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1 引言 研究的是一臺人體基本參數測試儀，可以測量體溫、脈搏和呼吸間隔等參數。這些參數與記錄是應用最多的基礎護理技術(shù)操作，各項技術(shù)比較成熟。但普通便攜式設備大多功能單一，精度不高，且僅能作為臨時(shí)測量使用，無(wú)法跟蹤病人的整個(gè)治療過(guò)程：醫院里使用的大型醫療設備能夠提供很高的精度，且功能全面，但過(guò)于專(zhuān)業(yè)的使用方法以及高昂的價(jià)格導致它們的市場(chǎng)需求不高。鑒于這些缺點(diǎn)，該系統的研究具有以下兩點(diǎn)意義：①通過(guò)一臺儀器將人體各項參數集中在一起進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，從而提高測量?jì)x器的集成度和便利性。②測量采用全自動(dòng)的方式，通過(guò)對各項參數設定門(mén)限，可以在測量后對超出門(mén)限的參數自動(dòng)給出相關(guān)說(shuō)明。這部便攜、精準和可記錄的人體參數測試儀具有很高的科學(xué)價(jià)值和社會(huì )意義。 2 設計方案比較分析 2．1 體溫測量 方案l：采用數字溫度傳感器。數字溫度傳感器內部集成了溫度傳感器和模數轉換器，可以把溫度直接轉化為數字量送入微處理器。 方案2：采用模擬溫度傳感器。即采用輸出電壓可連續變化的模擬溫度傳感器，再通過(guò)高精度的A／D轉換器將模擬電壓量轉換為數字量。 方案1實(shí)現起來(lái)較為簡(jiǎn)單．但想實(shí)現高精度的溫度測量，成本較高。而方案2中由于傳感器的輸出電壓可以連續變化，只需提高A／D轉換器的精度就可以大幅度提高溫度測量的精度，故系統采用方案2。 2．2 呼吸間隔測量 方案1：人體胸部的起伏可以通過(guò)彈性材料的伸縮來(lái)反映，彈性材料的伸縮帶動(dòng)滑片在電阻絲上滑動(dòng)，改變其兩端電阻。通過(guò)電阻分壓的方法使電壓的變化與胸部起伏的變化規律相同，最終實(shí)現呼吸間隔的測量。此方案對彈性材料和電阻絲，以及捆綁方式都有嚴格要求。 方案2：采用壓力傳感器實(shí)現。其裝置如圖1所示。圖中的帶子選用長(cháng)度形變很小的線(xiàn)材制成，帶子上固定一個(gè)壓力傳感器，則胸腔的起伏引起壓力傳感器上壓力的變化，通過(guò)采集傳感器輸出的電信號在時(shí)間軸上捕捉胸腔起伏的趨勢，可以實(shí)現呼吸間隔時(shí)間的測量。該裝置簡(jiǎn)單，更適應于便攜設備的要求。 綜上所述，系統選取方案2。 2．3 脈搏測量 方案1：采用光電傳感器實(shí)現。將手指尖放置在光源和光敏器件之間，當手指中有跳動(dòng)的脈搏時(shí)，血液的透光性發(fā)生變化，光敏器件接收的光強隨之變化。從而得到按脈搏跳動(dòng)規律變化的電信號，但提取的信號非常微弱。 方案2：采用壓電傳感器實(shí)現。在手腕處安裝靈敏度較高的壓電傳感器，將跳動(dòng)的脈搏產(chǎn)生的壓力信號轉換為電信號，從而實(shí)現脈搏的測量。但是成本較高�！� 方案3：采用駐極體話(huà)筒實(shí)現。讓話(huà)筒緊貼脈搏，則跳動(dòng)的脈搏信號便可通過(guò)這一過(guò)程轉換為相應的電信號。該方案提取的電信號很明顯，測量精度很，且成本很低。 綜上所述，系統采取方案3。 3 系統總體設計 系統以單片機為控制核心，由提取體溫、脈搏次數和呼吸間隔的傳感器及相應的信號調理模塊、放大整形模塊、電源模塊、鍵盤(pán)控制模塊，以及LCD顯示模塊等構成。系統還包括一個(gè)可以與獨立監測單片機進(jìn)行串行通訊的集中監測機，用于對儀器設備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )化管理。系統具體實(shí)現框圖如圖2所示。 4 理論分析 4．1 脈搏測量誤差分析 人的脈搏頻率一般為60～100次／min，以脈搏信號調整、整形后的信號為門(mén)限，在第一個(gè)上升沿開(kāi)始對標準脈沖fo計數，第二個(gè)上升沿停止計數，計數值為N。這種在門(mén)限內的填充計數存在誤差。脈沖頻率越小，計數值越大，此方法固有誤差的影響就越小。則脈搏頻率f=100次／min時(shí)，誤差最大。取fo=l kHz，此時(shí)理論上N=fo(60／100)=600次，而實(shí)際可能為599或者601。根據公式f=(60xfo)／N，可以得到f1=100．169次／min和99．833次／min�！鱢max≤0.2次／min，精度很高。 4．2 溫度測量數據處理方法分析 影響體溫測量的因素很多。為提高測量精度，適當增加測量次數，利用補償的方法減小隨機誤差的影響。為了獲得最可信賴(lài)的結果，利用最小二乘法，在殘余誤差平方和最小的條件下測得值最可信賴(lài)。 被測溫度和輸出電壓V成線(xiàn)性關(guān)系，即V=b+aT，則線(xiàn)性參數的誤差方程為 式中：vi為每次測試值和真值的誤差。 在等精度測量中，應滿(mǎn)足最小二乘條件式 利用標準溫度值T1，T2…Tn帶入方程組中可以解得a和b的值，這樣，就完成了利用最小二乘法對載重和電壓進(jìn)行線(xiàn)性標定的過(guò)程。 5 功能電路設計 5．1 溫度傳感器及后級放大電路 該電路采用美國國家半導體公司的LM35作為溫度傳感器，由于其輸出電壓較小，所以在后級加入了同相放大電路，運放采用超低噪聲及失調電壓的LTCl047。如圖3所示。 5．2 脈搏信號提取電路 該電路由話(huà)筒及儀表放大器AD620組成。話(huà)筒將脈搏信號轉換為電信號，儀表放大器AD620采用單電源供電，電位器R3用于調節2引腳的直流偏置，使其與3引腳的輸入信號中的直流偏置相同，從而實(shí)現差分放大。其參考端5引腳通過(guò)電位器R4加上直流偏置，可以根據需要對輸入信號在較大范圍內進(jìn)行放大。 AD620的失調電壓和失調電流小、共模抑制比高，其最大失調電壓為50μV，最大失調電流為10 nA，最小共模抑制比為100 dB，所以對在微弱信號的處理，也就是放大和消除噪聲方面有著(zhù)比較優(yōu)秀的品質(zhì)，在儀表放大中應用較多，如簡(jiǎn)易心電儀、壓力傳感器、超聲儀等。AD620還有一個(gè)偏置端，可輸出帶偏置的信號，也可用于程控放大等場(chǎng)合。AD620最典型的應用是心電信號檢測，圖4為心電信號檢測電路中的AD620電路，其輸入端(2、3引腳)接入的是一對差分信號。 圖4 AD620典型應用 6 系統軟件設計 程序作為單片機的控制核心。完成基本的功能．應有良好的用戶(hù)界面，還要考慮較好的適應性、通用性，以最大限度地方便調試階段的修改與調整。故在程序的編制中應注重結構化設計，還要注重層次化設計。程序流程圖如圖5所示。 圖5 軟件流程圖 7 結語(yǔ) 人體參數測試儀體積小巧，對人體溫度、脈搏、呼吸間隔測量精度高，操作簡(jiǎn)單，采用單節電池供電．可作為便攜式儀器使用。在設計時(shí)考慮到各個(gè)參數的相對獨立性，實(shí)物中的各個(gè)測量模塊較為獨立，拆卸十分方便。并且系統具有語(yǔ)音提示及解說(shuō)的功能。系統上集成了串行接口，可以隨時(shí)與其它相關(guān)儀器設備構成網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)行集中測量和管理。該系統的研究具有重要的社會(huì )價(jià)值和實(shí)際意義。 |
