基于单片机和仪表放大器AD620实现人体基本参数测试仪的设计

       1 引言

研究的是一台人体基本参数测试仪，可以测量体温、脉搏和呼吸间隔等参数。这些参数与记录是应用最多的基础护理技术操作，各项技术比较成熟。但普通便携式设备大多功能单一，精度不高，且仅能作为临时测量使用，无法跟踪病人的整个治疗过程：医院里使用的大型医疗设备能够提供很高的精度，且功能全面，但过于专业的使用方法以及高昂的价格导致它们的市场需求不高。鉴于这些缺点，该系统的研究具有以下两点意义：①通过一台仪器将人体各项参数集中在一起进行实时测量，从而提高测量仪器的集成度和便利性。②测量采用全自动的方式，通过对各项参数设定门限，可以在测量后对超出门限的参数自动给出相关说明。这部便携、精准和可记录的人体参数测试仪具有很高的科学价值和社会意义。

2 设计方案比较分析

2．1 体温测量

方案l：采用数字温度传感器。数字温度传感器内部集成了温度传感器和模数转换器，可以把温度直接转化为数字量送入微处理器。

方案2：采用模拟温度传感器。即采用输出电压可连续变化的模拟温度传感器，再通过高精度的A／D转换器将模拟电压量转换为数字量。

方案1实现起来较为简单．但想实现高精度的温度测量，成本较高。而方案2中由于传感器的输出电压可以连续变化，只需提高A／D转换器的精度就可以大幅度提高温度测量的精度，故系统采用方案2。

2．2 呼吸间隔测量

方案1：人体胸部的起伏可以通过弹性材料的伸缩来反映，弹性材料的伸缩带动滑片在电阻丝上滑动，改变其两端电阻。通过电阻分压的方法使电压的变化与胸部起伏的变化规律相同，最终实现呼吸间隔的测量。此方案对弹性材料和电阻丝，以及捆绑方式都有严格要求。

方案2：采用压力传感器实现。其装置如图1所示。图中的带子选用长度形变很小的线材制成，带子上固定一个压力传感器，则胸腔的起伏引起压力传感器上压力的变化，通过采集传感器输出的电信号在时间轴上捕捉胸腔起伏的趋势，可以实现呼吸间隔时间的测量。该装置简单，更适应于便携设备的要求。

综上所述，系统选取方案2。

2．3 脉搏测量

方案1：采用光电传感器实现。将手指尖放置在光源和光敏器件之间，当手指中有跳动的脉搏时，血液的透光性发生变化，光敏器件接收的光强随之变化。从而得到按脉搏跳动规律变化的电信号，但提取的信号非常微弱。

方案2：采用压电传感器实现。在手腕处安装灵敏度较高的压电传感器，将跳动的脉搏产生的压力信号转换为电信号，从而实现脉搏的测量。但是成本较高。

方案3：采用驻极体话筒实现。让话筒紧贴脉搏，则跳动的脉搏信号便可通过这一过程转换为相应的电信号。该方案提取的电信号很明显，测量精度很，且成本很低。

综上所述，系统采取方案3。

3 系统总体设计

系统以单片机为控制核心，由提取体温、脉搏次数和呼吸间隔的传感器及相应的信号调理模块、放大整形模块、电源模块、键盘控制模块，以及LCD显示模块等构成。系统还包括一个可以与独立监测单片机进行串行通讯的集中监测机，用于对仪器设备进行网络化管理。系统具体实现框图如图2所示。

4 理论分析

4．1 脉搏测量误差分析

人的脉搏频率一般为60～100次／min，以脉搏信号调整、整形后的信号为门限，在第一个上升沿开始对标准脉冲fo计数，第二个上升沿停止计数，计数值为N。这种在门限内的填充计数存在误差。脉冲频率越小，计数值越大，此方法固有误差的影响就越小。则脉搏频率f=100次／min时，误差最大。取fo=l kHz，此时理论上N=fo（60／100）=600次，而实际可能为599或者601。根据公式f=（60xfo）／N，可以得到f1=100．169次／min和99．833次／min。△fmax≤0.2次／min，精度很高。

4．2 温度测量数据处理方法分析

影响体温测量的因素很多。为提高测量精度，适当增加测量次数，利用补偿的方法减小随机误差的影响。为了获得最可信赖的结果，利用最小二乘法，在残余误差平方和最小的条件下测得值最可信赖。

被测温度和输出电压V成线性关系，即V=b+aT，则线性参数的误差方程为

利用标准温度值T1，T2…Tn带入方程组中可以解得a和b的值，这样，就完成了利用最小二乘法对载重和电压进行线性标定的过程。

5 功能电路设计

5．1 温度传感器及后级放大电路

该电路采用美国国家半导体公司的LM35作为温度传感器，由于其输出电压较小，所以在后级加入了同相放大电路，运放采用超低噪声及失调电压的LTCl047。如图3所示。

5．2 脉搏信号提取电路

该电路由话筒及仪表放大器AD620组成。话筒将脉搏信号转换为电信号，仪表放大器AD620采用单电源供电，电位器R3用于调节2引脚的直流偏置，使其与3引脚的输入信号中的直流偏置相同，从而实现差分放大。其参考端5引脚通过电位器R4加上直流偏置，可以根据需要对输入信号在较大范围内进行放大。

AD620的失调电压和失调电流小、共模抑制比高，其最大失调电压为50μV，最大失调电流为10 nA，最小共模抑制比为100 dB，所以对在微弱信号的处理，也就是放大和消除噪声方面有着比较优秀的品质，在仪表放大中应用较多，如简易心电仪、压力传感器、超声仪等。AD620还有一个偏置端，可输出带偏置的信号，也可用于程控放大等场合。AD620最典型的应用是心电信号检测，图4为心电信号检测电路中的AD620电路，其输入端（2、3引脚）接入的是一对差分信号。

6 系统软件设计

程序作为单片机的控制核心。完成基本的功能．应有良好的用户界面，还要考虑较好的适应性、通用性，以最大限度地方便调试阶段的修改与调整。故在程序的编制中应注重结构化设计，还要注重层次化设计。程序流程图如图5所示。

图5 软件流程图

7 结语

人体参数测试仪体积小巧，对人体温度、脉搏、呼吸间隔测量精度高，操作简单，采用单节电池供电．可作为便携式仪器使用。在设计时考虑到各个参数的相对独立性，实物中的各个测量模块较为独立，拆卸十分方便。并且系统具有语音提示及解说的功能。系统上集成了串行接口，可以随时与其它相关仪器设备构成网络，进行集中测量和管理。该系统的研究具有重要的社会价值和实际意义。