

單一的健康指標(biāo)檢測(cè)方案有很多，比如，文獻(xiàn)[ 2]以AT89C51單片機(jī)為控制核心,使用紅外光電傳感器ST188進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,將患者的心率顯示在LCD1602上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)患者心率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和異常報(bào)警功能，但功能單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)向監(jiān)護(hù)人報(bào)警的功能。文獻(xiàn)[ 5]中利用光電容積法采集心率信號(hào)，但僅限于監(jiān)測(cè)人體心率信號(hào)，監(jiān)測(cè)功能單一。為此，本文提出一種基于單片機(jī)STC89C52，利用傳感器和無(wú)線通信模塊實(shí)時(shí)無(wú)線監(jiān)測(cè)人體體溫、心率的集成化健康系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)、報(bào)警、無(wú)線傳輸?shù)墓δ?。該系統(tǒng)具有待機(jī)長(zhǎng)、便攜、成本低等特點(diǎn)。

1 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1.1 硬件設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)采用低功耗高性能的微型控制器STC89C52單片機(jī),利用RPR220紅外傳感器和溫度傳感器采集人體生物信號(hào)—心率和體溫,傳感器將實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，其中體溫信號(hào)數(shù)值將顯示在LCD1602數(shù)碼管上。因心率信號(hào)可能會(huì)受到各種各樣因素的干擾，比如汗液、潮濕度、溫度等，所以采用RC濾波電路濾除非心臟跳動(dòng)的干擾信號(hào)，再經(jīng)過(guò)LM358波形整形,變?yōu)榉讲▊魅雴纹瑱C(jī)，觸發(fā)外部中斷函數(shù)，使得單片機(jī)接收一個(gè)脈沖波形，顯示屏就計(jì)數(shù)一次。將計(jì)算得到參數(shù)保存在存儲(chǔ)模塊。再通過(guò)SPI通信把數(shù)據(jù)傳送給nRF905射頻模塊，利用無(wú)線通信向監(jiān)護(hù)人和監(jiān)護(hù)中心發(fā)出報(bào)警信號(hào)。該設(shè)計(jì)利用軟件編程設(shè)定體溫和心率報(bào)警閾值，一旦測(cè)量值超過(guò)設(shè)定范圍，便會(huì)及時(shí)反饋，發(fā)起報(bào)警。該設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框架圖

1.2 軟件設(shè)計(jì)原理

該設(shè)計(jì)的軟件編程主要包括體溫監(jiān)測(cè)、心率監(jiān)測(cè)和nRF905兩部分，核心原理如下：

體溫部分：DS18B20采用16位補(bǔ)碼的形式來(lái)存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲(chǔ)器中。高字節(jié)的五個(gè)S為符號(hào)位，S=1表示溫度為正,S=0表示溫度為負(fù)，剩下的11位為溫度數(shù)據(jù)位，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是12位分辨率，所有位全部有效。

心率部分：設(shè)心臟跳動(dòng)一次的時(shí)間為t（秒），心率n的單位為次/分鐘，故知n= 60/t,設(shè)連續(xù)跳動(dòng)M次需要T秒，則代入公式易知此時(shí)的心率為 n=60M/T。由于單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器T0定時(shí)1毫秒中斷一次:T=0.001T0, 故最終計(jì)算公式為6000M/T0。

2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STC89C52單片機(jī)主控模塊

本設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)STC89C52單片機(jī)為核心控制芯片，其具有高性能、低功耗、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的80C51單片機(jī)而言，它對(duì)指令的處理速度提高了8-10倍。該單片機(jī)主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確處理數(shù)據(jù)，配置兼容nRF905的工作模式,啟動(dòng)信號(hào)采集模塊和顯示模塊。

2.2 信號(hào)采集模塊

2.2.1 體溫信號(hào)采集模塊

DS18B20數(shù)字溫度傳感器體積小,接線方便，抗震性好，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。該模塊由接在VCC外部的5v電平供電，中間通信口與P3.7相連，由程序完成ROM設(shè)定以及打開(kāi)DS18B20的記憶和控制功能。傳感器即可自動(dòng)向單片機(jī)提供使用者體溫的數(shù)字信號(hào)。

2.2.2 心率信號(hào)采集模塊

人體的心臟跳動(dòng)帶動(dòng)了人體血液循環(huán)，在人體指尖處即血管末梢處的血液微循環(huán)使得該處血液容積改變。利用RPR220傳感器，發(fā)出波長(zhǎng)不變的紅外線，有效獲取到由于心臟跳動(dòng)形成的指尖血液的改變。將采集到的心率信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸送給RC低通濾波電路，考慮到信號(hào)可能會(huì)受到各種因素的影響，因此通過(guò)濾波電路濾除非心臟跳動(dòng)的干擾信號(hào)。已知正常人體心跳在60-100次/分鐘，故設(shè)定該低通濾波電路的截止頻率為2.5-3.5，選擇R21=100K,C5=0.5uF，截止頻率約為3.2Hz。由于心率信號(hào)十分微小，通過(guò)LM358放大器進(jìn)行兩次放大，達(dá)到單片機(jī)可識(shí)別強(qiáng)度，同時(shí)利用LM358搭建的電壓比較器對(duì)波形進(jìn)行整形，將輸入的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖性信號(hào)，將方波輸入單片機(jī)。心率信號(hào)采集模塊的電路原理圖如圖2所示。

圖2 心率信號(hào)采集模塊電路原理圖

2.3 無(wú)線通信模塊

此設(shè)計(jì)的無(wú)線通信模塊選用了nRF905,此芯片具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、高速傳輸、通信效果好、功耗極低等一系列優(yōu)點(diǎn)。利用軟件設(shè)置實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的IO端口控制nRF905模塊的狀態(tài)接口、模式接口和SPI接口，實(shí)現(xiàn)高效、快速的數(shù)據(jù)傳遞。nRF905與STC89C52的接線圖如圖3所示。

圖3 nRF905與STC89C52的接線圖

2.4 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示單元采用LCD1602液晶顯示屏，該模塊原理圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)顯示模塊原理圖

DO-D7口用于顯示數(shù)據(jù)的傳輸；RS口為寄存器的選擇功能,通過(guò)P2.5進(jìn)行控制；R/W口通過(guò)P2.6口實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶的讀和寫的操作；EN端為液晶屏的使能端：高電平使能信號(hào)有效。通過(guò)分壓電路與VO口相連，實(shí)現(xiàn)液晶屏的亮度調(diào)節(jié)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件包括信號(hào)采集處理和無(wú)線通信nRF905兩大模塊。

信號(hào)采集部分將在Keil uVision5的編譯環(huán)境中，根據(jù)單片機(jī)的時(shí)序和傳感器需實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行C語(yǔ)言匯編，程序流程圖如圖5所示。

無(wú)線通信nRF905模塊的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于接受和發(fā)射數(shù)據(jù)信號(hào)，接收和發(fā)送的地址要一致，程序流程圖如圖6所示。

圖6 無(wú)線通信nRF905模塊流程圖

4 結(jié)論

體溫和心率是反饋人體機(jī)能是否健康的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，本設(shè)計(jì)提出了以傳感器和STC89C52單片機(jī)為核心的便攜式無(wú)線實(shí)時(shí)體溫心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用無(wú)線通信技術(shù)和nRF905模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的傳輸和報(bào)警信息的反饋。該系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)生理狀態(tài)的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)異常報(bào)警和數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測(cè)，提醒使用者生理健康狀況，實(shí)時(shí)發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)給監(jiān)護(hù)人和監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。該系統(tǒng)還具有功耗低、性能高和攜帶方便的特點(diǎn)。