【基于單片機(jī)的血氧測(cè)量儀設(shè)計(jì)10000字（論文）】

、前言1.1研究背景隨著人們生活水平的提高，飲食結(jié)構(gòu)的改變以及工作壓力等造成的體育鍛煉的減少，肺心病已成為嚴(yán)重威脅中老年人身體健康的一種常見疾病。缺氧在臨床上重要特征是血氧飽和度（SpO2）顯著下降，因此，監(jiān)測(cè)人體SpO2的變化對(duì)肺心病的預(yù)防和治療有重要的作用。傳統(tǒng)的脈搏血氧飽和度檢測(cè)系統(tǒng)多是通過模擬技術(shù)完成信號(hào)調(diào)制解調(diào)、雙光束分離、交直流分離、濾波放大、脈搏波檢出等一系列工作的，這種方法不僅硬件復(fù)雜，而且增加了系統(tǒng)不可靠和不穩(wěn)定因素。在臨床實(shí)踐中，估計(jì)動(dòng)脈氧合能力有多種方法，最常用的是取動(dòng)脈血，但這種方法需要?jiǎng)用}穿刺或者插管，且不能連續(xù)監(jiān)測(cè)。無創(chuàng)傷檢測(cè)動(dòng)脈血氧飽和度的方法，是一種采用脈搏血氧測(cè)量法的動(dòng)脈血氧飽和度測(cè)量方法，它的特點(diǎn)是能夠在無創(chuàng)傷條件下實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量動(dòng)脈血氧飽和度，使用方便，應(yīng)用前景廣泛。本論文目標(biāo)就是研制一種低功耗、便攜式生理信號(hào)采集系統(tǒng)，以單片機(jī)為主要的控制系統(tǒng)，開發(fā)了一套數(shù)模結(jié)合的采集和處理板塊，并把它運(yùn)用到實(shí)際的情況中，具有現(xiàn)實(shí)意義，在醫(yī)療資源不充分的情況下能夠有效對(duì)醫(yī)療資源的合理分配改善，并節(jié)省一定的醫(yī)療費(fèi)用。1.2研究意義人體的新陳代謝過程是生物氧化過程，而新陳代謝過程中所需要的氧，是通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體血液，與血液紅細(xì)胞中的血紅蛋白(Hb)，結(jié)合成氧合血紅蛋白(HbO2)，再輸送到人體各部分組織細(xì)胞中去通過連續(xù)或間斷地監(jiān)測(cè)血氧飽和度可以對(duì)人體攜帶氧的能力進(jìn)行估計(jì)，同時(shí)，其又是判斷人體呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)是否出現(xiàn)障礙或者周圍環(huán)境是否缺氧的重要指標(biāo)，在手術(shù)麻醉、監(jiān)護(hù)室急救病房、病人運(yùn)動(dòng)和睡眠研究、以及慢性呼吸循環(huán)系統(tǒng)疾病患者的監(jiān)上都有著重要的作用。傳統(tǒng)的血氧飽和度測(cè)量方法是先進(jìn)行人體采血，再利用血?dú)夥治鰞x進(jìn)行電化學(xué)分析，測(cè)出血氧分壓PO：，計(jì)算SpO2：。這種方法比較麻煩，且不能進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)。因此，一種采用無損光譜學(xué)連續(xù)檢測(cè)人體的血氧含量的方法應(yīng)運(yùn)而生。其基本原理是根據(jù)組織對(duì)光的固有特性，利用光在組織中傳播的效應(yīng)來獲取和研究生物組織生理的、代謝的有用信息，安全、可靠、對(duì)肌體無損，具有廣泛的研究應(yīng)用前景和重要的實(shí)用價(jià)值。2、脈搏血氧儀設(shè)計(jì)方案介紹2.1設(shè)計(jì)原理及整體原理框圖人體血氧飽和度測(cè)量儀主要由STM32單片機(jī)主控部分、血氧飽和度測(cè)量部分、數(shù)據(jù)顯示部分和超額報(bào)警部分等部分組成。對(duì)反映人體健康狀況所必須的數(shù)據(jù)可以通過該設(shè)計(jì)的儀器來顯示，同時(shí)對(duì)出現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的超限情況可以及時(shí)報(bào)警。下圖2.1是關(guān)于此次設(shè)計(jì)方案的模塊圖。圖2.1血氧飽和度測(cè)量儀的模塊組成框圖2.2各部分器件選擇原理從上述的設(shè)計(jì)方案框圖可以看出，本次設(shè)計(jì)方案包括6個(gè)主要部分，分別是單片機(jī)、血氧飽和度測(cè)量部分、顯示部分以及超額報(bào)警部分。2.2.1單片機(jī)控制模塊本設(shè)計(jì)單片機(jī)模塊選用STM32。STM32是TI公司主打的一款超低功耗的16位單片機(jī)。根據(jù)所檢測(cè)到的每路光脈沖周期及其波動(dòng)量計(jì)算出相應(yīng)的直流分量和交流分量，從而按通常的脈搏血氧儀求得容積脈搏波數(shù)據(jù)，脈搏血氧飽和度及心率值。2.2.2血氧飽和度測(cè)量模塊本系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用指套式的光電傳感器，實(shí)現(xiàn)了光電隔離，最大限度地減少了對(duì)后續(xù)相關(guān)電路的干擾。有關(guān)血氧飽和度測(cè)量模塊的流程原理可參照下圖2.2，信號(hào)采集過后還需放大和整形，所以外接輔助電路自然包括這三個(gè)電路。用到放大電路來將信號(hào)放大，但因?yàn)椴杉盘?hào)過程中可能存在干擾，接下來就需要調(diào)整這個(gè)電信號(hào)波形的電路，經(jīng)過這兩個(gè)電路的處理結(jié)果出來的將是一個(gè)接近完整的方波信號(hào)，然后將該信號(hào)送入單片機(jī)中進(jìn)行相關(guān)處理，最后將處理的結(jié)果顯示在顯示屏上面。圖2.2血氧飽和度模塊信號(hào)采集原理流程圖2.2.3測(cè)量數(shù)值的顯示部分本次設(shè)計(jì)的脈搏血氧儀的一大期望功能就是盡量清晰的將測(cè)量的三組數(shù)據(jù)同時(shí)顯示在一個(gè)屏幕上。根據(jù)設(shè)計(jì)需求的同時(shí)顯示多組數(shù)據(jù)的效果，所以最終選擇液晶顯示屏。考慮到所要顯示的三組數(shù)據(jù)，選擇LCD1602液晶顯示屏，有利于更加方便的區(qū)分顯示的內(nèi)容，對(duì)有效的傳遞信息具有重要的意義。2.2.4測(cè)量數(shù)據(jù)超限報(bào)警部分本次設(shè)計(jì)的測(cè)量儀將采用蜂鳴器作為報(bào)警裝置。蜂鳴器是一個(gè)常見的搭配單片機(jī)的報(bào)警裝置，通過單片機(jī)編程控制，來在出現(xiàn)超限的測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)出警報(bào)提醒測(cè)量者。所以一旦測(cè)量的血氧飽和度值中數(shù)據(jù)異常時(shí)，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲響，從而來提醒人們身體出現(xiàn)異常了。2.2.5光感探測(cè)模塊在對(duì)經(jīng)過組織的透射光做光電轉(zhuǎn)換后，提高了系統(tǒng)的檢測(cè)范圍，單片機(jī)控制發(fā)光管工作狀態(tài)以產(chǎn)生紅外光、紅光雙光束脈沖調(diào)制信號(hào)，另外完成光增益自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，光增益自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的是為了滿足不同患者脈搏強(qiáng)弱、皮膚厚薄、皮膚光潔度以及皮膚顏色等存在巨大差異的要求。3、脈搏血氧儀硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1.1單片機(jī)的選用STM32系列是為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARMCortex-M3內(nèi)核。圖3.1STM32開發(fā)板在引腳功能和應(yīng)用軟件上是兼容的。這就使得開發(fā)人員在使用STM32系列微控制器時(shí)，不必改動(dòng)PCB就可以根據(jù)需要隨意更換器件型號(hào)。在中斷的壓棧階段，更高優(yōu)先級(jí)的中斷可以不耗費(fèi)任何額外的CPU周期就能完成嵌入低優(yōu)先級(jí)中斷的動(dòng)作。STM32的每一個(gè)定時(shí)器都具備4個(gè)捕獲比較單元，而且每個(gè)定時(shí)器都可以和另外的定時(shí)器聯(lián)合工作以生成更為精密的時(shí)序。3.1.2振蕩電路晶振為16MHz（頻率可設(shè)置，可滿足不同外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)）。8MHzRC電路。40kHz的RC振蕩電路（可外接振蕩電路，也可利用自身具有的振蕩電路）。CPU時(shí)鐘具有校準(zhǔn)功能，由的32kHz的晶振單獨(dú)完成。圖3.2振蕩電路3.1.3復(fù)位電路圖3.3復(fù)位電路Stm32是低電平復(fù)位并且每次上電是會(huì)復(fù)位一次，所以系統(tǒng)上電之后默認(rèn)情況下其RST腳應(yīng)該為高電平。其電路如圖3.3所示。R1位上拉電阻，REST為單片機(jī)復(fù)位引腳，當(dāng)按鍵K1按下RST引腳輸出低電平，此時(shí)系統(tǒng)復(fù)位；當(dāng)復(fù)位按鍵K1沒按下時(shí)，由于RST直接接在上拉電阻上，默認(rèn)為高電平，所以系統(tǒng)正常工作。3.1.4時(shí)鐘系統(tǒng)的時(shí)鐘在系統(tǒng)在工作前，先需要時(shí)鐘的設(shè)定，一種是利用內(nèi)部8MHz的晶振作為CPU時(shí)鐘源。STM32還可以選擇一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)輸出到MCO腳(PA8)上，可以選擇為PLL輸出的2分頻、HSI、HSE、或者系統(tǒng)時(shí)鐘。另外可以選擇一個(gè)外部的4-16MHz時(shí)鐘源，STM32在時(shí)鐘的檢測(cè)十分嚴(yán)格，會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)與控制器被禁止那么軟件中斷管理也會(huì)跟著被禁止。還可以在PLL時(shí)鐘的中斷管理設(shè)定時(shí)鐘。多個(gè)預(yù)比較器可以用來配置AHB頻率，包括高速APB2和低速APB1，高速APB最高的頻率為72MHz，低速APB最高的頻率為36MHz。圖3.4時(shí)鐘模塊硬件電路圖3.2系統(tǒng)操作顯示電路設(shè)計(jì)3.2.1輸入鍵盤本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制器處理，按鍵是采用行列式鍵盤。鍵盤是最常見的人機(jī)接口設(shè)備，微機(jī)控制器通過鍵盤可以輸入各種操作指令和數(shù)據(jù)，單片機(jī)控制器捕捉關(guān)鍵信息，與單片機(jī)控制器進(jìn)行相應(yīng)的處理。鍵盤在系統(tǒng)作用手動(dòng)設(shè)燈亮?xí)r間、緊急情況處理。獨(dú)立式按鍵是直接用I/O口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路，其特點(diǎn)是每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根I/O口線，每個(gè)按鍵的工作不會(huì)影響其它I/O口線的狀態(tài)。獨(dú)立式按鍵的典型應(yīng)用如圖3.5所示。圖3.5獨(dú)立式按鍵電路獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個(gè)按鍵必須占用一根I/O口線，因此，在按鍵較多時(shí)，I/O口線浪費(fèi)較大，不宜采用。鍵盤采用獨(dú)立式鍵盤，單片機(jī)的I/O口數(shù)可以滿足該鍵盤，并且可以完成題目中的所要求的設(shè)定時(shí)間、緊急情況控制功能。3.2.2顯示部分的電路設(shè)計(jì)本次測(cè)量儀系統(tǒng)的顯示部分選擇的LCD1602液晶顯示屏，用來實(shí)時(shí)的顯示測(cè)量結(jié)果和血氧容積波的波形。而且它每行的各個(gè)字符之間都存在一定的距離，這樣有利于更加方便的區(qū)分顯示的內(nèi)容，對(duì)有效的傳遞信息具有重要的意義。顯示部分的電路設(shè)計(jì)如下圖3.6所示。LCD1602各引腳是怎么處理的從圖中就可以看見。其余引腳都是與單片機(jī)相連接的。比如4引腳是指令端，5引腳是讀寫操作端。圖3.6液晶顯示器的電路圖3.2.3蜂鳴報(bào)警器的電路設(shè)計(jì)為了方便被監(jiān)測(cè)者和醫(yī)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，引起他們的注意，當(dāng)監(jiān)測(cè)到脈率或血氧飽和度超出設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)需要進(jìn)行聲光報(bào)警。本次測(cè)量儀系統(tǒng)的超限報(bào)警部分相當(dāng)簡單，這里只是在一個(gè)I/O口上送出數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，能夠讓蜂鳴器發(fā)出聲的只有是交流信號(hào)。在LCD顯示屏上會(huì)出線報(bào)警圖標(biāo)閃爍，同時(shí)會(huì)通過蜂鳴器報(bào)警，蜂蜜器報(bào)警電路原理圖如圖3.7。圖3.7蜂鳴器連接電路圖3.2.4光敏傳感器本論文血氧飽和度探頭傳感器如圖3.8所示。發(fā)射部分由紅光發(fā)射管和紅外光發(fā)射管組成，接收部分由硅光電池構(gòu)成。圖3.8血氧飽和度探頭反射式血氧傳感器探頭采用的是波長為660nm的紅光和波一長為940nm的紅外光作為發(fā)光二極管進(jìn)行血氧飽和度的無創(chuàng)檢測(cè)。發(fā)光二級(jí)管采用脈沖驅(qū)動(dòng)方式，光敏接收器件用同步脈沖開關(guān)把對(duì)二個(gè)光源的響應(yīng)信號(hào)區(qū)分開來，從而避免了相互串?dāng)_。根據(jù)血液光照透射光的強(qiáng)度將主要由動(dòng)脈血管的收縮和舒張引起，此時(shí)能夠比較準(zhǔn)確地反映出脈搏信號(hào)，因此需要用到光照傳感元器件，在本設(shè)計(jì)中采用了光敏電阻。光電接收管的輸出的是電流信號(hào)，因此首先需要進(jìn)行I/V變換，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。設(shè)置一個(gè)暗光狀態(tài)，此時(shí)紅光LED和紅外光LED均滅，系統(tǒng)采集到的信號(hào)為暗電流的信號(hào)，可以用于校正環(huán)境光對(duì)系統(tǒng)的影響。圖3.9血氧探頭驅(qū)動(dòng)電路3.3血氧飽和度測(cè)量環(huán)節(jié)的電路設(shè)計(jì)本次測(cè)量儀系統(tǒng)的血氧飽和度測(cè)量環(huán)節(jié)中，由于采集的血氧飽和度波信號(hào)微弱、低頻。所以必須加放大和濾波整形電路。3.3.1信號(hào)采集電路血氧飽和度波的信號(hào)采集電路如下圖3.10所示，此次信號(hào)的采集用的是光電傳感器，它有兩個(gè)紅外二極管組成，其中D2用于發(fā)射光，另一個(gè)D3用于接收光。發(fā)射的紅外光能透過手指的光強(qiáng)很小，電信號(hào)十分微弱，而且頻率較低，必須用一定的濾波裝置，這里用C14、R8、R9組合來實(shí)現(xiàn)濾波，除去高頻干擾。圖3.10血氧飽和度波信號(hào)采集電路3.3.2信號(hào)的低通放大電路通常人體血氧飽和度在運(yùn)動(dòng)后跳動(dòng)次數(shù)能夠達(dá)200次/分鐘，先以此為根據(jù)來設(shè)計(jì)低通放大器的放大倍數(shù)，該信號(hào)的低通放大電路的電路圖如圖3.11所示。圖3.11信號(hào)的低通放大電路這時(shí)候要拿人體的最大血氧飽和度數(shù)來算，假設(shè)該值為每分鐘200次，以此來算的話，頻率將是3.3Hz，由此可見低頻特性的確令人滿意。3.3.3信號(hào)分離電路由于采集到的紅光信號(hào)和紅外光信號(hào)都有環(huán)境光的干擾，因此系統(tǒng)采用了信號(hào)分離電路將環(huán)境光從有用信號(hào)中分離出去。信號(hào)分離電路由一個(gè)運(yùn)放和一個(gè)電子開關(guān)CD4016BC構(gòu)成，如圖3.12所示。圖3.12信號(hào)分離電路圖3.3.4低通濾波電路設(shè)計(jì)Butterworth的IIR濾波器，其中原始信號(hào)的采樣率為500Hz，低通截至頻率為10Hz，自動(dòng)生成系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)的各個(gè)系數(shù)，然后將系數(shù)導(dǎo)出。本次測(cè)量儀系統(tǒng)的血氧飽和度測(cè)量環(huán)節(jié)中，分別對(duì)紅光交流，紅光直流，紅外光交流，紅外光之流進(jìn)行濾波處理，其中電感原件為通直阻交，電容原件為通交阻直。本次設(shè)計(jì)的信號(hào)波形整形電路如下圖3.13所示，由虛短虛段原理，R11和R12相當(dāng)于串聯(lián)，起分壓作用，接上2.5V電壓。圖3.13信號(hào)的波形整形電路3.4其他功能模塊3.3.1信號(hào)轉(zhuǎn)換部分的設(shè)計(jì)圖3.14A/D轉(zhuǎn)換電路圖圖3.15DAC0808引腳圖ADC0808是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。23～25（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。1～5和26～28（IN0～I(xiàn)N7）：8路模擬量輸入端。8、14、15和17～21：8位數(shù)字量輸出端。22（ALE）：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。6（START）：A／D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）。3.4.2恒流源電路在血氧信號(hào)測(cè)量中，光源供電的波動(dòng)會(huì)影響血氧的測(cè)量結(jié)果，應(yīng)用中為了減小這種干擾，采用了恒流源電路控制發(fā)光光源的穩(wěn)定供電，使在整個(gè)測(cè)量過程中發(fā)光光源發(fā)出的光是穩(wěn)定不變的。圖3.16恒流源設(shè)計(jì)電路圖如圖3.16所示為恒流源設(shè)計(jì)電路，由于R1兩端的電壓值恒等于穩(wěn)壓二極管D1的穩(wěn)壓值，流經(jīng)R1恒定的電流值，控制三極管Q1工作在放大狀態(tài)區(qū)，從而流過發(fā)光二極管D3的電流恒定，這時(shí)發(fā)光二極管D3能夠輸出穩(wěn)定光強(qiáng)的光。通過人體組織的光強(qiáng)始終隨著人體組織內(nèi)血管血流量的脈動(dòng)變化而發(fā)生脈動(dòng)變化。這種變化被三路光信號(hào)調(diào)制后由光電二極管轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，送入后邊的信號(hào)調(diào)理模塊。3.4.3與PC機(jī)串口通信電路設(shè)計(jì)經(jīng)采集后的紅光和紅外光信號(hào)，需要用相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件對(duì)其進(jìn)行分析和處理，因此需要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的通訊。在設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)特增加了串口電路，串口通信部分只設(shè)在主機(jī)電路部分，在從機(jī)電路中不設(shè)此模塊。因?yàn)殡娔X的串口是RS—232C接口，是符合EIA（美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)）RS—232C規(guī)范的外部總線標(biāo)準(zhǔn)接口。在單片機(jī)與PC機(jī)通信電路之間應(yīng)添加轉(zhuǎn)換電路將TTL或CMOS電平與RS—232C電平進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用的是MAXIM公司的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，MAX232C屬于MAXIM公司的通用串行接收/發(fā)送驅(qū)動(dòng)芯片，芯片引腳如圖3.17所示。其實(shí)它就是起一個(gè)電壓變換作用，將高電平變成低電平，低電平變成高電平，但與普通的反向器又有所不同的是它還具有升壓的功能。圖3.17MAX232引腳圖MAX232外部電路也非常簡單，只需接幾個(gè)0.1uF電容就可以了；典型應(yīng)用如圖3.18所示。圖3.18MAX232典型應(yīng)用原理圖PC機(jī)和MAX232接口的連接非常簡單，在一般的應(yīng)用中，只需有三條線即可完成通信，分別是串口接頭DB9的第2腳RXD與MAX232的輸出相連，第3腳TXD與MAX232的輸入相連，然后在共地，最后，通過串口線連接到電腦的串口上就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的串行通信了，不過在通信的過程中一定要特別注意雙方的波特率一定要相同，否則，通信是不可能成功的，具體的電路如圖3.19所示。圖3.19PC機(jī)與MAX232的電路圖4、脈搏血氧儀系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟件設(shè)計(jì)4.1MCU軟件開發(fā)STM32F103處理器的所有軟件都是采用C語言在RealViewMDK平臺(tái)下開發(fā)。RealViewMDK開發(fā)工具源自德國Keil公司，被全球超過10萬的嵌入式開發(fā)工程師驗(yàn)證和使用，是ARM公司目前最新推出的針對(duì)各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具。系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)就是編寫計(jì)算機(jī)語言也就是相應(yīng)的程序語言來控制硬件。為了更好的控制硬件來完成預(yù)期的功能和效果，設(shè)計(jì)的程序語言必須層次清晰，這樣閱讀起來更加方便，也易于隨時(shí)的修改程序。4.2系統(tǒng)主程序流程圖微處理器上電之后，立即進(jìn)入初始化模塊進(jìn)行設(shè)置，關(guān)閉所有中斷，進(jìn)行系統(tǒng)總線的初始化，接著依次設(shè)置系統(tǒng)的晶振，定時(shí)器，串行通訊端口，片內(nèi)外的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和所有的I/O端口。接著，根據(jù)硬件連接和每個(gè)模塊的特點(diǎn)和功能芯片實(shí)現(xiàn)，初始化，包括顯示端口，端口輸入/輸出的單片機(jī)、串行端口輸入/輸出和脈搏血氧模塊的輸入端口。軟件部分的設(shè)計(jì)主要由主程序，程序開始運(yùn)行的第一個(gè)程序初始化每個(gè)部分，然后讀取數(shù)據(jù)，時(shí)間延遲，液晶顯示，存儲(chǔ)和其他地區(qū)，連接整個(gè)系統(tǒng)作為一個(gè)整體。圖4.1主程序流程圖4.3子程序設(shè)計(jì)4.2.1ADC0809采集數(shù)據(jù)流程圖當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在某一塊連續(xù)的RAM區(qū)間后，調(diào)用基于DFT的簡易算法子函數(shù)，在計(jì)算出各電氣參數(shù)后，在動(dòng)作判斷模塊中不斷的將線路的各運(yùn)行參數(shù)與相應(yīng)的各項(xiàng)整定值進(jìn)行比較，若有某項(xiàng)或某幾項(xiàng)參數(shù)超出整定值且相關(guān)邏輯關(guān)系符合動(dòng)作要求則判據(jù)成立，置保護(hù)動(dòng)作標(biāo)志，并調(diào)用故障處理程序。圖4.2ADC0809采集數(shù)據(jù)流程4.2.2顯示部分子程序流程圖本次的測(cè)量儀系統(tǒng)的顯示部分的軟件設(shè)計(jì)如下：程序開始時(shí)先對(duì)LCD顯示器件進(jìn)行初始化，由于測(cè)量血壓和脈搏都需要一定的測(cè)量時(shí)間，二者之間又以測(cè)量脈搏的10秒更長，所以這個(gè)部分也應(yīng)該先設(shè)置一個(gè)時(shí)間判斷，達(dá)到10秒后開始顯示讀取的數(shù)值。開始開始選擇對(duì)應(yīng)顯示屏編譯顯示代碼選擇對(duì)應(yīng)顯示屏編譯顯示代碼 從表中查詢對(duì)應(yīng)編碼從表中查詢對(duì)應(yīng)編碼返回返回圖4.3顯示部分的程序流程圖4.2.5報(bào)警部分程序本次測(cè)量儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)的報(bào)警部分的程序如下圖4.4所示，超出范圍則發(fā)出報(bào)警指令，讀取的值正常則不需要報(bào)警。圖4.4報(bào)警程序流程圖4.3.7光電數(shù)據(jù)傳輸程序根據(jù)電紅外系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和電路原理，根據(jù)硬件連接和每個(gè)模塊的特點(diǎn)和功能芯片實(shí)現(xiàn)，初始化，包括紅外模塊輸入端口，端口輸入/輸出的單片機(jī)、串行端口輸入/輸出模塊的輸入端口。主程序的流程是通過紅外模塊接收光信號(hào)信息，然后傳送到單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。整體方案方框圖如圖4.5所示。圖4.5紅外程序控制流程圖發(fā)射部分的主程序，先進(jìn)行初始化，然后執(zhí)行鍵盤掃描。右邊是按鍵掃描程序，先是程序不斷掃描鍵盤是否有按鍵按下，如果有按鍵按下，便調(diào)用發(fā)射子程序和顯示子程序。圖4.6是紅外接收端的主程序，首先還是要進(jìn)行初始化，然后依據(jù)設(shè)定的顯示亮度數(shù)據(jù)設(shè)定調(diào)光脈沖延時(shí)值。圖4.6接收模塊流程圖5、基于proteus軟件的仿真實(shí)現(xiàn)5.1系統(tǒng)終端的焊接在焊接的過程中，要注意以下幾點(diǎn)：（1）元件在應(yīng)該在焊接安裝前，仔細(xì)檢查組件模型，第一腳標(biāo)記，方向，極性，電阻的阻值，電容的容量等項(xiàng)功能，否則一旦焊接，就很難拆除。（2）首先焊接高度低的元件。（3）焊接的時(shí)間不能太長，否則會(huì)損傷PCB板和元件。（4）焊接時(shí)，電烙鐵與焊錫不能夠接觸太長的時(shí)間，以免造成漏錫或是焊錫過多浪費(fèi)材料；也不要過短，以免造成虛焊。（5）元器件的引腳盡量要直，并且不要伸出太長，以1mm最好，多出來的可以用尖嘴鉗子剪掉。（6）在焊接過程中，我們要認(rèn)真焊接每一個(gè)焊點(diǎn)，避免短路，虛焊等情況的出現(xiàn)。（7）實(shí)驗(yàn)板焊接完成之后，還要清除焊點(diǎn)周圍的助焊劑殘余物，防止對(duì)電路板產(chǎn)生不必要的干擾。（8）紅外光電電路設(shè)計(jì)中，由于電磁兼容和走線的要求通常需要試用一些不同的設(shè)計(jì)措施，因此需要進(jìn)行特殊的處理。圖5.1實(shí)物圖1圖5.2實(shí)物圖25.2電路測(cè)試使用萬用表測(cè)量每個(gè)銷和焊點(diǎn)，檢查是否正常。在測(cè)量的過程中，我們發(fā)現(xiàn)有一個(gè)封鎖和漏焊。在漏焊的情況下，補(bǔ)焊措施，再次和脫焊，焊接。焊接后可對(duì)電路板電源進(jìn)行測(cè)試。通電之前，檢查焊接好電路板，確保焊接。沒有調(diào)試電路元件，只要組件，連接是正確的，通?？梢哉９ぷ?。（1）用萬用表分別檢測(cè)電阻、二極管、電容和集成電路。（2）元器件的引線成型及插裝。（3）按技術(shù)要求和焊盤間距對(duì)元器件的引腳成形。（4）在印制電路板上插裝元器件。插裝時(shí)應(yīng)注意一下事項(xiàng)。（5）電阻和滌綸電容無極性之分，但插裝時(shí)一定要注意電阻值和電容值，不能插裝錯(cuò)。（6）電解電容和發(fā)光二極管有正負(fù)極之分，插裝是要看清楚極性。（7）供電穩(wěn)壓電源測(cè)試：在測(cè)量儀通電的情況下先用數(shù)字萬用表測(cè)量電源供電穩(wěn)壓電路的輸出端是不是3.3V。測(cè)量結(jié)果顯示電源供電穩(wěn)壓電路的輸出電壓是正常的。5.3仿真和編譯工具Proteus軟件提供多達(dá)30多個(gè)元件庫，元件涉及到數(shù)字和模擬、交流和直流等。能夠?qū)﹄姽?、電子技術(shù)學(xué)科涉及的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，還能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，也能仿真單片機(jī)外圍電路或沒有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況。在用Proteus進(jìn)行仿真和程序調(diào)試時(shí)，可以從工程的角度直接看程序運(yùn)行和電路工作的過程和結(jié)果。KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，KeilC51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。KeilC51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面，是一個(gè)非常實(shí)用的編譯軟件。5.4硬件電路仿真輸出波形為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)紅光和紅外光兩個(gè)通道的光電容積脈搏波的采樣結(jié)果，本文在使用開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了上位機(jī)可視化界面。以噪聲信號(hào)源作為信號(hào)輸入端，經(jīng)初級(jí)放大，低通濾波器和隔直放大電路之后，從輸出端可得到四路輸出波形如圖所示。圖5.3上位機(jī)軟件運(yùn)行界面在LCD屏上需要顯示字符、計(jì)算的參數(shù)、各種圖標(biāo)和PPG波形。為了便于字符的顯示，先將需要顯示的字符的字模存在MCU的Flash中，需要顯示時(shí)，直接調(diào)用。將采集到的紅光光電容積脈搏波和紅外光電容積脈搏波實(shí)時(shí)上傳到上位機(jī)可視化界面，同時(shí)還將單片機(jī)提取特征量后計(jì)算得到的血氧飽和度值、嵌入的心率提取算法計(jì)算得到的心率值實(shí)時(shí)上傳到可視化界面中；同時(shí)能夠?qū)y(cè)量的波形數(shù)據(jù)寫入測(cè)量文件中，存儲(chǔ)在電腦硬盤中，為后面數(shù)據(jù)的分析和初步試驗(yàn)驗(yàn)證做準(zhǔn)備。圖5.4紅光信號(hào)仿真圖圖5.5紅光信號(hào)仿真圖5.6紅光直流信號(hào)圖5.7紅光交流信號(hào)圖5.8紅外光直流信號(hào)圖5.9無創(chuàng)血氧飽和度測(cè)量系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)根據(jù)測(cè)量儀的性能指標(biāo)，血氧飽和度的測(cè)量誤差為+/-2%，脈率測(cè)量誤差為+/-3bpm。因此對(duì)系統(tǒng)的指標(biāo)要求為血氧飽和度誤差+/-2%，脈率測(cè)量誤差為+/-3bpm。從輸出的信號(hào)可看出，已設(shè)計(jì)的硬件電路，能有效放大信號(hào)的交流量。去除噪聲干擾，消除毛刺，其對(duì)信號(hào)的處理可信度較高。可以滿足醫(yī)生及專業(yè)人員對(duì)脈搏血氧儀及患者脈搏血氧情況的直觀顯示要求。結(jié)論本文提出了新型脈搏血氧儀的設(shè)計(jì)思想，即用高精度AD對(duì)光電信號(hào)進(jìn)行采集，從而取代模擬型脈搏血氧儀需要的較多硬件元件，并簡化了數(shù)字型脈搏血氧儀的控制方法及反饋算法。采用全數(shù)字和模塊化的設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)了血氧飽和度測(cè)量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。電路的設(shè)計(jì)全采用集成的元器件，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；為了盡量保證采集到的信號(hào)特征的完整性，前端模擬電路沒有對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，分離等處理，對(duì)信號(hào)的處理全部采用數(shù)字信號(hào)處理的方式實(shí)現(xiàn)。本文完整地闡述了新型脈搏血氧儀的系統(tǒng)方案、硬件電路圖及相應(yīng)的軟件流程圖，并最終研制出了指夾式脈搏血氧儀實(shí)物，并開發(fā)了上位機(jī)可視化界面，為新的測(cè)量方法的有效實(shí)施提供了平臺(tái)。在設(shè)計(jì)中我遇到了繪制原理圖時(shí)，對(duì)軟件不熟而造成的種種失誤；對(duì)芯片的了解不夠深入，不能合理的選用芯片型號(hào)和利用其管腳；在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)上，對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力太差，造成了電路冗余；對(duì)單片機(jī)匯編語言不熟悉程序編寫困難等問題。畢業(yè)論文不足之處：針對(duì)當(dāng)前智能脈搏血氧儀的發(fā)展趨勢(shì)，本文以后提出移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代背景下的智能脈搏血氧儀——移動(dòng)互聯(lián)智能脈搏血氧儀，結(jié)合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)備，打破傳統(tǒng)可視智能脈搏血氧儀數(shù)據(jù)傳輸距離的局限性，更方便人們的生活。智能電視的人機(jī)交互，還可以用手機(jī)作為智能遙控終端，在手機(jī)上開發(fā)APP，通過WIFI與電視相連，適用于智能電視上。參考文獻(xiàn)[1]李景文，龍村，張保洲，朗亞軍，黃兵.反射式血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].生物醫(yī)學(xué)工程與臨床.2013(01)[2]馬漢祥，劉紅.血氧飽和度血氧飽和度的臨床監(jiān)測(cè)進(jìn)展[J].寧夏醫(yī)學(xué)雜志.2013(02)[3]陳春曉，劉建業(yè)，衡彤，黃強(qiáng).智能化無創(chuàng)血氧飽和度檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào).2012(04)[4]張虹，金捷，孫衛(wèi)新.數(shù)字式血氧飽和度血氧飽和度檢測(cè)系統(tǒng)的研制[J].生物醫(yī)學(xué)工程與臨床.2012(03)[5]張旭，趙富強(qiáng).血氧飽和度血氧飽和度儀校準(zhǔn)儀的研制[J].中國醫(yī)療器械信息.2015(03)[6]郭萍，孫衛(wèi)新，金捷，于寶萍，魏萍.血氧飽和度血氧儀定標(biāo)曲線的研究[J].西安醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)(中文版).2016(02)[7]陳亞明，譚小丹，鄧親愷.監(jiān)護(hù)用血氧飽和度式血氧飽和度測(cè)試方法的研究[J].中國醫(yī)療器械雜志.2014(03)[8]劉方，駱清銘，李鵬程，徐國棟.基于RF無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的近紅外血氧監(jiān)測(cè)儀的研制[J].中國醫(yī)療器械雜志.2013(03)[9]黃建新，劉懷.監(jiān)護(hù)用脈搏式血氧飽和度檢測(cè)模塊的研制[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版).2016(01)[10]葉建明.脈搏血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀的原理及計(jì)量性能檢測(cè)[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù).2015(08)[11]鄭成博，王作君，閻洪濤，朱薇，鄭世科.血氧飽和度無線實(shí)時(shí)光電檢測(cè)方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào).2015(S1)[12]BoudewijnVenema，NikolaiBlanik，VladimirBlazek.AdvancesinRefle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=0；uinttemperature1 =0；sbitDQ=P1^1；sbitFAN=P1^0；unsignedintvalue，a，b；//************************************* 延時(shí)函數(shù) *************************************//voidDelay(uinttime) //大約延時(shí)2×time+5us{while(time--)；}//************************************* ULN2803初始化函數(shù) *************************************//voidInit_18B20(void){DQ=1； //初始為高Delay(10)； //延時(shí)15us左右DQ=0； Delay(80)； //延時(shí)480～960usDQ=1；Delay(30)； //延時(shí)等待}//************************************* ULN2803讀一字節(jié)函數(shù) *************************************//unsignedcharReadOneChar(void){unsignedchari=0；unsignedchardat=0；for(i=8；i>0；i--){DQ=0；dat>>=1；DQ=1；if(DQ)dat|=0x80； //從最高位開始讀Delay(15)；}return(dat)；}//************************************* ULN2803寫一字節(jié)函數(shù) *************************************//voidWriteOneChar(unsignedchardat){unsignedchari=0；for(i=8；i>0；i--){DQ=0；DQ=dat&0x01；//從最低位開始寫根據(jù)時(shí)許來寫的Delay(5)；DQ=1；dat>>=1；//數(shù)據(jù)右移一位}}//*********************