家庭多功能健康檢測儀系統(tǒng)設計

摘" 要：該研究致力于設計一款適用于家庭的醫(yī)療電子健康檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合現(xiàn)代醫(yī)療電子科技，集多種生理參數(shù)檢測功能于一體，為家庭用戶日常需要提供快捷、全面的健康檢測服務。該系統(tǒng)主要由ATM89C51單片機控制模塊、溫度采集模塊、心率血氧采集模塊、電源模塊、顯示模塊和報警模塊等部分組成。實現(xiàn)體溫、心率和血氧飽和度的數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳送并將初步處理結(jié)果顯示在屏幕上，便于用戶查看檢驗結(jié)果，為疾病防控與健康管理提供強有力的支持。

關(guān)鍵詞：ATM89C51;體溫檢測;心率血氧檢測;數(shù)據(jù)采集;檢驗結(jié)果

中圖分類號：TP212" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）11-0053-04

Abstract： This research is committed to designing a medical electronic health testing system suitable for home use. The system integrates modern medical electronic technology and integrates multiple physiological parameter detection functions to provide fast and comprehensive health testing services for the daily needs of home users. This system mainly consists of ATM89C51 MCU control module， temperature acquisition module， heart rate and blood oxygen acquisition module， power supply module， display module， alarm module and other parts. It realizes the data acquisition of body temperature， heart rate， and blood oxygen saturation， enabling real-time data transmission and displaying preliminary processing results on the screen for easy access by users， thereby providing robust support for disease prevention， control， and health management.

Keywords： ATM89C51; body temperature detection; heart rate and blood oxygen detection; data collection; inspection results

目前，健康狀況一直備受矚目，特別是近年來，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人類所面臨的壓力也在不斷加大。然而，盡管科技不斷進步，但人們的健康狀況并未得到明顯改善，許多疾病若能在其初始階段便被及時察覺和警示，其可能造成的傷害便可以得到有效的避免。因此，前期有效的健康檢測日趨重要。其中，具有自動、實時、精確檢測人體生理參數(shù)功能的家用智能醫(yī)療器械已然成為了當前研究的焦點。

1" 設計系統(tǒng)的功能要求與系統(tǒng)組成

1.1" 設計系統(tǒng)的功能

家庭多功能健康檢測儀是一種家庭便攜式的醫(yī)療設備，可以對體溫數(shù)據(jù)和心率血氧數(shù)據(jù)實時、連續(xù)、精準檢測，用戶可以實時了解其身體狀況的基本生理參數(shù)及其變化，為醫(yī)生的進一步臨床診斷、治療及后期的護理提供重要依據(jù)[1]。隨著時代的進步和社會的發(fā)展，公眾對于醫(yī)療保健服務的需求呈現(xiàn)出日益增長的趨勢，廣泛應用于日常生活中的多功能健康檢測儀有望成為醫(yī)療領(lǐng)域的必備工具。隨著生活品質(zhì)的提升，多功能健康檢測儀的市場需求愈發(fā)顯現(xiàn)。然而，現(xiàn)階段該類產(chǎn)品在我國屈指可數(shù)且價格相對較高，因此，設計一款家庭多功能健康檢測儀具有極大的社會價值。

1.2" 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由軟件、硬件2部分組成，硬件結(jié)構(gòu)主要由ATM89C51單片機、MAX30102脈搏血氧和心率檢測生物傳感器、DS18B20溫度傳感器、LCD液晶顯示及蜂鳴器報警等模塊組成。該系統(tǒng)的工作原理是：通過軟件編程，實現(xiàn)各個模塊數(shù)據(jù)采集，然后系統(tǒng)通過指定算法對上述采集數(shù)據(jù)進行處理和分析，得到具體的溫度值、心率值、血氧值，并通過LCD模塊進行顯示。

2" 總體設計

家庭多功能健康檢測儀是一種溫度測量、心率監(jiān)測、血氧檢測、當前數(shù)值顯示和超出閾值報警的系統(tǒng)。其分為一個個具體的模塊，分別是ATM89C51主控器，該芯片負責接收信息并進行處理加工，ATM89C51對各個模塊之間的運行進行精確控制與高效協(xié)調(diào);DS18B20溫度傳感器檢測人體體溫，經(jīng)放大電路將采集到的微弱溫度信號放大后，由模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換傳送給ATM89C51單片機;MAX30102脈搏血氧和心率檢測生物傳感器模塊，將采集的數(shù)據(jù)傳送給ATM89C51單片機;蜂鳴器報警模塊，在接受到的數(shù)據(jù)超過閾值時報警;LCD液晶顯示模塊，負責接收ATM89C51單片機發(fā)送的指令顯示當前溫度、心率、血氧。

該系統(tǒng)包括ATM89C51數(shù)據(jù)處理、心率采集、溫度采集、LCD液晶顯示和蜂鳴器報警，其結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。

2.1" 硬件設計

ATM89C51是Atmel公司推出的一款基于8051內(nèi)核打造的低功率消耗且高效能的CMOS8位微型控制器。ATM89C51具有32個I/O口線，具備與外部設備或者電路進行高速數(shù)據(jù)傳輸及精細化控制的強大功能，本系統(tǒng)中，P0.0—P0.7接四位數(shù)碼管控制段選;P3.5—P3.7接心率血氧采集模塊;P3.4與蜂鳴器相接，當測量值超過閾值蜂鳴器開始報警;P3.3接溫度采集傳感器。單片機控制模塊電路如圖2所示。

2.2" 溫度采集模塊

DS18B20是一款創(chuàng)新式智能溫度傳感器。相較于傳統(tǒng)的熱敏電阻，這款傳感器具有更為卓越的性能，其能直接讀取測量溫度，更具直觀性，其測量范圍為-55～125 ℃，正常情況下誤差為±0.5 ℃，測量結(jié)果可以直接輸出數(shù)字溫度，而且它的抗干擾能力極好，即使在一些極端的環(huán)境下也能較準確地輸出溫度值，同時將采集到的溫度傳給單片機[2-3]。溫度采集電路如圖3所示。

2.3" 心率血氧傳感器模塊

MAX30102是一個集成的脈搏血氧儀和心率檢測儀生物傳感器的模塊。這款脈搏血氧及心率檢測集成傳感器模塊的功耗極低，完善的系統(tǒng)方案可有效節(jié)省空間、簡化智能設備及可穿戴設備的設計流程。此外，還借助了光反射原理測量心率速率和血氧濃度。MAX30102有一個紅光RED和紅外光IR發(fā)光二極管，按照一定的先后順序使2個發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)過手指反射，光電傳感器將發(fā)射光強轉(zhuǎn)換為電壓;然后通過一個18位的高分辨率ADC將采集的模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量[4];在實際應用中，根據(jù)具體情況對其算法進行適當調(diào)整校準。最后經(jīng)過MAX30102內(nèi)置的I2C通信端口，將數(shù)字量送給主控制器。心率血氧采集電路如圖4所示。

2.4" 顯示模塊

LCD1602被廣泛應用于電子產(chǎn)品的屏幕顯示中，為用戶提供了清晰、生動的視覺體驗。其耗電量低、體積小和輻射低。對于本設計而言，通過液晶顯示模塊將檢測的溫度、心率、血氧數(shù)據(jù)信息展示給用戶。液晶顯示電路主要由LCD1602和外圍電路組成，顯示器電路如圖5所示。

2.5" 報警模塊

當人體生理指標出現(xiàn)異常狀況時，采用蜂鳴器發(fā)出警示功能，蜂鳴器報警電路配置了一個蜂鳴器及三極管驅(qū)動器。三極管可視為蜂鳴器的開關(guān)，通過開啟三極管，就能夠?qū)毫蛘叻讲ㄐ盘柺┘又练澍Q器的2個關(guān)鍵控制端口上，從而驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲響。而三極管的觸發(fā)是通過高低電平實現(xiàn)的，當其提供高電平時，便會驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲響;反之，只需提供低電平，蜂鳴器則無須發(fā)出響聲。報警電路如圖6所示。

2.6" 電源模塊

為確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行并達到最佳性能，電源模塊由DC電源接口和開關(guān)構(gòu)成。此外，考慮到電路穩(wěn)定性及各功能模塊對電源供電精確度的需求，其輸出電壓穩(wěn)定，能夠滿足整個系統(tǒng)的供電需求。首先，它可以通過高效率的轉(zhuǎn)換過程將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，減少能量的損耗。其次，可以提供穩(wěn)定的電壓輸出，避免電壓波動對設備造成影響，可以提高設備的工作效率，減少能耗。因此，在此次設計過程中，選用5 V的DC電源接口通過USB線提供給控制系統(tǒng)所需的穩(wěn)定電壓。電源電路如圖7所示。

3" 軟件設計與實現(xiàn)

3.1" 軟件選擇及工作流程

完整的控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，本設計利用ATM89C51單片機為控制中心，利用Keil uVision5進行編譯，設計主要分為主程序模塊、溫度控制模塊、心率血樣采集模塊、報警模塊和液晶顯示模塊。軟件設計主流程如圖8所示。

主程序模塊：系統(tǒng)上電后，首先對系統(tǒng)進行初始化，配置傳感器的引腳，隨后DS18B20溫度傳感器及MAX30102心率血氧傳感器模塊將獲得用戶的體溫數(shù)值、心率頻次和血氧飽和度生理數(shù)據(jù)發(fā)送給主控芯片，隨后對已采集到的各項生理指標參數(shù)進行處理與算法分析;單片機將計算處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給LCD顯示模塊，并且將這些數(shù)據(jù)展示在顯示屏上，便于觀察。如果發(fā)現(xiàn)檢測的參數(shù)中任意一項出現(xiàn)異常（超出規(guī)定的閾值范圍），便立即啟動警報系統(tǒng)。

3.2" 軟件功能實現(xiàn)

1）溫度顯示模塊功能實現(xiàn)。程序設計先進行系統(tǒng)初始化，DS18B20溫度傳感器讀取體溫數(shù)值，經(jīng)過1s延時后[5-6]，利用傳感器內(nèi)部的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行溫度轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后輸出數(shù)據(jù)，返回到主程序，溫度采集模塊流程如圖9所示。

2）心率血氧模塊功能實現(xiàn)。程序設計首先進行系統(tǒng)初始化，MAX30102心率血氧傳感器讀取脈搏波信號，隨后對信號進行濾波去噪處理后放置于緩存區(qū)，單片機通過I2C接口讀寫內(nèi)部寄存器，計算出血氧和心率數(shù)值，讀取出相應的數(shù)據(jù)并顯示數(shù)據(jù)，返回到主程序，心率血氧采集模塊流程如圖10所示。

3）顯示模塊程序設計。首先進行系統(tǒng)初始化，向LCD1602顯示屏發(fā)送字符串，隨后讀取結(jié)果，將讀取的數(shù)據(jù)顯示，最后返回到主程序，顯示模塊流程如圖11所示。

4）報警模塊程序設計。首先進行系統(tǒng)初始化，蜂鳴器判斷數(shù)據(jù)是否異常，即閾值判斷，當溫度大于37 ℃或小于36 ℃;心率大于100次/min或小于60次/min;血氧飽和度大于100%或小于95%;數(shù)據(jù)異常蜂鳴器啟動報警，反之則返回到主程序，報警模塊流程如圖12所示。

4" 系統(tǒng)仿真結(jié)果

Proteus是一款電子設計自動化（EDA）工具軟件。該軟件集原理圖設計、電路仿真、虛擬模型仿真及PCB布局等功能于一體，提供豐富的調(diào)試功能。本文中仿真設置溫度為36 ℃，心率為78次/min，血氧飽和度為98%，最后編譯、加載、仿真，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖13所示。

當設置的參數(shù)溫度大于37 ℃或小于36 ℃;心率大于100次/min或小于60次/min;血氧飽和度大于100%或小于95%蜂鳴器輸出高電平，進行報警，提醒用戶注意健康問題。

5" 結(jié)論

本文圍繞家庭多功能健康檢測儀器的系統(tǒng)設計展開研究，通過深入探討其設計意義、技術(shù)實現(xiàn)與市場前景，旨在為家庭健康檢測提供更為便捷、精準的工具，為用戶提供便捷、高效的健康管理體驗。本文詳細介紹了儀器的硬件組成和軟件設計，包括傳感器工作原理、傳感器選擇、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)傳輸與存儲等方面。然而，在實際應用中仍存在一些不足之處，如設備的便捷性、智能化等方面還有待進一步改進。隨著技術(shù)的不斷進步和市場需求的變化，未來將繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)、提升設備性能，為用戶帶來更加完善的家庭多功能健康檢測體驗。

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