《基于嵌入式的人体智能检测系统开发设计》7700字（论文）

基于嵌入式的人体智能检测系统开发设计摘要随着社会的发展，个人的身体状况逐渐得到了重视，但是因为各种因素和原因，很多时候如果不到医院做体检，就无法对自己的身体状况进行及时、精确的了解。对于一般人来说，只要知道一些明显的身体状况，就能大致的判断出来哪里有问题。因此，研究人员可以通过分析医学仪器的功能，开发出一种简易的人体智能测试系统，这既是一种创新，也是一种很好的实践和应用，尤其是在不方便去实地就医看病的老人身上，通过该测试系统，可以帮助他们对自己的身体状况有一个初步的了解。本课题采用STM32主板与其它模块共同开发的测试生理健康指标，具有对人体血压、脉搏的精确测量功能。在实际使用中，必须吸收传统的优势，对电路进行不断的优化，最后才能实现精确的测量，从而制造出便携式的仪器，方便地进行血压、心跳等数据的检测。本文叙述了一种既经济又便于携带的人体生理信号测量系统，并对其具体功能、功能特点及总体结构进行了阐述。关键词：心率；血压；脉搏；嵌入式目录TOC\o"1-3"\h\u13274前言 前言随着科学技术的发展，各种交叉学科的研究层出不穷。生物医药是一种新兴的、将医学与工程技术相联系的新兴交叉学科。而且，在医学科研和医疗领域，也会采用各种传感器等先进的仪器，来探测病毒的变异情况。通过对人体生理指标和某些数字信号的采集，可以通过对人体的各种生理指标进行预测。这也是科学研究的重要依据。这项研究的内容包括：测量血压、心跳等，在国外也有相应的发展研究，有关议题也在持续的探讨中，吸引了众多学者的注意REF_Ref17639\r\h]。本课题的重点在于，采用低功耗、高便携性的血压信号采集系统和脉冲信号采集系统。采用了基于结构的思想，结合硬件和软件的设计思路，实现了系统的分段测量。其结构参数反馈到屏幕上，更是直观，而内部的内存中，储存着相应的测量数据，便于医生进行分析，而这些数据都是进行后续治疗和诊断的先决条件。利用寄存器完成数据的采集与读取，效率更高。对医院来说，可以减少一些不必要的工作，也可以节约一些医疗资源。对患者的血压、脉搏信号进行观察、记录，并对病因进行了细致的分析。就实际情况来看，对人体的血压和脉搏进行精确的监控，对人体的健康状况和疾病的诊断和治疗都是有益的。血压测量的作用有两个方面，都将用于医院的治疗中。首先，袖套的使用范围比较广，价格也比较便宜，但如果采用非袖套方式的话，就会产生一些问题，比如，袖带测量费用比不带袖带的测量费用要低，所以袖带的测量仍然得到了广泛的应用。

1需求分析1.1系统可行性分析需求分析是软件开发过程中的一个重要环节，而需求分析的好坏，将直接影响到产品的开发和产品的质量。所以，在进行软件开发前，首先要进行需求分析，这是整个项目的一个重要环节。1.1.1设计技术可行性分析该方案的实施过程包括了两大部分：第一部分是系统的设计分析，这对系统的总体结构、细化和总体布局起到了很大的作用。从用户的角度来看问题。第二部分是对系统应用技术的分析，对系统的设计和硬件的设计进行了细致的分析。在硬件上，则是考虑到了感应器的性能。软件部分，包括多个方面的设计，如开发环境的编程语言等。本文借助C语言实现了本项目的系统设计。在这一点上，该方案非常有效。因此可以在实践中进行运用，技术上也非常完美。1.1.2经济可行性分析经济上的可行性，是要到市场上去调研，才能知道外界的实际需求。在设计的时候尽量节约开支。在进行经济可行性分析时，最关键的一步就是与系统开发者进行深度的交流。如果不能很好的交流，那么在最终的考核中，就会出现各种各样的问题，造成大量的资源浪费。所以要尽量降低资源的损耗。1.1.3操作可行性分析操作上的可行性分析，在系统设计上要尽量方便。这个系统面向的是大多数老人，他们会稍微迟钝一点，所以在设计过程中尽量避免不必要的操作。让他们可以直接学习如何操作。所以在软件开发过程中，要充分考虑到用户的可操作性，并尽量为用户提供支持。从而使得该系统的运行更具可行性。1.2需求分析1.2.1功能需求分析该项目的主要任务是实现下列功能。其中包括设置健康门槛、收集健康指数、分析指标的分布、健康状况、预警等。在硬件的设计上，我们要预先决定好硬件的设备，选择好的、稳定的传感器。另外，在软件设计中要尽量确保逻辑运算的正确性，并避免后期的反复修改。所以，在真正理解了使用者的需要之后，才能发挥出自己的创造力，利用自己的知识和信息，来完成智能测试的总体目标。1.2.2性能需求分析性能需求分析是开发人员的首要任务，所以性能需求分析在开发过程中占据了重要地位。三个主要指标是：易用性分析、可扩展性分析、安全性分析。2系统的设计与实现2.1系统设计总述在医院里有很多的医疗器械，但是一般都比较大，所以不能在家中使用。因此，必须要有一个能够反映出人体各项生理指标的简易系统。这样可以随时在家中进行检查，并给出相应的检测结果。这个设计是当下这个时代的一个革新，我们要把它付诸实践，让更多的人在家中就可以进行测量，从而对自己的身体状况有一个大概的了解。采用软硬件设计的思路，完成了项目的设计。该体系在中老年人中有很好的应用前景，为这些群体带来了很大的便利。随着技术的发展，这方面会越来越完善。总之，这次的设计很有意义。同时也为心脏病、高血压等慢性病的检测带来了许多方便。小型设备的使用效率高，并且费用低廉。而且还能保证一定的精确度。2.1.1系统设计任务在设计的时候，将软硬件结合起来，既方便，又有很高的利用率，所以在设计的时候，一定要选择合适的设备，这样才能保证系统的稳定。另外，在软件设计中要尽量确保逻辑运算的正确性，并避免后期的反复修改。保障该人体智能测试系统的总体设计目标得以实现。2.1.2系统模块设计该研究采用STM32低功率、低成本的主板，将感应件与主板进行焊接，采用ARM架构，实现了大容量、小物件、多功能的设计目标。对系统的模块进行精炼，对各模块进行分段设计，从而使各模块之间的联系更加紧密，从而实现最终的功能。主要的模块是：（1）血压采集模块很多人都知道，高血压的诊断都是要经过长期的检查才能得出最终结果的，所以血压的测量已经成为了一种常态。所有的测量结果都是在以后的治疗和诊断中的先决条件。血压的测定主要有两种：一是在家中测量，二是在社区医院。间接测量则包含了医院诊断、示波器检查等。现在医院里大多使用的是水银测量法。以前，人们用传统的听诊法来测量血压，也就是用气压，阀门来测量血压。这是一种很常见的血压测量方式，目前很多医院都在使用。但是，这种方法的精确度并不高，尤其是对于怀孕和肥胖的病人来说，更是如此，显示的读数不精确。要提高测量结果的精度，就必须研制出更为精确的检测实体。在不同的条件下，保障结果准确。就实际情况而言，不同时间段的舒张压可能不稳定，对于这个方面我们要进行抗阻处理，避免测试时，不断地调试而损害器件。这种项目研发，也可以避免在医院环境下测量值在正常的范围内，但是在家里或者在室外时测量，却无法及时得到准确信息的弊端。同时还要设置健康阈值，语音播报能够使老年人更为方便地测量，根据报告中指出，一个健康的人血压测量的建议以135／85mmHg为最高的正常标准。水银测量是在大医院和社区的诊所里进行的，而这一项目就是设计一台能够随时进行测量的仪器。放在袋子内，方便携带，外装的盒子不易被打碎，同时也要保障其测量结果的准确。本项目使用了一个电子血压采集和检测模块，其优势有：对怀孕、高血压患者、宝宝的测量结果会比较准确；从试验结果来看，其准确性较高；该系统能实现对设定的阀值的测量；本系统具有低功耗、高效率的特点；数字信号处理技术可以对数据进行编译、分析、显示；快速的数据处理，能够任意设定值。（2）脉搏采集模块随着现代技术的不断发展，人们的生活品质也逐渐提高，对自己的健康也越来越重视。然而，一些突发事件是人们无法预料的，这些慢性病在早期是不会被发现的，也不会有什么明显的不适。但是，一旦出现这种情况，就会产生不可逆转的变化。人们出现不适后，就会去医院检查，身体的各项指标经过医院的体检程序后才能得到。所以，要想在早期就发现一些病症，就必须要有一套可以实时监测到的系统，一旦有什么问题，就会发出警报，而使用者则要时刻关注自己的身体状况，如果超过了正常的数值，就应该及时就医，以免加重病情。如此一来，意外情况就会大大降低。也就是说，当一个人的脉搏太高的时候，他的大脑就会受到极大的影响，有可能导致心脏病发作，导致猝死。而本文提出的这个设计方案，在日常生活中的作用很大，而且还能随时监控病人的心跳，保证人们及时就医。就脉搏效能而言，目前有最常见的有两种方法：第一种是以嵌入式微处理器为主要的电路，例如：STM32，这是一种非常普遍的产品，性能非常好，具有良好的抗阻，灵敏度，并且价格低廉。就当下来看，这种微处理器已广泛应用于市场。本模块要求储存脉冲资料，设定上、下两个关键区域，可任意设定。要有足够的储存空间。第二种是利用了数字编辑技术对模拟信号进行了改进，其优点包括：数据处理速度快、对复杂的信号处理能力强、还能够对信号进行调制处理等。这就是两种常用的脉冲采集系统的处理方式。（3）其他信息采集模块该系统由三部分组成：OLED12864LCD显示模块、蜂鸣器声光报警模块、PCB8574模块。1）OLED12864液晶显示屏模块LED显示屏是目前最受欢迎的一种屏幕，在现代社会，电视、手表等都可以使用LED屏幕。这个显示屏被广泛地用于物联网，例如苹果派的智能手推车，使用的就是这个显示器。该显示器具有高解析度、体积小巧、功能完善的特点。符合本项目的核心理念，轻便，体积小。总之，OLED12864在当今社会是很流行的。2）蜂鸣器声光报警模块蜂鸣器目前被划分为有源和被动两种类型。这个工程是一个主动的蜂鸣器，当它到达临界点的时候，它会自动发出警报。笔者的设计为：当超过临界点时，它会在五秒钟之内发出嘀嘀嘀的声音，以此来表明受试者已经脱离了健康的范畴。被动式蜂鸣器的变化是由磁场引起的，它需要与线路相连，并通过声音来完成。目前，有源蜂鸣器和被动蜂鸣器都是物联网的实践应用。但被动式蜂鸣器仅采用了部分振荡电路，在这一点上，有源蜂鸣器更具优势。3）PCB8574模块PCB8574芯片采用了一种互补的MOS器件，英文名为复合MetalOxideSemiconductor。PCB也就是印刷电路板，也就是通常所说的印刷线路板。PCB是实际应用中的一种重要电子设备。顾名思义，这是一种由电子印制而成的电路板，因此一般被称作印制电路板。2.1.3功能模块设计硬件部分包括：按键、气压传感器、心率传感器、OLED12864、心率传感器、XGZP压力敏感元件、声光报警、各类原始气泵、排气阀门等。由多个功能模块组成。为了更易于实施，将各功能模块彼此紧密地联系在一起，见图2.1。图2.1功能模块的设计2.2电路设计结构该课题的主要工作是对人体的脉搏、心率、血压等进行最优的检测。其中，STM和传感器是其核心技术，C语言是开发语言。它的作用是设定健康门槛、收集健康标准值、分析标准区间、显示健康状态、甚至发出警告。本系统具有成本低廉、使用方便等特点。2.2.1血压采集电路的设计测量血压的方法是把人的手臂放在空气泵的袖带上，把空气泵插进口袋里，然后用压缩手臂来检测血压。在进行测量前，我们要对所储存的数据进行设定，包括：血压阈值的上下两个，可以调整的上、下两个按钮，最后是一个归零键。这可以在很短的时间里进行调整。这些关键字在设定门限时扮演了非常关键的角色。在采集电路中，XGZP器件是最关键的器件。由于XGZP的主要部件是压敏元件，XGZP压阻电压传感器广泛应用于生物、医药、电子等领域。这个晶片包括一个调制解调器，一个灵敏的电阻器，具体构成见图2.2。图2.2降压采集电路的设计在电路的设计上，他将大量的电桥知识都用在了这方面，而在传感器的研发与应用上，他也将这方面的知识运用到了各个电路的芯片上。高灵敏度，线性度好。这样的单元就得到了广泛的应用，具体结构见图2.3。图2.3血压采集电路的设计2.2.2脉搏采集电路的设计在脉冲采集电路中，本文使用了有源滤波器，并利用数字信号进行编码。高电平转换为低电平，将讯号传送至电路，再利用元件传送，以实现此目标。从整体上来看，采用二极管进行信号的传输，并且速度很快，可以采用放大器、信号采集、数据处理、信息传送等方式来完成。在启动心率监控功能前，应先完成微处理器的初始化，并对寄存器、计数器、报警阈值、门狗等进行初始化。所选择的传感元件具有良好的稳定性，可以精确地测定人体的各项健康指标，降低试验误差，延长其使用寿命。如图2.4中所述，若能满足大多数以上条件，则可进行安装、焊接、调试，将会大大降低重复焊接对线路板的损伤。图2.4脉搏采集电路的设计2.3STM32电路设计实现2.3.1设计基本说明STM32主板与各个模块相连后，可以对其进行血压、脉搏等数据的检测，当健康指标超出设定时，会触发警报。所以，这两个模块可以设定四个极限，分别是心率的上下限和上下限，具体数据见图2.5。图2.5STM32主板电路的设计2.3.2重要模块实现细节为方便和控制电路的发展。主要包括血压控制和脉冲控制两大模块。这个STM32主要承担下列工作：（1）创建main.c应用程序建立一个模块化的应用程式，并在必要的时候呼叫它。与此同时，当应用程式结束时，资源也会被释放。主程序实现如下：#include"delay.h"#include"sys.h"#include"Timer2.h"#include"Blood_Pressure.h"#include"PCF8591.h"#include"OLED12864.h"#include"Key.h"#defineSpeaker_PinPBout(12)voidUser_GPIO_Init(void);unsignedcharMS50_Con=0;unsignedcharSBP_Pressure_View[]="000.0mmhg";unsignedcharDBP_Pressure_View[]="000.0mmhg";unsignedcharHeart_View_Data[]="000BPS";unsignedcharView_Con=0;//0显示结果1检测中2设定SBP3设定DBP4设定心率unsignedcharView_Change=1;unsignedcharView_Con_Change=1;unsignedintSet_Data[3][2]={140,110,100,70,110,60};//设定的高压低压和心率的高低阈值unsignedcharSet_View[]="000";unsignedcharWarning_EN=0;//0不报警1报警（2）创建其他模块应用程序在系统的硬件部分，包括STM32的主板、心跳的采集、脉冲的采集、OLED12864、蜂鸣器的声光报警、PCB8574等部分。在软件模块的设计中，使用C语言编写了设定门限。可实现LCD12864的当前心跳和脉搏，键盘设定报警心跳，脉搏数据的上下限。OLED12864程序voidOLED_IIC_Start(void)//IICStart{OLED_SCL=high;//IIC高电平OLED_SDA=high;OLED_SDA=low; //IIC低电平OLED_SCL=low;}voidOLED_IIC_Stop(void)//IICStop{OLED_SCL=low;//IIC低电平OLED_SDA=low; OLED_SCL=high;//IIC高电平OLED_SDA=high;}PCB8591voidPCF8591_Init(void)//PCB8591初始化{ GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;//GPIO设置 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_6GPIO_Pin_7; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;//设置电压 GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); PCF8591_SDA=1;//1代表高电平 PCF8591_SCL=1;}

3系统测试3.1软件设计的目标系统测试的首要任务就是找出一些不容易被发现的bug，然后根据bug进行修正，从而减少软件的开发费用。软件的正确性无法由试验来证实。这个试验也有一定的限制。不能及时找到逻辑上的问题，但是在系统运行起来的时候，却能发现问题所在。该系统的测试是物理的，物理的检查包括了血压和脉搏。心脏、脉搏、血压等是人体最基础的生理指标，是研究和探讨人体生理状态的关键指标。3.2测试计划及执行情况软件的测试可分为白盒测试和黑盒测试两种。该系统采用STM32作为主要的主板。在采集了血压和脉搏的数据之后，单片机就开始了对各个模块的初始化，根据功能的需要，通过OLED12864的LCD显示模块，并将其输入到OLED12864的LCD屏幕上，再由使用者进行检测。测量血压的方法是把你的手臂放在空气泵的袖带上，把空气泵插进口袋，然后用压缩手臂来检测血压，具体操作见图3.1。图3.1血压采集测试（2）脉搏采集电路测试脉搏信号的采集电路，可以采用二极管，而且速度也很快，可以采用放大电路、信息采集、数据处理、信息传送等方式，具体见图3.2。图3.2脉搏采集测试STM32主板设计本文主要完成了两个模块的设计，即：血压测量与脉冲检测的设计。图3.3STM32主板测试（4）OLED12864液晶显示屏测试LED显示屏是目前最受欢迎的一种屏幕。该屏幕具有高解析度、小型和多功能，见图3.4。图3.4LED显示屏测试3.3超限报警单元测试如果超出预先设置的上限和下限，则由主机控制的输入和输出电路组成蜂鸣器警报。电路设定包括5个单独的按键，分别用于返回到下一次测量、启动或终止按钮、血压、脉搏数值阈值SBP和下限DBP。通过OLED12864与蜂鸣器组成了超出预先设置的上下限电路。如果系统检测到的血压、脉搏不正常，比如血压超过了正常值，或者心跳过快，那么输出电路就会和单片机相连，蜂鸣器会发出警报，OLED12864的指示灯也会连续闪烁五秒。通过这种方法，可以让使用者感觉到自己的血压和脉搏超过了正常范围。测试完毕。当超过临界点时，蜂鸣器会报警，表示受试者不在正常范围之内。能在家中实时监控心跳（心跳）和血压。设置了一个高、低心率的临界值。具体见图3.5图3.5报警单元测试3.4测试评价等所有的模块都测试完毕之后，再进行最后的整体测试。在完成了软件和硬件的测试之后，测试结果显示，软件所需的功能基本都被实现了。当系统完成了所有的工作之后，系统就会自动运行，这说明系统并没有出现什么问题，完全符合毕业设计的要求。为避免发生意外，笔者对四位学生进行了测验，发现四位学生都能正常、准确地测量血压、脉搏，并能完成系统中的各项操作，成年人的收缩压90~139mmHg，舒张压60~89mmHg，心率为60~100mmHg/min，具体数据见表3.1。表3.1血压、脉搏（心率）数据对比该项目的研究功能基本能够达到。经过这一次的测试，可以得出一个结论，那就是这个系统能够满足所有的需求，并且没有出现什么大的问题，测试很顺利，也节省了大量的时间。4结论随着社会的发展和科学技术的发展，人们的生活水平越来越高，越来越多的人开始关注自己的健康。因此，这一次我们要做的，是一台简单、方便、功能完善的测试仪器。主要实现了以STM32为主控板的数据采集功能，其中，主要包括心跳、血压等数据的采