首頁(yè) 資訊基于單片機(jī)的智能健康監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)（心電、心音、體溫、脈搏、血壓采集）

基于單片機(jī)的智能健康監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)（心電、心音、體溫、脈搏、血壓采集）

來(lái)源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2024年12月18日 22:09

2022-12-12 385 發(fā)布于吉林

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簡(jiǎn)介

本智能健康監(jiān)護(hù)儀可對(duì)多項(xiàng)人體生理參數(shù)（體溫、血壓、脈搏、心電、心音）進(jìn)行采集和分析，從中得到關(guān)于用戶健康狀況的信息。同時(shí)，本系統(tǒng)還可通過(guò)多種接口將信息傳送至PC，并可以通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送至手機(jī)等移動(dòng)式設(shè)備。本產(chǎn)品擴(kuò)展性強(qiáng)、便攜、易用，在個(gè)人保健等方面有較好的發(fā)展前景。

本文研發(fā)的智能健康監(jiān)護(hù)儀克服了傳統(tǒng)監(jiān)護(hù)儀體積大、附件多、有線檢測(cè)傳輸方式、組網(wǎng)不方便、檢測(cè)參數(shù)單一等缺點(diǎn)。其主要功能包括人體血壓、心率、體溫、脈搏、心音等生理參數(shù)的檢測(cè)和顯示，并提供無(wú)線接口，用戶可以轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)護(hù)儀上傳的健康數(shù)據(jù)。

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設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)由血壓、心音、脈搏、心電、溫度傳感器、模擬信號(hào)處理部分、數(shù)字信號(hào)處理部分、數(shù)據(jù)通信部分、語(yǔ)音告警及LCD顯示等六部分組成，除完成對(duì)血壓、體溫、脈搏、心電、心音進(jìn)行檢測(cè)監(jiān)護(hù)外，還有語(yǔ)音告警、藍(lán)牙傳輸、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等功能。該系統(tǒng)可對(duì)生理參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和處理，并將生理參數(shù)和處理結(jié)果無(wú)失真的傳送到醫(yī)院服務(wù)器。醫(yī)院服務(wù)器將智能終端傳送來(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并顯示，供醫(yī)生進(jìn)一步分析診斷。醫(yī)生可將診斷結(jié)果和意見(jiàn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給智能終端。診斷結(jié)果可在終端上顯示，供病人或監(jiān)護(hù)對(duì)象參考。多參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)由腕帶和附著在腕帶上的監(jiān)測(cè)盒組成，采用雙微處理器，MCU-2完成各項(xiàng)生命指征信號(hào)采集和分析，MCU-1完成人機(jī)交互和數(shù)據(jù)通信。

智能健康監(jiān)護(hù)儀檢測(cè)終端的整體設(shè)計(jì)方案如圖2-1、圖2-2所示：

硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主機(jī)MPU采用Samsung公司生產(chǎn)S3C2410處理器，S3C2410處理器為ARM920T內(nèi)核CPU，最高支持的頻率達(dá)200M，并具有MMU虛擬內(nèi)存管理單元，可以輕松的運(yùn)行起嵌入式Linux，同時(shí)擁有豐富的片內(nèi)外設(shè)，具有很高的性價(jià)比。圖2-3為硬件系統(tǒng)總體框圖，由于S3C2410芯片內(nèi)部己經(jīng)包含了UART、LCD、網(wǎng)卡、SDRAM、FLASH等驅(qū)動(dòng)控制器，這樣就大大簡(jiǎn)化了主機(jī)的外圍電路，而且采集卡利用了ATmega8單片機(jī)上集成的A/D采集和串口通信，只要設(shè)計(jì)了生理信號(hào)調(diào)理電路就能完成采集卡的電路設(shè)計(jì)，總體電路簡(jiǎn)潔，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)儀的小型化要求。

心電信號(hào)采集及調(diào)理模塊電路設(shè)計(jì)

心電信號(hào)波形及特點(diǎn)

心臟各部分興奮過(guò)程中出現(xiàn)的電位變化的方向、途徑、次序和時(shí)間等均有一定規(guī)律。由于人體為一個(gè)容積導(dǎo)體，這種電位變化亦必然擴(kuò)布到身體的表面。鑒于心臟在同一時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量電信號(hào)，將心臟產(chǎn)生的電位變化以時(shí)間為函數(shù)記錄下來(lái)，這記錄曲線稱為心電圖(ECG)。圖3-1所示為典型心電波形圖。心電圖反映心臟興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過(guò)程中的生物電變化。

正常心電圖波形包括:

1.P波:一般為鈍形，有時(shí)有輕度切跡但波峰間距小于0.03秒。VIVZ導(dǎo)聯(lián)頂部尖。寬度:0.06-0.115，高度:小于O.25mV。

2.PR間期:0.12-0.205，不同導(dǎo)聯(lián)測(cè)量的P-R間期可略有差別。

3.QRS波群:正常時(shí)有些導(dǎo)聯(lián)可出現(xiàn)小Q波，但其深度小于0.25R，寬度小于0.045。寬度:0.06-0.105，高度:V1的R波小于10mV，VS的R波小于25mV。

4.ST段:正常人的ST段下移不超過(guò)0.05mV，ST段上升不超過(guò)0.lmV。而V1-V3上升不超過(guò)0.3mV。

5.T波:波形平滑不對(duì)稱，上升慢而下降快。高度:QRS主波向上的導(dǎo)聯(lián)T波不應(yīng)低于同導(dǎo)聯(lián)R波的1/10。

6.QT間期:正常人當(dāng)心率在60-100次/分時(shí)，QT間期正常值為0.32-0.445。因此心電信號(hào)是由P、QRS、T波和靜息期組成，各波頻率特性不盡相同。它是一種非平穩(wěn)信號(hào)，在采樣過(guò)程中，常常摻雜各種噪聲和干擾。心電信號(hào)的主要特點(diǎn)是:

微弱:mv級(jí);

超低頻:心電的主要成分 <50Hz;

信噪比低，對(duì)放大器要求嚴(yán)格;

心電信號(hào)采集及調(diào)理電路具體實(shí)現(xiàn)

??心電數(shù)據(jù)采集及調(diào)理模塊包括前端放大和右腿驅(qū)動(dòng)電路、高通濾波電路和二級(jí)放大電路、二階低通濾波電路、雙T有源陷波器、電平提升電路等?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖3-2所示。

1.前端放大、右腿驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由于心電信號(hào)的微弱、干擾大、低頻等特性，所以在進(jìn)行心電前級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)中，對(duì)放大器的選擇有嚴(yán)格的要求，如:高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲，低漂移等特性。為了滿足這些要求，本設(shè)計(jì)中選擇ADI公司生產(chǎn)的儀用放大器AD620A作前級(jí)放大芯片。AD62OA是一款低價(jià)格、高精度的儀用放大器，有非常優(yōu)良的性能，是生物放大器設(shè)計(jì)中的經(jīng)典之作。由于AD620A的低功耗、低電壓和小封裝使其在便攜式儀器應(yīng)用中非常有用;同時(shí)，低偏置電流、低電流噪聲和低電壓噪聲等優(yōu)良性能增強(qiáng)了它的動(dòng)態(tài)性能。

一般來(lái)說(shuō)，共模抑制比(CMRR)隨增益(G)增大而有所提高，但考慮到前置級(jí)對(duì)整個(gè)放大電路噪聲的貢獻(xiàn)，放大器的噪聲性能一般隨第一級(jí)增益的提高而明顯變差，特別是集成器件噪聲性能一般比分立元件差。因此第一級(jí)增益不宜取值過(guò)度，一般G<20為宜。本文將前置放大增益設(shè)置為7。由式3-1可確定R。(RS)的值為8.25K。

另外為增加人體和儀器在使用時(shí)的安全性，在左右手的導(dǎo)聯(lián)輸入與前置放大器之間增加了由二級(jí)管Dl、D2、D3、D4組成保護(hù)電路。當(dāng)正常情況下的工頻共模干擾可達(dá)300mV左右，而兩個(gè)反向并聯(lián)的硅二極管的導(dǎo)通電壓為士600mV左右，因此在正常情況下二極管是處于截止?fàn)顟B(tài)，不會(huì)影響心電信號(hào)的采集，只有當(dāng)兩個(gè)輸入導(dǎo)聯(lián)的電壓超過(guò)保護(hù)電壓的閉值時(shí)，二極管才處于導(dǎo)通狀態(tài)，保護(hù)人體和儀器不受損壞。

為提高前置放大器的共模抑制效果，本文采用了右腿驅(qū)動(dòng)電路取代直接接地，它是心電信號(hào)提取中非常有用的方法，這種方法能夠使50Hz共模工頻干擾電壓降低到1%以下。而且不會(huì)損失心電信號(hào)中的50Hz的有用信號(hào)成分，與右腿接地的方法比較，右腿驅(qū)動(dòng)技術(shù)對(duì)抑制交流干擾的效果更好，但由于存在交流干擾電壓的反饋環(huán)路，經(jīng)過(guò)人體形成不安全因素，因此在使用時(shí)需外接限流電阻R z，本文R z取220K。圖3-3為前置放大、右腿驅(qū)動(dòng)電路。