脉搏波体温无线监护系统设计毕业设计论文Word文档下载推荐.docx
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第一章绪论
1.1脉搏信号的研究意义
脉搏是由心脏搏动而引起,经动脉和血流传至远端的桡动脉处,它携带有丰富的人体健康状况信息。
早在公元前7世纪脉诊就成为中医的一项独特诊病方法，但自古以来中医独特的诊断方法及治病的疗效总是笼罩着一层神秘的面纱。
中医一直是靠手指获取脉搏信息,这难免存在许多主观臆断因素,况且这种用手指切脉的技巧很难掌握,因此人们迫切期望尽早实现脉诊的科学化和现代化。
随着传感器技术及计算机处理技术的发展，人们希望能够将现代技术应用于中医脉象诊断，以便更科学、更客观地揭示脉象的实质与特征。
另一方面从西医的角度看,近年来人们也试图根据脉搏波的变异性来评价和诊断人体心血管系统的病变,以便能找到一个有效的心血管疾病早期无创诊断的方法。
因此,对脉搏信号进行检测、采集和处理是一项重要而很有意义的基础工作,它是对脉搏信号进一步分析并依此对心脏及动脉血管系统疾病进行预报和诊断的前提。
1.2体温测量的意义
正常人体温相对稳定，24小时内下午体温较早晨略高，剧烈劳动或进餐后体温也可略有升高，但一般波动范围不超过1℃。
老年人代谢率较低，体温相对低于青壮年。
妇女在月经前及妊娠期体温稍高于正常。
以口腔的温度为标准，根据体温升高程度的不同，分为：
低热：
37.3~38℃。
中等热：
38.1~39℃。
高热：
39.1~41℃。
超高热：
41℃以上。
测量体温通常使用的方法有三种：
腋测法、口测法、肛测法。
腋测法需要10分钟，口测法和肛测法各需要5分钟。
其正常参考值如下：
腋测法的正常值：
36～37℃。
口测法的正常值：
36.3~37.2℃。
肛测法的正常值：
36.5~37.7℃。
根据不同被测部位的温度值可以监测到病人体温正常与否。
1.3本文研究内容
本论文所研究的内容是通过对脉搏信号和体温信号的采集与处理，利用无线传输技术以达到无线监控的作用。
脉搏信号采集模块获取的脉搏信号为模拟信号，模拟信号要经过模数转换后，单片机才能对脉搏信号作进一步的处理。
体温信号由数字温度传感器DS18B20获取，得到的信号为数字信号，单片机可以直接处理体温信号。
nRF401的发送与接收都是由单片机来控制。
主机通过控制nRF401将数据流（如0x55，0xAA，0x×
×
，0x×
）发送出去，从机控制nRF401的接收，只要从机能够连续收到识别信号（0x55，0xAA），就能够将识别信号后面的数据接收。
接收后的数据再经过串行通信将数据传输到上位机以显示脉搏波形与体温读数。
第二章系统设计与计算机仿真
2.1系统说明及设计总体框图
本系统主要分为五个模块：
脉搏信号采集模块、体温采集显示与报警模块、无线发送模块、无线接收模块、上位机软件。
信号采集模块包括以下电路：
带通滤波器电路、主放大电路、50Hz陷波电路、电平提升电路、模数转换电路。
无线发送模块与无线接收模块主要由单片机AT89S52与射频芯片nRF401组成。
上位机软件使用LabView8.2所编写，用以显示脉搏波形与体温读数。
脉搏信号通过脉搏传感器获取，信号经过采集模块的处理与优化。
体温信号由数字温度传感器DS18B20获取。
DS18B20利用一线总线的技术与MCU直接连接，MCU控制DS18B20的读写。
脉搏信号与体温信号由发送模块分别将两种信号发送。
接收模块使用串行中断的方式来接收数据，模块接收到信号（如0x55，0xAA，0x11,0x22前两个字节是识别信号，后两个字节分别是脉搏信号与体温信号）且识别信号正确，接收模块将后两个字节通过串行通信的方式发送到PC机。
下位机软件代码见附录A，编程相关资料见附录B、C、D。
脉搏数据与体温数据经过上位机的处理，脉搏波形与体温读数就会显示出来，以达到监护的目的。
总体设计框图如图2.1所示，系统电路原理图见附录E。
图2.1总体设计框图
2.2脉搏信号采集电路及电路仿真
2.2.1带通滤波器电路
本电路使用软件ProtelDXP2004进行原理图的绘制和电路的仿真。
如图2.2所示。
脉搏传感器把脉搏信号转换成电信号，从输入端输入，通过带通滤波器（使用集成运放LM358）后将信号传递到下一级放大电路。
本电路的放大倍数AVF为1倍，下限频率fL=2.4183Hz,上限频率fH=52.502Hz。
通频带BW=50.084Hz。
计算方法为：
，
（2-1）
本电路输入信号频率f为100Hz，基线为0V，峰峰值为2V的正弦波，经过带通滤波器后，输出信号降低1倍，频域与时域的分析结果如图2.3所示。
图2.2带通滤波器仿真电路
图2.3频域与时域的仿真分析结果
2.2.2主放大电路
如图2.4所示，本电路输入信号频率为20Hz，基线为0V，峰峰值为2V的正弦波，主放大电路使用集成运放OP07作为信号放大器。
脉搏信号经过脉搏传感器转变成电信号的幅度比较大，一般可以达到500mV~1V。
本反相比例运算放大电路的放大倍数运算方法为：
（2-2）
仿真结果如图2.5所示，输入信号被放大3倍。
图2.4主放大仿真电路
图2.5时域仿真分析结果
2.2.350Hz陷波电路
生物医学信号频带都包含交流电频率（50Hz），因此测量电路中50Hz交流电带来的干扰非常普遍，经常会用到50Hz陷波器。
如图2.6所示。
电路中的元件取R3=R4=R=2R5=20KΩ，C1=C2=C=0.5C3=160nF。
闭环增益、特征频率、等效品质因素分别为：
（2-3）
两个截止频率为：
（2-4）
（2-5）
阻带宽度为：
（2-6）
本电路输入信号频率为50Hz，基线为0V，峰峰值为2V的正弦波，信号在50Hz处衰减很大，符合电路设计要求。
电路仿真的频域分析与时域分析结果如图2.7所示。
图2.650Hz陷波器仿真电路
图2.7频域与时域的仿真分析结果
2.2.4电平提升电路
生物医学信号由传感器采集经过放大处理，得到的信号幅度范围不一定适合后续电路的要求，即有可能部份为负值或者含有的直流成分过高。
在进行AD转换时若输入模拟信号幅度为负值会被当成0来处理，转换后信号重现时会出现失真，若直流成分过高，可能会造成信号幅度最大值超过了AD转换允许最大值，也会出现失真。
因此在进行AD转换前就必须对信号幅度值进行相关的处理，如电平提升，如图2.8所示。
本电路输入信号频率为50Hz，基线为0V，峰峰值为2V的正弦波。
改变滑动电阻的位置，调整输出电压，仿真分析如图2.9所示。
电压输出的计算方法为：
（2-7）
图2.8电平提升仿真电路
图2.9时域仿真分析结果
2.2.5模数转换电路
模数转换电路使用软件Proteus7.5进行仿真。
生物信号经过放大处理后，若要送入计算机进行存储、显示等操作，必须要进行数字化转换，即将模拟信号经过模数转换，转换成数字信号。
本电路使用ADC0832作为模数转换芯片。
参考电压REF为5V，因此ADC0832的最小电压分辨率为REF/255。
当输入电压为4V时，经模数转换后为0xCC，0xCC的十进制为204，204*REF/255≈4V，转换正确。
当输入电压为2.5V时，经模数转换后为0x80，0x80的十进制为128，128*REF/255≈2.5098V，转换正确。
转换结果使用8个LED来显示，LED发亮的为高电平，左边为最高位。
如图2.10所示。
图2.10模数转换仿真
2.3体温采集与显示、报警电路及仿真
体温信号采集使用数字温度传感器DS18B20来获取体温值。
Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
DS18B20测量温度范围为-55°
C~+125°
C，在-10~+85°
C范围内,精度为±
0.5°
C。
温度值显示方面是使用了集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器MAX7219，它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示，也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。
其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而且还有一个8*8的静态RAM用来存储每一个数据。
只有一个外部寄存器用来设置各个LED的段电流。
体温信号采集、显示与过热报警电路使用软件Proteus7.5进行仿真。
体温测量电路使用数字温度传感器DS18B20来获取人体体温信号。
DS18B20只需用一根数据线与单片机连接就可以完成数据的读写操作。
DS18B20正常工作时，LED发光。
系统上电复位完成后，可以设定报警温度，也可以不设定，不设定时，温度预设定为36.0℃。
当按下开始工作按钮时，数码管就会显示预设报警温度和当前人体温度。
如图2.12所示，DS18B20上显示为27.0℃，报警温度设定为24.7℃，获取温度大于报警温度，危险警告灯LED_D发光。
图2.11体温信号采集、显示与过热报警仿真
2.4无线模块设计
数据的无线发送与无线接收是使用了无线射频芯片nRF401。
nRF401是一个为433MHzISM频段设计的真正单片超高频无线收发芯片它采用频移键控调制解调技术。
超高频（UHF-UltraHighFrequency）分米波段UHF波段是指频率为300~3000MHz的特高频无线电波。
nRF401含有两个频道，分别是433.92MHz和434.33MHz。
本设计采用433.92MHz作为发送接收频道。
频移键控（FSK-Frequencyshiftkeying）是用数字信号去调制载波的频率。
是信息传输中使用得较早的一种调制方式,它的主要优点是:
实现起来较容易,抗噪声与抗衰减的性能较好。
在中低速数据传输中得到了广泛的应用。
nRF401最高工作速率可以达到20kbit/s，发射功率可以调整，最大发射功率是+10dBm。
天线接口设计为差分天线以便于使用低成本的PCB天线。
nRF401还具有待机模式，这样可以更省电和高效。
nRF401的工作电压范围可以从2.7~5V。
nRF401的发送与接收处理：
在系统上电复位后，nRF401首先要进行初始化，使nRF401进入到发射模式。
当脉搏数据与体温数据获取后，数据发送格式为（0xFF，0xAA，0x×
），前两个字节是接收模块确认接收数据正确的标识位。
第三个字节是脉搏数据，第四个字节体温数据的高8位，第五个字节是体温数据的低8位。
当发送模块将数据发送出去后，接收模块是以串行中断的方式来接收数据的。
如果连续接收到的数据为0xFF、0xAA，程序就会继续接收后面的三个字节数据，如果标识码错误，程序就会结束当前中断，等待下一次的中断。
第三章上位机软件设计
3.1利用LabView设计串行通信程序
LabView是实验室虚拟仪器工程工作台（LabVirtualInstrumentsEngineeringWorkbench）的简称，是美国国家仪器公司（NationalInstruments）开发的虚拟仪器开发平台软件，它的功能强大灵活，可以广泛应用于自动测量系统、工业过程自动化、实验室仿真等各个领域。
LabView使用图形化编程语言，简单直观，极大节省程序开发时间，同时LabView可提供丰富的库函数和功能模块，可完成各种各样的复杂编程任务。
本系统程序使用LabView8.2来编写。
此系统在软件上的设计具体有三个模块，分别是：
串行通信模块、脉搏波形显示模块、体温值计算与显示模块。
串行通信模块程序使用LabView中的VISA串口系列的子VI来编写。
VISA是应用与仪器编程的标准I/O应用程序接口（API），VISA本身并不具有仪器编程能力，VISA是调用底层驱动器的高层API。
与串口通信有关的VISA的子VI如图3.1所示。
图3.1VISA串口系列子VI
串行通信模块在设计上使用了VISA串口系列中的四个子VI，分别是：
VISAConfigureSerialPort、VISA读取、VISA清空I/O缓冲区、VISA关闭。
在LabView中操作串口时，首先需要调用VISAConfigureSerialPort完成串口的参数设置，包括串口资源分配、波特率、数据位、停止位、校验位和流控制。
本模块中，串口资源名称会自动检测可用的IO串口，波特率使用了枚举变量来提供选择，以满足不同传输速度的要求。
由于nRF401射频芯片的最大发射速度为20kb/s，所以此模块将波特率为19200作为默认选项。
而数据位、停止位、校验位和流控制不作处理。
以上设置如图3.2所示。
图3.2VISAConfigureSerialPort串口的参数设置
当设置好串口参数后就可以读取数据缓冲区内的数据。
VISA读取VI每次读取三个字节的数据，因为无线发送模块每次发送字节流为0x55，0xFF，0x×
，0x55和0xFF为识别码。
无线接收模块使用串行中断来接收数据，当确认识别码正确的时候，处理器就认为本次串行中断有效，开始接收识别码后面的三个字节数据，第一个字节数据为脉搏数据，第二个字节数据为体温数据的高8位，第三个字节数据为体温数据的低8位。
经过VISA读取VI读取出来的数据为字符串数据，所以要通过字符串至字节数组和无符号单字节整型的转换。
三个数据经过转换后就存放到索引数组里面，等待下一级的处理。
VISA读取VI每经过一次读取操作后，VISA清空I/O缓冲区子VI都会将接收缓冲区内的数据清空，这样就能够显示动态的数据。
当清空缓冲区操作结束后，VISA关闭VI就会结束本次通信会话。
以上说明如图3.3所示。
图3.3读取数据及后续相关操作
3.2脉搏波形显示模块
为了能够显示脉搏波形，必需对经过串行通信模块所传输过来的数据作进一步的处理。
根据上一步的处理，已经将所需要的数据存放到了索引数组里面。
从索引数组里读出索引值为0的元素。
无符号单字节整型数据范围为0~255，因此要将数据转换相对应的电压值以作进一步的处理。
数据转换成相对应电压数值的步骤如下：
首先读取一个数据（例如所读取的字节数据为0xCC，无符号单字节整型值为204），ADC0832是一个8位逐次逼近式的模数转换器件，转换后能表示的数值最大为255。
ADC0832的参考电压为5V，电压值的最少分辨率为5V/255≈0.0196V，所以0xCC所表示的电压值为：
204*5/255=4V，经转换后的数值存放到移位寄存器中。
在LabView中使用XY图来显示波形数据。
实现波形显示的方法如下：
首先读取移位寄存器中的数据个数K，然后使用一个for循环结构选择所需要的数据个数N，K-N-1得出将要显示的数据的开始索引值。
例如现在的移位寄存器中有数据（1，2，3，4，5，6，7），for循环的值为2，K-N-1=4，所以得出索引值为4。
接着使用一个数组子集，将移位寄存器中的数据转换成一维数组，数组长度为for循环N的引出值，数组索引为K-N-1的值，然后将数组子集的输出端接至贝塞尔数字滤波器的输入端，贝塞尔数字滤波器输出端与for循环的i的输出端捆绑起来至XY图的输入端，XY图引出属性节点来调节电压值。
这样波形就可以显示出来了。
程序框图如图3.4所示。
图3.4脉搏波形显示模块程序框图
3.3体温值计算与显示模块
从串行通信模块中的索引数组中读取索引值为1和2的元素，索引值为1和2的元素再转换成无符号双字节整型。
体温数据是由两个字节组成的，索引值为1的元素是体温数据的高8位，索引值为2的元素为低8位。
所以要将索引值为1的元素左移8位，然后与低8位相加，变成一个双字节数据L。
数字温度传感器DS18B20的最小温度分辨率为0.0625，所以温度值Value=L*0.0625（双字节数据被强制转换成双精度浮点型数据）。
之后再将温度值的十位、个位、分位分别计算出来，最后分别与已经设计好的数码管显示器（数码管显示器总共有10个显示数字，范围为0~9，程序框图及外观如图3.5所示）连接，这样温度值就可以显示出来了。
模块程序框图如图3.6所示。
图3.5数码管显示器程序框图及外观
图3.6体温值计算与显示模块程序框图
第四章系统模块电路调试
4.1脉搏信号采集与模块电路调试
脉搏波传感器的种类很多，就其基本原理来分，大体有三种：
液体传导式、接触传导式、光传导式。
我们经常使用的是接触式和光导式。
光导式脉搏传感器是采用光电传感器测量指端容积脉搏波，可分为透射式和反射式两种，容积脉搏波信号采集多用投射型光电传感器。
透射测量方式如图4.1左图所示，传感器的发光管和光敏接收器件置于所测量组织相对的两侧，入射光穿过皮肤进入深层组织，除被皮肤、肌肉、血液等吸收外，有一部分由于血液的漫反射回去，剩余部分则投射出来被光敏传感器件接收，它适合于测量两面距离比较短的组织，如耳垂、手指、脚趾等。
本设计所使用的脉搏波传感器为光导式传感器，如图4.1右图所示。
图4.1脉搏波透射式测量方法与光导式脉搏传感器
4.1.1主放大电路调试
使用数字信号波形发生器产生一个频率为20Hz，基线为0V，峰峰值为2V的正弦波。
在示波器中，CH1为输入信号，CH2为输出信号。
输入信号CH1经过主放大电路后，电压放大倍数为VPP
（1）/VPP
（2）≈3。
根据反相比例放大电路的电压放大倍数公式计算所得出的理论结果与实际结果相接近，为了能够更灵活地调节电压的输出，反馈电阻使用了滑动变阻器以根据实际需要来调节放大倍数。
调试结果如图4.2所示。
图4.2主放大电路实际调试结果图4.350Hz陷波器电路实际调试结果
4.1.250Hz陷波器电路调试
使用数字信号波形发生器产生一个频率为50Hz，基线为0V，峰峰值为2V的正弦波。
输入信号CH1经过50Hz陷波器后，输出信号CH2输出波形衰减倍数为VPP
（1）/VPP
（2）≈5。
实际电路调试的结果与理论仿真结果相符，满足设计要求。
调试结果如图4.3所示。
4.1.3电平提升电路调试
调节反向输出端的滑动变阻器，使输出信号CH2的波形基线往上移，波形的输出成分全为正电压，以满足AD转换的要求。
此电路的实际调试结果与理论仿真结果相符合，满足电路设计需要。
调试结果如图4.4所示，图中CH1输入信号与CH2输出信号的基线标识相互重叠。
4.1.4脉搏波形显示
经过带通滤波器电路、主放大电路、50Hz陷波器电路、电平提升电路后，使用示波器来观察输出的脉搏波形，输出结果如图4.5所示。
图4.4电平提升电路实际调试结果图4.5脉搏波形输出结果
4.1.5模数转换电路调试
模数转换电路使用模数转换芯片ADC0832将模拟信号转换成数字信号。
ADC0832的参考电压为5V，最小分辨率为1/255。
为了得到模数转换后转换的结果正确与否，此调试分别使用2.5V和4V作为ADC0832的CH0端的输入。
从仿真电路中得到的结果是2.5V转换成数字信号后是0x80，4V转换后是0xCC。
为了得到实际转换的结果与仿真结果是否
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