呼吸监测系统的研究

余 庚

(福建工程学院 国脉信息学院，福州 350014；福州理工学院 工学院, 福州 350506)

呼吸监测系统的研究

余 庚

(福建工程学院 国脉信息学院，福州 350014；福州理工学院 工学院, 福州 350506)

采用AT89C52单片机作为核心控制模块，经过A/D处理技术将呼吸模拟信号转换为数字信号，并通过DS1302时钟的计数、AT24C02的EEPROM存储设备将信息读取到LCD12864液晶显示器上。该系统用于监测、记录人体呼吸不良时的血氧饱和度参数值，并在不良时给予警报处理。此外，通过RS232进行串口通信将记录的数据传输到上位机(即PC机)达到远程监测的目的。

A/D；AT89C52；监测；显示

0 引言

医疗过程中，医护人员要经常测量病人的体温、呼吸状况等，以便能够及时了解病人的身体状况，对病人的病情做出相应的判断，为主治医生制定治疗方案提供一定的参考。目前，医院里基本采用人工定时测量的方式，护士定时检查全病区每个病人的呼吸状况，然后记录、绘制呼吸变化曲线等。此项工作不仅耗费大量的人力资源，而且无法在病人出现突发的特殊情况时得到及时的反馈，从而可能会造成治疗时间的延误。基于此，在向医学研究人员了解呼吸记录仪原理的基础上提出一种以模拟血氧饱和度值变化来实现睡眠状态下呼吸数据实时监控与报警的研究。所设计的呼吸监测系统以AT89C52单片机为控制系统，结合外围模拟量(血氧饱和度值)进行A/D转换后在DS1302时钟上进行实时数据读取，LCD12864液晶显示器等模块来实现对模拟的血氧饱和度值进行检测和记录，最终实现患者在睡眠时呼吸状态的智能[1]监测。

1 系统方案设计

图1 呼吸监测系统框图

呼吸监测系统可以对人体的呼吸参数(血氧饱和度)进行检测和记录，根据设定的阈值参数自动报警。首先，通过调节可变电阻阻值大小，模拟获取变化的血氧饱和度值作为外在检测到的输入量。采用ADC0832高精度A/D转换器构成的电路[2]对获取的模拟呼吸信号进行模数转换。再以AT89C52构成的单片机最小系统为核心，通过软件控制实现时钟的计数、存储、参数的记录和液晶实时显示。如要具备自动警报的功能仅需设置报警阈值即可。系统架构如下图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 按键设计

本系统共设有5个按键，分别为设置、加、减、历史上一页和历史下一页记录。这5个按键除前三个用于时钟的设置外，第四个与第五个是用于对已经测试记录的数据进行时间显示和血氧饱和度值的查询使用。按键处理流程如图2所示。

图2 按键处理流程图

2.2 数据的采集和存储设计

通过ADC0832模数转换芯片对血氧饱和度模拟值进行实时的采集，并将采集时间与数值记录在EEPROM(AT24C02存储芯片)中供医护人员查询。由于血氧饱和度模拟的输入量是电压型模拟量，需采用ADC0832模数转换器进行转换后产生8比特的数据量。采集数据只需能够反映人体呼吸时血氧饱和度异常即可，故通过可变电阻模拟血氧饱和度值的输入量。监测系统数据采集的电路设计如下图3所示。

图3 数据采集存储电路

2.3 数据通信设计

设计中下位机即以AT89C52为核心的单片机最小系统接收上位机，即PC发送的时序命令后根据此命令解释成相应时序信号直接控制[3]相应设备。下位机不时读取设备状态数据(血氧饱和度值的模拟信号)转化成数字信号反馈给上位机。硬件电路设计部分在这两者之间是通过RS232 与MAX232[4]电平转换电路进行串口通信，MAX232将TTL电平转化为RS232信号进行传输，每采集一次模数转换的信号就上传输一次，从而做到上位机数据监控的实时性。

图4 主程序流程图

3 系统软件设计

3.1 主程序设计

整个监测系统的运行流程如下图4所示。

3.2 EEPROM设计

EEPROM内的数据存储格式设计为前三个字节依次是时间的时分秒，后一个字节为瞬间血氧饱和度数值。其中，在设计中每存完一组数据EEPROM地址+16，以保证地址不会被覆盖改写，以此保证系统在掉电之后对任意正确读取记录的数据进行保存，上电后不丢失。

3.3 A/D转换设计

模数转换模块选用ADC0832(8位分辨)A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可适应一般的模拟量转换, 使用ADC0832进行设计时，仅需要将8位数字输出与浓度建立函数关系即可进行血氧饱和度测量。在程序设计这方面不但可以满足设计的要求，还可以节省一半的存储空间。A/D转换的流程图如图5所示。

图5 A/D转换流程图

4 系统调试

在Proteus ISIS环境下直接加载在keil C中生成的*．hex文件进行仿真[5]。调节RV2的电阻值大小，当液晶显示的血氧饱和度值lt;100时,说明测试呼吸正常；液晶显示的血氧饱和度值≥100时，说明测试呼吸不正常报警器发出警报。整机系统仿真结果如图6所示。经实物测试按键模块所设计的减少、增加、历史上一页、历史下一页键也均能实现液晶显示、记录、查询功能。通过上述仿真验证了本次设计的呼吸监测系统的可靠性与准确性。

图6 系统运行仿真图

5 结语

本次研究提出了一种由按键、显示、采集、复位等模块构成的基于AT89C52呼吸检测系统。为使系统具有一定的应用意义，增加了上/下位机之间RS232、MAX232串口数据通信的设计。所研究的呼吸监测系统经软硬件调试并仿真验证了设计的合理性。该设计可为医疗系统提供一定的参考价值。

[1] 沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实验[M].北京：电子工业出版社，2005.

[2] 元红妍,张鑫.电子综合设计实验教程[M].济南：山东大学出版社，2015.

[3] 李美菊.基于单片机的直流电机变速控制系统设计[J].电子技术与软件工程，2015(12)：260-263.

[4] 纪宗南.单片机外围器件实用手册[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.

[5] 周润景,张丽娜.PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京:北京航空大学出版社,2013.

责任编辑：程艳艳

ResearchonImplementationofRespiratoryMonitoringSystem

YU Geng

(Guomai Information College, Fujian University of Technology, Fuzhou 350014, China； Fuzhou Institute of Technology, Fuzhou 350506, China)

The design of respiratory monitoring system, by using AT89C52 microcontroller as the core control module, transfers breathe analog signal into digital signal through A/D processing technology, and displays information on LCD12864 monitor by counting of DS1302 clock and EEPROM storage device of AT24C02. The system is used to monitor and record oxygen saturation parameters of human respiratory, then to give the alarm processing in bad condition. In addition, it transfers the recorded data to the host computer (PC machine) through RS232 serial communication, so as to achieve the purpose of remote monitoring.

A/D; AT89C52; monitoring; display

2017-03-20

福建省教育厅科技项目(JAT160623)

余庚(1983-)，男，福建福州人，讲师，硕士， 主要从事通信工程方面研究。

TP211

A

1009-3907(2017)10-0010-04