基于单片机的体温脉搏测量仪设计

李亚妹，杨川

（重庆机电职业技术大学，重庆璧山，402760）

0 前言

当今社会，随着经济和科技的快速发展，人们在生活水平提高、物质需求得到满足之后，越来越重视身体的保健和疾病的预防治疗，慢性疾病是威胁健康的主要隐患之一。其中心血管疾病[1]已经成为人类“第一大杀手”，对于此类疾病来说，预防为重中之重，可以做到防患于未然，并在发病的黄金时段做出诊断和治疗。

本文针对以上问题，设计脉搏波以及体温的测量系统。该测量仪由单片机主控芯片模块、电源模块，传感器检测模块、信号处理模块、上位机PC 模块以及相应的软件构成，包括体温测试、脉搏测试两个主要功能。其中电源模块主要实现测量仪的供电，保证测量仪的正常工作。传感器检测模块实现人体生理信号脉搏和体温的采集，信号处理模块通过硬件电路和程序对采集的信号进行处理并通过USB 口上传到上位机。测量仪上电后由工作指示灯和收发指示LED 显示基本工作情况和监测系统的通信状态。下文中将详细介绍体温测量仪的主要功能、特点以及硬件系统设计方案。

1 体温脉搏测量仪功能特点

本测量仪工作电压为5VDC，脉搏波测量范围为幅值0～5VDC，体温测量范围为10～45°，主要实现对人体体温、脉搏波的采集和处理，具有可操作性好、成本低、重复性好的优势，非常方便与居家使用以及社区的推广服务，可以实现以下几个功能。

①实现脉搏、体温的全自动测量；②模数转换、数据存储、数据传输功能及USB 通信；③电池供电或USB 供电两种备选供电模式。

2 硬件设计方案

本测量仪的硬件系统主要由主控芯片HT66F0185模块、体温脉搏采集模块、电源模块、通讯模块四个主要模块构成，其硬件框图如图1 所示。

图1 测量仪硬件系统组成框图

■2.1 体温脉搏测量仪功能设计

本文设计的体温脉搏测量仪主要实现的功能设计为：电池或者USB 为系统提供5V 电源；HK-2000B 型脉搏传感器输出的信号通过硬件电路进行放大、滤波等处理后输入单片机的模数转换端口；PT1000 体温传感器输出的信号通过硬件电路放大、滤波等处理后输入单片机I/O 端口；考虑到具有RS-232 接口的电脑越来越少，作品选用USB 芯片CH341 作为通信接口，数据通过USB 口将数据传送到上位机进行处理。最终可记录到实时体温和两路脉搏信号，通过两个脉搏信号传输时间差，可方便的计算出心血管重要评价参数PWV。

■2.2 电源模块设计

电源模块采用两种供电方式，分别为电池供电和USB供电。如图2 所示。单片机工作电压为3.3V-5.5V。可采用4 节1.2V 充电电池给系统供电，也可以通过USB 接口为主板供电。设计中需要的负电源由镜像电源提供。使用电荷泵芯片LMC7660 产生镜像电压，通过2 芯片并联为放大电路提供足够的电流。LMC7660 应用电路见图2。

图2 镜像电源设计

■2.3 体温采集模块设计

对体温以及脉搏波的采集利用传感器完成。针对现有的传感器进行功能对比，选择性价比高，体温性符合测量仪要求的采集方案。脉搏波采集选择合肥华科电子技术研究所所生产的HK-2000B 型脉搏传感器，传感器为压力传感器，基于脉压法原理输出完整的脉搏波电压信号，经过放大处理获取0～5V 的脉搏信号[3]。单片机对信号采集后将数据传输到PC 端显示，并能够在PC 端完成信号的分析和诊断。

传感器[4]主要技术参数如下：（1）工作电压：直流5～6V；（2）压力量程：-50mmHg～+300mmHg；（3）灵敏度：2000uV/mmHg；（4）灵敏度体温系数：1×10-4/℃；（5）精度：0.5%；（6）重复性：0.5%；（7）迟滞：0.5%（8）过载：100 倍。

脉搏信号前端放大电路如图3 所示，由于脉搏传感器输出的模拟信号电压范围是-0.1～0.6V，输出的模拟信号电压值相对较小，因此需要通过设计反相比例放大器的方式将输出的信号放大到合适的范围。

图3 脉搏信号放大电路

传感器输出的脉搏信号频率较低，容易引入干扰。比如肌体抖动、精神紧张带来的假象信号或者是50Hz 的工频干扰等等。可以采用硬件滤波、单片机软件滤波等放来来处理这些干扰。在本文中硬件低通滤波电路来实现。

采用运算放大器LF444 和相应的电阻、电容组成一个二阶巴特沃斯低通滤波器。该脉搏传感器输出的模拟信号电压范围是-0.1～0.6V，输出有负值，在第一级放大电路中采用的是反相放大电路，因此在此电路中用反相放大电路来实现电压抬升。具体电路如图4 所示。测量的脉搏信号经过处理后通过单片机I/O 端口传送到单片机中，在程序控制下进行两路脉搏波同步采样；将A/D 转换成的数字量由单片机通过USB 接口将脉搏波数据传送到PC 机。

图4

■2.4 脉搏采集模块设计

体温采集利用铂电阻体温传感器PT1000 检测体温输出电信号，再将电流信号转换成数字显示体温，所测得的体温变化曲线和体温值在PC 机上实时显示，实现体温测量。

将PT1000 测量体温设定在10°～45°范围。作品采用的测温电路为恒流电路，首先经过MC1403 芯片产生2.5V 基准电压，而后通过运放构成的恒流电路使得流经Rt 的电流是恒定的，由于流经体温传感器的电流不变，其电压随着阻值的变化而变化，因此反映出的就是体温变化状况。恒流电路如图5 所示。根据体温变化对PT1000 进行体温标定，对测得五组数据进行方差分析，可近似认为PT1000 测量电路输出在10°～45°范围内随体温变化为线性关系，在LabVIEW 程序中可以通过线性映射把体温计算出来。

图5 恒流电路

3 软件设计

该设计利用合泰单片机对脉搏、温度信号的采集进行定时控制，通过传感器采集实时的脉搏和温度信号，并将信号进行放大、滤波等处理。利用硬件电路对信号进行采集及处理，简化了系统软件设计的复杂程度，使设计可行性更好，相对更加稳定。

软件系统工作流程大致为：系统进行初始化设置，通过选项判断采集体温或脉搏信号，进入相应的信号采集环节。体温采集通过传感器PT100 实现，脉搏波通过传感器采集两路脉搏信号，信号采集完成后，经过处理后将结果通过USB 端口送入上位机中。采用LabVIEW 进行结果的运算（PWV 运算）及波形的显示，可以更加直观的观察脉搏和温度信号，并可将最终结果进行打印，以纸质结果的形式供给医护人员查看和存档。

4 结论

文中所设计的脉搏体温测量仪设计方案简单，可行性高。利用单片机控制传感器采集脉搏和温度信号，并通过硬件电路进行信号的处理，将最终的结果通过上位机进行显示。经过测试，该设计可以实现脉搏波和温度的测量，并通过上位机进行脉搏波波形显示、PWV 脉搏波测速、温度实时显示以及报告单打印。操作简单方便，可供给家庭、社区医护人员使用，实现人体脉搏温度信号的自测，为心脑血管慢性病的预防提供便利。