便携式人体生理指标检测毕业设计

便携式人体生理指标检测毕业设计

2014届毕业生毕业设计说明书

题目: 便携式人体生理指标智能检测系统

院系名称：电气工程学院专业班级：测控1002 学生姓名：学号：

指导教师：教师职称：副教授

2014年 5月 9日

摘要

目前，由于中国的老龄化速度加快，中国老年人的数量越来越大，对于老年人来说，身体状况是第一大需要关心的问题，而目前最大的问题就是老年人不能实时地知晓自己的身体各项生理指标，主要是隔一段时间去医院体检一次，但是随着年龄的增长，一些疾病的发作是非常快的，对于某些突发的疾病，并不能做到一出现状况马上通知家人或者医院，以至于造成严重的后果。例如，老年人在运动时，由于运动量过大导致心率突变，接着导致心脏病突发等等。

针对以上情况，本文设计了一款便携式人体生理指标检测器，可以实时地检测人体的脉搏、体温，并对使用者的运动量进行大致估计，使使用者对自己的身体状况有大致的了解。

本设计分为两部分：第一部分为基于单片机的人体指标检测系统.该检测系统采用层次化、模块化设计。传感器采集数据，采集的数据送给单片机进行分析处理，通过软件编程设定各项指标的阈值，用字符型TC1604液晶显示所测的各项数值。并且可以制作PCB板使模块体积尽可能小，系统集成度高、工作稳定、电路简单、检测精度高、调试方便，非常具有实用价值。另一部分是通过SIM900A的GPRS模块进行通信，即传感器检测到人体参数异常，此时单片机控制SIM900A发送预置短信或者拨打预置电话，以便及时通知家人或者医院，对患者进行救治。实现了检测与处理的功能。

关键词：人体生理指标；DS18B20；HK-2000A；AT1604；GPRS；ND-3

Title Portable physiological index detector

Abstract

Currently, due to China 's accelerated aging , the number of China 's old people becoming more and more large , for the elderly, the needs of health care is the biggest problem , but now the most important problem is that the elderly can not know in real time the body's own physiological indicators ,usually once in a while to a medical hospital,But with the increasing of age,the onset of some diseases are very fast,for some diseases occured in a very short of time,we can not notice the family or the hospital timely,then there wil be a serious consequences.for example,when the elder people doing some exercise,due to excessive movement mutations cause heart disease.

For the above situations,This paper designed a portable physiological index detector system,The detection system uses a hierarchical, modular design.the sensors collect the dates,then microcontroller analysis the date,Set thresholds of the indicators by software programming,useing the LCD1604 to display the numbers,and we can use PCB to make the volume as small as possible.System is highly integrated, stable, simple circuit, high precision, easy debugging,the systemhas highly practical value,The other part is to communicate via GPRS module SIM900A.the sensors detact the unnormal date,the the MCU orderd SIM900A to call the proset phone number or send the text message to notice the family or the hospital timely and then treat the patients.achieve the function of detect and control.

Key words: Physiological indicators；DS18B20；HK-2000A；AT1604；GPRS ND-3

目录

摘要.................... 错误!未定义书签。Abstract ................................. II 1 绪论.. (1)

1.1 选题背景 (1)

1.2 选题的现实意义 (2)

1.3 国内外相关研究现状 (2)

1.4 设计内容 (2)

2 系统设计 (3)

2.1 系统的软件设计 (3)

2.2 硬件设计 (3)

2.2.1 方案设计 (3)

2.2.2 电路设计 (5)

2.2.3 版图设计 (12)

2.3 系统仿真 (13)

2.3.1 protues仿真软件介绍 (13)

2.3.2 protues仿真绘图步骤 (14)

2.3.3 仿真版图设计与运行 (14)

3 硬件实现 (16)

3.1 实物搭建 (16)

3.1.2 集成式脉搏传感器HK-2000A .. 18

3.1.3 温度传感器DS18B20 (19)

3.1.4 微震动传感器ND-3 (20)

3.1.5 SIM900A无线通信模块 (20)

3.1.7 LCD显示 (21)

3.1.8 完整实物 (21)

3.2 测试结果及分析 (21)

结论 (22)

致谢 (23)

参考文献 (24)

1 绪论

1.1 选题背景

随着中国人口老龄化的加快，老年人的数量越来越大，照顾好这些老年人成了一个非常重要的问题。但是目前许多老年人的身边并无子女陪伴，通常都是和老伴生活在一起，身体检查也只是隔段时间去一次医院，并不能随时知道自己的生体状况，随着年龄的增大，这些老年人的身体日益衰弱，对于某些突发性疾病，可能自己根本来不及处理，要等到被人发现才能得到救治，这样就会延误最佳治疗时期，进而造成严重的后果。

在人体各项生理指标中，体温、脉搏是最容易测量的，许多疾病的发生都伴随着这两种指标的变化，人体舌下正常的温度为36.3~37.2℃，腋下的正常温度为36~37℃，一般测量体温都是用腋下温度。体温作为身体是否健康的晴雨表，关系着人的生理机能的正常运作，是一个非常重要的参数，对体温的测量是本设计中一个相当重要的环节。

脉搏可以反映出人体的某些变化，例如脉搏的频率和人的心肺功能有非常重要的联系，老年人的脉搏不能过快，否则会使心脏和肺部的负担增加，脉搏的不正常很有可能诱发某些突发疾病，如心肌梗塞，突发性心脏病等，所以时常保持稳定的脉搏，对保持身体健康又很大的意义。

设计中采用的是HK-2000A集成式脉搏传感器，传感器部分只有一块钱硬币大小，并且其后续A/D转换电路，放大电路，滤波电路已经集成，输出的信号可以直接接入单片机，可靠性强，佩戴非常方便，能够很好地满足本设计的要求。

ND-3微振动传感器在本设计中是作为对老年人运动量的估计模块而存在，其输出为标准正弦波，因为体积非常小，所以没能集成模数转换电路，需要外加转换电路。该传感器可以检测使用者在某一时间段内所行走的步数，乘以每步的间距，老年人的休闲一般以散步为主，用这款装置就能估计使用者每天的行走路程了。

后续处理采用SIM900A的GPRS通信模块，通过软件控制的方法，将电话号码预置到模块中，一旦传感器检测到某个参数超出正常值，并且一定时间后没有恢复到正常值，则模块向预置号码发出警告短信或直接拨打电话给预置号码。

1.2 选题的现实意义

本设计所选择的DS18B20、HK-2000A传感器体积小，高稳定性，高抗干扰能力，响应快，功耗低，并且可以直接和一个8位高性能单片机连接，使之成为该设计的最佳选择。

在市场上的众多单片机中，本设计选择AT89S52单片机作为处理器，其特点是高性能，低功耗，低成本，广泛应用于许多嵌入式的设计当中。

本设计具有成本低，便于携带的特点，并且针对老年人对电子产品了解不多的情况，仅仅设计了复位、开机、报警这几个必须按键，操作十分简单。

使用者佩戴上该仪器过后，完全可以进行正常地工作，基本不会影响正常的日常生活，

1.3 国内外相关研究现状

目前在市场上已经有许多款简单的生理指标检测仪在销售，例如Jawbone公司于今年发布的UP 24手环，佩戴极其方便，但是其生理检测功能只能检测步数，大致计算卡路里的消耗，而且必须和手机客户端配套使用，生理检测功能单一，受众面比较窄。三星最近几年一直在更新一款智能手表，Galaxy Gear智能腕表，可以拨打电话，发送短信，还能简单上网，但是其功能上也只有检测步数这一项，不能满足现在人们的需求。苹果公司将要推出一款智能手表iwatch，苹果公司为其专门配置了医疗团队，一般的生理指标检测完全能够实现，并且可以打电话，发短信，上网，同时具有报警功能，功能非常强大，在未来的智能手表领域这款手表应该是作为领军者存在的。

1.4 设计内容

本设计以以体温脉搏检测为核心思想，用温度传感器DS18B20和HK-2000A脉搏传感器检测体温和脉搏，将模拟信号转换为数字信号，再将数据分别送给单片机和计算机进行处理和显示，最后通过GPRS模块来进行通信报警工作。根据人体正常生理参数的范围设定体温脉搏上限值，使用液晶显示屏显示各项参数，并且能够发送警示短信和拨打警示电话，只要发现所测得的参数超过设定的值，可以即刻报警。由于考虑到在实际用的过程中，电子器件不可能百分之百可靠，可能人体某项指标已经超出正常值，但是传感器却没有检测出来；或者其他某项生理参数已经超标，使用者已经感觉到身体状况不对，但是却不知道是哪里不正常，并且已经丧失自救能力。针对这

种情况，本文设置了一个报警按钮，只要按下该按钮，GPRS模块立即拨打指定电话号码。

2 系统设计

2.1 系统的软件设计

系统软件设计主要用到Altium designer、Keil、protues仿真这几款软件，首先写出程序流程图，再根据流程图用keil这款C语言编程软件写出程序，编译并调试程序，看是否有错误，待程序调试正确后，再用protues画出仿真图，将程序导入仿真图中，验证电路、程序是否正确。其软件流程图如图2.1所示。

图2.1：软件设计流程图

2.2 硬件设计

2.2.1 方案设计

1、体温检测方案设计

体温的测量必须做到尽可能准确，通常我们测量体温时都是测量的腋下温度，人

体腋下的正常温度范围是36.0℃-37.0℃，其测量允许的误差范围是±0.2℃,针对此情况,在设计时设计了以下两种测量方案.

方案一：以AT89S52单片机为主控组件，采用MLX90614数字型传感器佩戴在身上，测得值送入单片机中进行处理，然后由LCD1604进行显示测得的体温数值，通过比较测得值和预设值的大小，即可体温是否超出限定值。若超出限定值，则单片机发出控报警声，若体温超过警戒值，则控制GPRS模块拨打电话或者发送短信，以便及时通知使用者家人。使用者还可以通过按键系统改变单片机内预设的体温值，以使系统适应不同地区和不同环境的温度变化。然后通过LCD1604显示器显示出检测值。

此方案可以完成体温的测量，但是在实际的使用中MLX90614传感器有一个致命的缺点，这款传感器的非医用型测量的是其视场范围内所有物体的平均温，这样所得到的体温数值误差将会很大，虽然可以将其放置于贴身的地方来进行测量，但是这样就带来了使用上的不方便。而医用型价格昂贵，不适用于本设计。

方案二：体温数据采集可以通过探头式温度传感器DS18B20来采集，该传感器使用探头式结构，将传感器放置于探头内部，外面用导热性良好的材料包裹，需要使用时直接将探头置于腋下即可，测量精度高，使用方便，并且不同的人使用时不用将装置取下来再进行佩戴，直接将探头放入需要测温的地方即可。采集到的数据送入80S52单片机中，再通过1604液晶显示出来，单片机比较测量结果后，对结果做出相应的判断，控制CPRS模块进行发送短信或者拨打电话。实现了实时监控。如有需要，使用者还可根据自身实际情况通过键盘或者旋钮来手动设定片内存储的预定阈值。通过对整个控制系统的核心部分的设计，完成体温指标监控的目标。

该方案简单实用，在操作上属于“傻瓜式操作”，克服了方案一中测量精度不高的问题，并且成本低廉，有很高的实用价值。

2、脉搏检测的方案设计

传统的医学检测脉搏主要有两种方法，一种是中医使用的切诊，另一种为西医使用的听诊法，对于切诊来说，需要医师有着丰富的经验，能依据脉搏跳动的频率以及跳动力度的大小来判断就诊者身体是否有恙，但是这项工作一般人是无法完成的。西医所使用的听诊，一般人最多能听到心跳的声音，但是并不能根据心率来判断该心率是否正常。针对这样的情况，在设计时就必须考虑到涉及到所设计出的实物使用上的简便性，最好能做到“傻瓜式”操作，基于此，本文设计了以下两种方案。

方案一：采用压电薄膜式传感器，压电薄膜拥有特殊的压电特性，作为一种动态应变传感器，在人体皮肤表面或者植入人体内部作为信号检测器件得到了广泛的应用。有一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。

当拉伸或弯曲一片压电薄膜时，薄膜的上下电极表面之间就会产生一个电压信号或者电荷信号，并且信号的大小同拉伸或弯曲的形变程度成比例。一般的压电材料都对压力敏感，但是对压电薄膜来说，当一个很小的力施加在纵向上时，横向上就会产生一个十分大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力，产生的应力会则小很多。因此，压电薄膜对动态应力非常敏感。

采集到信号以后通过A/D转换输入单片机进行处理，并控制后续模块进行处理。

在进行实物操作时，此方案在操作上遇到了很多问题，例如实用一般的压电薄膜传感器的输出信号非常微弱，放大后杂讯又特别明显，若是进行滤波器工作量又特别巨大，而且这回造成一个很致命的缺陷：实物体积过大，与本设计的核心思想相矛盾。

方案二：对脉搏的检测通过HK-2000A集成式脉搏传感器来实现，此款脉搏传感器中，已经集成了信号放大电路，滤波电路和A/D转换电路，其输出信号是规则的脉冲波，可以直接接入单片机进行处理，体积小，便于携带，可以随时安装拆卸。

方案二所采用的HK-2000A集成式脉搏传感器就很好地克服了方案一所述的问题，该传感器已经将放大电路、滤波电路集成到传感器内部，这样就减少了在实物连接时所造成的杂讯干扰，使输出波形为脉冲波，可以直接送入单片机。所以本设计测量脉搏选择HK-2000A集成式脉搏传感器。

3 运动量测量的方案设计

运动量的检测,基于人走动时身体会产生抖动，若是在身上放置一个微震动传感器，当人走动产生振动时，传感器就能检测到该抖动，进而输出一个电压或者电流信号，我们可以将这个信号采集到，进行信号处理后送入单片机，由单片机来记步数。将所得到的步数乘以步距来大致估算使用者所走的路程。基于此，本文采用ND-3微震动传感器作为振动感应器来检测步数，该传感器体积小，使用方便将其佩戴在腰部即可。其输出为正弦波，输出正弦波的频率和幅值的大小跟随运动的强弱变化而变化，经过一个过零比较器将正弦波转化为方波，就能送入单片机进行计数，结构简单，使用方便，能够满足本文的要求。

2.2.2 电路设计

本设计采用探头式温度传感器DS18B20来采集温度信号，采集到的信号送入单片

机进行处理。通过软件来预设温度阈值，若温度超出预设上下限，则蜂鸣器报警，若超过警戒线，则会直接通过GPRS模块向预设号码发送短信或者拨打电话，采用HK-2000A集成式脉搏传感器进行脉搏的检测，当压电薄膜感应到震动时，薄膜会产生一个电压，经过内置的放大器和A/D转换电路后，传感器会输出一个脉冲，因为输出为脉冲信号，所以可以直接送入单片机进行处理。对运动量的估计采用的是ND-3微振动传感器来实现，来总体设计框图见图2.1所示。

图2.1：整体设计图

AT89S52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低功耗、高性能的CMOS8位微处理器。拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH，使得AT89S52应用非常广泛。其结构图如图2.2所示

图2.2 AT89S52单片机最小系统

P0口是八位双向I/O口，可被作为低8位地址/数据复用端口。

P1口是八位双向I/O口，主要作为通用I/O使用。

P2口是八位双向I/O口，当访问外部数据存储器时，可用作高8位地址端口。

P3口是八位双向I/O口，除了作为通用I/O口使用外，主要是使用其第二功能。

晶振为单片机提供工作脉冲，单片机的工作速度就靠这个脉冲来决定。单片机工作所需要的时钟信号依靠晶振电路用于产生，单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。通常在引脚XTALl和XTAL2跨接两个补偿电容和石英晶体构成自激振荡器，如图2.3中Y2、C1、C2。可以根据情况选择6MHz、12MHz或24MHz等频率的石英晶体。而单片机工作速度是每秒 11.0592M，即此次晶振选择12M，通常选择30pF左右的瓷片电容作为补偿电容。晶振电路如图2.4所示。

图2.3 晶振电路

图2.4 复位电路

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后多种场合都可以运用它，这款传感器有多种形式，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，型号多种多样，封装后的DS18B20主要用于人体温度检测，锅炉测温，农业大棚测温，弹药库测温等各种非极限温度场合，体积小，耐磨耐碰，使用方便，封装形式有许多种，在狭小空间设备的数字测温和控制领域都能得到良好的应用。其内部结构框图如图2.5所示。

图2.5 DS18B20内部的结构框图

DS18B20主要有两种封装方式，分别为PR-35封装和SOSI封装，本设计采用的是SISO封装，其引脚分布视图如图3.6所示，具体的引脚功能如下：

图3.6 DS18B20的顶端引脚分布视图VDD：外部电源输入；

GND：地和外壳相连；

I/O：与单片机相连接，实现数据的传输。

在与单片机进行连接时，考虑到单片机的定时器全部需要用到，6个中断源全部都需要使用，而这些中断源的接口并没有另外设计，而是和普通I/O口集成到一起，但是使用时只能使用其中一个功能，所以在程序编写时要注意进行模块化编写，将所有要用到的中断程序编在一起，写成一个头文件添加进工程。

图2.7 DS18B20红外传感器电路设计

H K-2000A集成式脉搏传感器采用高度集成化工艺将力敏元件(PVDF压电膜)、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内。压电式原理采集信号，

模拟信号输出，输出同步于脉搏波动的脉冲信号，脉搏波动一次输出一正脉冲。该产品可用于脉率检测，如运动、健身器材设备中的心率测试。

主要特点：技术指标：

·模拟脉冲信号输出·电源电压3～12V

·灵敏度高·压力量程-50～+300mmH g

·抗干扰性能力强·过载：100倍

·一致性好·输出高电平：大于VCC-1.5V

·性能可靠，使用时间长·输出低电平：小于0.2V

其输出波形如图2.8所示

图2.8 HK-2000A输出波形

在方案设计中已经详细说明了该款传感器的优势，该模块与单片机的P3^2相连接，电源线和地线可以直接通过单片机供电，其VCC和GND和DS18B20的VCC和GND 相连接，以减少电源的数量。

ND-3微震动传感器是一种有源的高灵敏度微功耗检测元件，外型见图2.9。它采用1.5V—15V的电压范围供电，在3V电压工作时时耗电小于150μA，7V时耗电小于350μA。其内部集成了微震动感应原件、高倍数功放器件，故能感应到极其微弱的振动信号，其电压输出幅值很大，后级电路可以由传感器输出直接触发。其输出信号为正弦波，振动的强弱决定输出信号幅值的大小，它共有三个接线端，其中红线或黄线为电源正极，白色线为信号输出端，双芯屏蔽线接地，使用时，将传感器牢牢固定在被监测物体上。传感器与被检测体接触越紧密，其输出波形越好，灵敏度越高。

图2.9 ND-3微振动传感器

液晶显示器件（LCD）独有的特性是低压、低功耗，这使他在单片机系统中特得到

了广泛的应用，常用的液晶显示模块分为点阵字符液晶模块、数显液晶模块和点阵图

形液晶模块，在我国应用较为广泛的是图形液晶模块，因为汉字不能象西文字符那样

用字符模块即可显示，要想显示汉字必须用图形模块。LM041L的字符型液晶显示器如

图2.10所示，管脚说明如表2.1所示。

图2.10 1604液晶屏

管脚号管脚电平说明

1 VSS 0V 电源地端

2 VDD 5.0V 电源地端

3 VEE LCD驱动电源

4 RS H/L 数据\指令选择：高电平：数据D0-D7将送入显示寄

存器；

低电平:指令寄存器执行D0-D7送入的数据

5 R/W H/L 读\写选择：高电平：读数据；低电平：写数据

6 E H/L 读写使能，高电平有效，下降沿数据锁定

7 DB0 H/L 数据输出输入引脚

8 DB1 H/L 数据输出输入引脚

9 DB2 H/L 数据输出输入引脚

10 DB3 H/L 数据输出输入引脚

11 DB4 H/L 数据输出输入引脚

12 DB5 H/L 数据输出输入引脚

13 DB6 H/L 数据输出输入引脚

14 DB7 H/L 数据输出输入引脚

表3.1 1604液晶管脚说明

SIM900A是一款集成式的无线通讯模块，使用简单，仅需根据厂家提供的AT指令就能实现一系列功能，例如打电话，发短信，简单定位等等。本设计采用该模块来实现短信和电话报警功能。其主要参数如图2.11所示。

图2.11 GPRS模块主要参数

这款模块的datasheet对电源电压的要求是3.7—5V的直流电源，但是在实际的使用过程中，直接使用单片机的电源给其供电时的效果比较差，表现为搜索信号十分缓慢和发送短信拨打电话的指令经常无法执行。经过多次调试试验，我们发现在3.7V 的工作电压下模块的使用效果非常好，接收指令、拨打电话和发送短信的功能实现得非常好，基于此，我们对该模块单独供电，由于在实验室没有现成的3.7V电压源，所以我们采用一块变压芯片将电源输出的12V电压转化为3.7V为模块供电，变压器采用的是集成化设计，只需要调节变压器上电阻的阻值，就能实现输出电压的变化。

2.2.3 版图设计

Altium Designer 这款设计软件是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统上。这套软件通过把原理图设计、PCB绘制编辑、电路仿真、拓扑逻辑自动布线、设计输出和信号完整性分析等技术的完美融合，为电路设计者提供了许多全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。

其主要功能有：

1、电路原理图设计；

2、PCB版设计；

3、FPGA的开发；

4、嵌入式的开发等

根据上述的电路设计思路，用Altium designer绘制出完整的电路图。电路图如图2.12所示。