基于單片機的生理參數監(jiān)測器結構設計摘要隨著社會老齡化程度的加劇和社會壓力的增大,心血管疾病已經成為值得我們關注的重要社會問題之一。為此，設計了一款無線運動傳感節(jié)點，該節(jié)點采用鋰電池供電，可穩(wěn)定的采集、記錄并顯示使用者的心電信息、體表溫度和運動距離與步距信息。本設計通過ADS1292來測試心電，LMT70用于測試溫度，E34-433T20D用于將心電、溫度、步距數據無線傳輸到服務器端。利用驅動將測得的數據送給STM32F103C8T6主控制器處理，測量結束后會將心電圖、測量人體溫度和步距數據顯示于上位機服務器端（OLED顯示屏）。本設計能夠快速、準確的測量出使用者的心電圖、溫度信息。此外，本設計具有較高的準確度，能夠完成任務書要求的心電圖測量，溫度測量等各項任務。關鍵詞：無線傳感器節(jié)點；LMT70；ADS1292；心電信號；E34-433T20D目錄1引言 [16]。圖3.3LMT70原理圖LMT70的輸出特性曲線看起來是線性的，實際上在它的溫度范圍內，根據需求又有三種計算方式：1.在20℃-30℃范圍內，他的輸出可以用線性函數來擬合：T2.在-55℃到150℃的范圍內，二階的計算方式會獲得更加精確的效果，這個方法僅在極端溫度（零下低溫-60℃時）效果不好。T表1Bestfitfor-55℃to150℃Bestfitfor-10℃to110℃a-8.451576E-06-7.857923E-06b-1.769281E-01-1.777501E-01c2.043937E+022.046398E+023.在整個范圍內，三階的溫度計算方式都會給出一個最精確的結果：T表2Bestfitfor-55℃to150℃Bestfitfor-10℃to110℃A-1.064200E-09-1.809628E-09B-5.759725E-06-3.325395E-06C-1.789883E-01-1.814103E-01ED2.048570E+022.055894E+02E3.4運動傳感器模塊本設計的運動傳感器模塊選擇飛思卡爾公司生產的XtrinsicMMA955xL智能運動傳感平臺。該模塊集成了MEMS加速度傳感器、32位嵌入式ColdFire微控制器、閃存和管理其他傳感器的專用架構的傳感平臺。MMA9555L可提供自由落體檢測、傾斜和3D方向檢測、敲擊和雙敲擊檢測、航位推算、沖擊檢測、振動和突然性運動檢測和電源管理，它常常被用于移動設備中。原理圖如圖3.4.1所示圖3.4.1MMA9555L原理圖CJMCU-9555L是一個高度精確、快速響應的計步器，能夠準確統(tǒng)計步數、檢測步長?？梢詫崿F計步器功能和判斷運動方向，可以根據步伐的大小設定計步器的閾值，并且可以根據設定步長，身高和體重，推算運動的距離，速度，和消耗的卡路里。MMA955xL采用1.8V供電，一般不能與單片機直接相連，CJMCU-9555L模塊自帶電壓轉換芯片，因此它適用于各種單片機，不用再考慮電壓的問題，使用起來更加方便。電路原理圖如圖3.4.2所示。圖3.4.2MMA955x電路原理圖3.5無線傳輸模塊本設計的無線傳輸模塊選擇億百特公司生產的E62-433T20D模塊，其電路原理圖如圖3.5所示，這是一款“全雙工”點對點（非廣播）高速傳輸的433M無線模塊。該模塊不需要等待接收完成，在接收數據的同時可以發(fā)送數據。圖3.5E62-433T20D原理圖4.理論分析與計算4.1FIR帶通濾波器各參數設計R波檢測與心率測量設計方案圖1-3標準ECG波形示意圖方案一：幅度閾值法，使用滑動平均求出ECG信號3-5周期的均值，向R波尖峰方向偏移固定比例作為幅度閾值檢測R波尖峰，得到R-R時間，進而計算出瞬時心率。方案二：斜率閾值法，根據經驗值設定R波斜率閾值，分辨R波，計算瞬時心率。方案選擇：在實際測試的ECG波形中，R波斜率與運動產生的肌電噪聲干擾近似，經驗值很難找到準確的分割點。幅度閾值法的閾值由過去均值決定，有一定自適應性，且R波幅值特征明顯。故選擇方案一進行R波檢測和心率測量。符合要求的低通濾波器的頻率響應是Hdejw。假定通帶截止頻率是wc,如果希望其幅頻特性Hdehd=1=sin?(whd(n)是以hd(0)為對稱的sinc函數，hd0=wcπ。這樣的系統(tǒng)是非因果的，因此物理是不可實現的。如果把hdh則hn為因果序列，同時長度不是無窮大，長度為MHz=就能計算設計的濾波器傳遞系數，Hz頻率響應式H上面即為設計FIR帶通濾波器的具體原理。因為帶通濾波器只存在零點，所以能十分方便的獲得非常優(yōu)的通帶和阻帶衰減效果。如果想要獲得性能更優(yōu)的衰減效果，通常需要Hz的階數比較高，也就是M取值比較大。根據Z變化方法及離散時域系統(tǒng)知識，在離散時域系統(tǒng)的信號處理中，信號的頻率f,信號的采樣速率fs,圓周頻率w以及歸一化頻率f'，數字角頻率w=由于心電信號的能量范圍大部分集中在0.5-45hz，假如選定0.5-45hz的帶通濾波器來過濾采用頻率為500hz的電信號，則0.5-45hz的通帶范圍對應圓周頻率范圍為0.002π-0.18π。即通帶截止頻率是0.002π，最高截止頻率是0.18π.計算出的帶通濾波器系數由以下數學表達式表示：HdeHd這里wi=0.002π,wh=0.18π。因為帶通濾波器的設計能夠當做是兩個低通濾波器相減得到，因此由上述設計的低通濾波器計算通帶頻率是0.002h先使用均值濾波降低降低相對采樣率，減小FIR濾波器數據量，提高實時性，選擇200階的帶通濾波器，通帶截止頻率是0.5Hz，最高截止頻率是30Hz，采樣頻率是100Hz。圖4.1數字FIR帶通濾波器的仿真4.2體表溫度測量方法 在確定溫度的測量公式時，使用最小二乘和方法將原始模擬電壓量轉換成為溫度值，并對照電氣特性溫度顯示查找表（look-up-table）數值，最終生成了合適的三階傳遞函數如下：y=-1.805軟件設計5.1編程軟件以及編程環(huán)境本設計的軟件采用C語言編程，編程環(huán)境采用Keil

Uvision5軟件。C語言是一門面向過程的編程語言，由丹尼斯·里奇在二十世紀七十年代開發(fā)，它使用廣泛。C語言可以通過簡單的方式編譯和處理低級內存，是一種高效的編程語言，僅產生少量的機器語言，并且無需任何操作環(huán)境支持即可運行。Keil

Uvision5簡稱Keil5是一個兼容單片機C語言的軟件開發(fā)系統(tǒng)，它不僅為用戶提供了簡單直觀的操作界面，并擁有編譯器、宏匯編、庫管理和強大的仿真調試軟件，大大提高了工作效率，縮短了項目開發(fā)周期。該軟件在同類軟件中有很大的優(yōu)勢。5.2總體程序設計在本設計中軟件設計由心電圖采樣，心率采樣、溫度采樣、步數采樣、步長采樣，步長計算等部分組成，采樣得到的數據通過無線傳輸到手機等移動終端，并將心電圖顯示到屏幕上。本設計的系統(tǒng)軟件程序流程圖如圖5所示。圖5系統(tǒng)軟件流程圖5.3重要模塊軟件程序展示圖5.1溫度模塊實物圖圖5.2心電采集模塊實物圖6調試部分6.1心電測量模塊調試心電信號測量方法如下：耳機口導聯線線序如圖6.1.1所示，其中紅色為RL，黃色為LA，綠色為RA。其中R端和L端為差分放大輸入端，F端的作用是為了消除干擾。圖6.1.1耳機口導聯線線序一次性電極貼片位置如圖6.1.2所示：黃色LA放在左胸偏上，紅色RA放在右胸偏上，綠色RL放在右腹部或右腿大腿。把導聯線用心電電極片粘在身上：L端粘LA；R端粘在RA；F端粘在RL。參照全導聯心電：LA貼在左鎖骨下，RA貼在右鎖骨下，RL貼在右腹部下。圖6.1.2一次性電極貼片位置由于電極片所采集到的就是一次性電極貼片所貼部位的心電信號，所以對于貼片的具體位置并沒有非常嚴格的標準。比如做心電圖機時，我們習慣將電極夾在四肢，做心電監(jiān)護時，我們習慣將電極貼片貼在上半身，甚至你將電極片按在手指上也能顯示心電波形和心率的。一般來說，電極貼片在被測病人身上檢測的具體位置并沒有很嚴格的要求，可以通過觀察波形的大致形態(tài)和心率檢測，進行適當的上下左右移動，本身比較靈活。當電極貼片貼好后，使用STM32F103系列開發(fā)板，連接模塊的通訊接口，把測試程序下到單片機中，具體引腳如下：VCC—3.3V，/RESET—PB10，START—PB11，/DRDY—PA8，/CS—PB12，MOSI—PB15，MISO—PB14，SCK—PB13，GND—GND通過USB轉TTL模塊（CH340）將STM32單片機與電腦連接起來，具體引腳連接如下：TXD—PA10.RXD—PA9然后通過串口調試助手調整波特率調整為115200，通過串口調試助手觀察USART1發(fā)送的串口初始化數據，success為初始化成功，后面會自動發(fā)送16進制的數據，下面可以通過上位機軟件繪圖了。ADS1292通過串口調試助手采集到的心電波形如圖6.1.3所示。圖6.1.3心電圖波形6.2運動傳感器模塊運動傳感器模塊與單片機相連接，具體接線方法如下：VCC3.3V，GNDGND，SCLPB6，SDAPB7，通過串口調試助手得到的數據顯示如下：6.2調試過程中遇到的問題雖然我的設計總體上比較簡單，但是在調試過程中也遇到了許多問題。后來經過網上查詢和詢問同學最終得到了解決。程序不能燒錄進去。在將程序燒錄到STM32單片機的過程中，使用ST-link通過KEIL5下載程序時總是提示“flashtimeout.resetthetargetandtryitagain”“Error：FlashDownloadfailed-‘Cortex-M3’”如圖6.2.1所示。檢查了KEIL的配置后發(fā)現是單片機鎖死了。后來下載了STM32ST-linkUtility軟件，將寫保護取消，解決了鎖死問題。最終，通過STM32ST-linkUtility軟件成功將程序下載到單片機中。圖6.2.1提示7復雜工程問題及非技術要素分析7.1復雜工程問題分析（1）該系統(tǒng)滿足復雜工程問題一：必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決。本設計中需要實現心電信號、體表溫度、運動信息的實時監(jiān)測，實現數據的無線傳輸與顯示。因此，設計時需要考慮到心率，步距步長的計算原理及公式。同時本系統(tǒng)利用STM32單片機控制原理通過C語言程序編譯。綜合利用以上幾項原理公式對本系統(tǒng)進行設計。（2）該系統(tǒng)滿足復雜工程問題二：涉及多方面的技術、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突。由于本設計中要實現多種任務同時顯示，所以在設計時要充分考慮在輸出控制及流量檢測過程中，需要考慮I/O口的分配問題才能完成整個系統(tǒng)的搭建，進行綜合考量分析。同時本系統(tǒng)還在模數轉換芯片的選擇上也存在一定沖突

，為保證經濟性原則，應當選擇低成本芯片，但一般低成本芯片精度不夠，模數轉換時間過長，影響使用者體驗，同時穩(wěn)定性不好;若選用高成本芯片，則違背了本課題初衷。因此選用ADS1115芯片。（3）該系統(tǒng)滿足復雜工程問題三：具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題。本系統(tǒng)中由ADS1292心電采集模塊、LMT70溫度模塊及MMA9995加速度傳感器模塊組成，可采集多種信號，具有較高的綜合性，此外各個模塊具有十分緊密的聯系。7.2非技術要素分析（1）必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決。此設計中需要信號無線傳輸原理的分析，這是的關鍵問題，只有原理分析正確才有可能解決傳感器節(jié)點數據無線傳輸的工程問題。（2）具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題。本課題涉及無線傳輸、心電檢測、軟件編程等關聯問題設計多個領域知識，各個領域相互關聯，具有較高綜合性。

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