基于单片机的人体生理信号采集电路设计

基于单片机的人体生理信号采集电路设计【摘要】本设计了一款人体生理信号采集电路，包括体温采集，心率采集，呼吸间隔采集等，并能够显示其测量结果。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。体温模块采用了DS18B20温度传感器，心率模块采用了驻极体话筒来进行心音测量并计数，呼吸模块采用压电陶瓷片产生的电信号来实现呼吸的测量。显示模块采用了12864LCD液晶显示。【关键词】单片机；人体生理信号；信号采集1.引言随着人们生活水平的提高，越来越多的人希望通过简便的方式了解身体基本状况。因此人体生理监护仪开始出现并呈不断增多的趋势，已经由过去的单一测试仪发展为现在的多参数监护仪。在实际生活中，生理参数监测仪多是基于PC机平台的多参数测量、价格昂贵、体积庞大、不便于移动。现在多数生理参数监测仪无法准确的实时测量人体运动时的生理参数，导致有些人特别是老年人运动强度过大，对身体造成较大伤害。而教练员因无法准确掌握运动员运动时生理参数变化，而不能因材施教，有针对性的制定训练方案，所以运动员训练方式都是大众化训练。开发一种体积小、价格低，基于单片机系统的便携式生理参数监测仪就具有重要的意义。2.硬件电路设计本设计硬件电路由STC89C51单片机、DS18B20温度传感器、压电陶瓷片620、驻极体话筒、LCD显示器、AD620运放、高低通滤波电路等部分组成，系统组成模块如图1所示。2.1压电陶瓷片2.1.1压电陶瓷片工作原理压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能。2.1.2压电陶瓷片应用设计当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件发生形变时，就会产生一个电信号，所以我们利用人呼吸时胸部的扩张使压电陶瓷片发生形变，从而得到变化的电信号，然后经过整形放大，送入单片机中，单片机根据算法即可得到人呼吸的情况。压电陶瓷片620的接线图如图2所示。2.2驻极体话筒2.2.1驻极体话筒工作原理驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成。声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上涂了一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的涂金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻极体膜片遇到声波振动时，声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时；改变了电容两极板之间的距离，从而引起电容的容量发生变化，由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式：Q=CU可知当C变化时必然引起电容器两端电压U的变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压，实现声―电的变换。驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。因而它的输出阻抗值很高，约几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。普通场效应管有源极（S）、栅极（G）和漏极（D）三个极。这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管。接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。场效应管的栅极接金属极板。这样，驻极体话筒的输出线便有两根。即源极S，一般用蓝色塑线，漏极D，一般用红色塑料线和连接金属外壳的编织屏蔽线。2.2.2驻极体话筒连接使用驻极体话筒与电路的接法有两种：源极输出：源极输出类似晶体三极管的射极输出。需用三根引出线。漏极D接电源正极。源极S与地之间接一电阻Rs来提供源极电压，信号由源极经电容C输出。编织线接地起屏蔽作用。源极输出的输出阻抗小于2k，电路比较稳定，动态范围大，但输出信号比漏极输出小。漏极输出：漏极输出类似晶体三极管的共发射极放入。只需两根引出线。漏极D与电源正极间接一漏极电阻RD，信号由漏极D经电容C输出。源极S与编织线一起接地。漏极输出有电压增益，因而话筒灵敏度比源极输出时要高，但电路动态范围略小。驻极体话筒的内部电路原理如图3所示。Rs和RD的大小要根据电源电压大小来决定。一般可在2.2～5.1k间选用。例如电源电压为6V时，Rs为4.7k，RD为2.2k。若电源为正极接地时，只须将D、S对换一下，仍可成为源、漏极输出。不管是源极输出或漏极输出，驻极体话筒必须提供直流电压才能工作。2.3温度传感器DS18B20是DALLAS公司生产的一种“单总线”温度传感器，它采用独特的单线接口方式，仅需一个端口引脚来发送或接收信息；每个DS18B20都有一个唯一的ROM序列号，所以可以将多个DS18B20同时连在一根单总线上，进行简单的多点分布应用。DS18B20内部有三个主要数字部件：64位激光ROM，温度传感器，非易失性温度报警触发器TH和TL。DS18B20可用外部3-5.5V电源供电。DS18B20依靠一个单线端口通信，必须先建立ROM操作协议，才能进行存储器和控制操作。因此，MCU必须首先提供下面5个ROM操作命令之一：（1）读出ROM，代码为33H，用于读出DS18B20的序列号，即64位激光ROM代码；（2）匹配ROM，代码为55H，用于辨识（或选中）某一特定的DS18B20进行操作；（3）搜索ROM，代码为F0H，用于确定总线上的节点数以及所有节点的序列号；（4）跳过ROM，代码为CCH，命令发出后系统将对所有DS18B20进行操作，通常用于启动DS18B20转换之前，或系统中只有一个DS18B20时；（5）报警搜索，代码为ECH，主要用于鉴别和定位系统中超出程序设定的报警温度界限的节点。这些命令对每个器件的激光ROM部分进行操作，在总线挂有多个器件时，可以区分出单个器件，同时可以向总线上的MCU指明有多少个器件或是什么型号的器件。DS18B20内部存储器由一个高速暂存器和一个存储高低报警触发值TH和TL的非易失性电可擦除EERAM组成。当在单总线上通信时，暂存器帮助确保数据的完整性。数据先被写入暂存器，并可被读回。数据经过校验后，用一个拷贝暂存器命令会把数据传到非易失性EERAM中。这一过程确保更改存储器数据时数据的完整性。DS18B20连接如图4所示。2.4LCD12864显示器LCD12864是一种点阵图形液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可完成8×4个（16×16点阵）汉字。还能够自负与图形混合显示。LCD与单片机的借口放式分为直接访问式和间接控制式直接访问式是把液晶模块做为存储器接在CPU的数据线、地址线、控制线上，同时把他的数据总线接在89C52的P0口上，片选以及寄存器选择信号有P2口提供，读写操作由单片机的操作读写信号控制。这种方式是以访问存储器的方式来访问液晶显示模块。间接控制方式不使用单片机的数据系统，而是利用I/O口来实现与显示模块的通信，即将液晶显示模块的数据线与单片机的P0口连接座位数据总线，另外3跟时序控制信号线通常利用89C52的P3节后中未被使用I/O口来控制。这种方式访问方式不占用CPU的存储空器间，它的接口电路与时序无关，其时序完全靠软件编程实现，硬件连线如图5所示。3.软件设计软件程序由数据采样与数据显示部分组成，流程图如图6所示。4.结论便携化、人性化是现代仪器设备的一个发展趋势，本设计能够实现体温采集，心率采集，呼吸间隔采集等，并显示其测量结果，该电路根据需求，可方便的被人们携带，随时的进行一些基本的生理信息的测量。