人体温度与心率检测设计

刘佳华 曹帝杰 牛子健 张子林

摘 要：随着可穿戴设备的普及，心率监测功能已经成为各种可穿戴设备必备的功能，但是现有可穿戴设备所具有的人体心率监测系统比较单一，不能对体温和心率等多种指标同时进行检测，降低了用户体验感。本设计通过一种LabVIEW软件与单片机来对人体温度和心率进行读取和分析，其原理是利用LabVIEW软件进行各种子VI设计，主要包括收集MIT-BIH通道数、采样率、数据点数、数据存储格式、数值等参数，并收集电压转换倍数、数据格式分析以及单片机温度等数据。本设计成本较低，可以节约人工成本，同时具有人机交互性强、操作简单等优点。

关键词：LabVIEW;单片机;数据处理

中图分类号：R318.6;TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2020）11-053-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2020.11.025

为实现采集人体心率和温度等目标，笔者结合单片机开发板，运用温度传感器模块和MIT-BIH读取，进行温度与人体心率的实时采集与显示，在LabVIEW2018软件上搭建信息采集的前面板与子程序。

1 温度采集模块设计

利用DS18B20实现对温度的采集。在8段数码管上显示采集温度的示数变化（整数部分显示整数温度，小数保留一位小数），可以根据用户需求设置采样时间、温度范围、温度采集的开始与结束等。

LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。LabVIEW软件是NI设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力，推动不断创新。界面的设计与控制就变得十分方便，子程序的编写更加直观明确，使人容易理解。

单片机开发板一般具有流水灯、点阵显示、DS18B20温度检测、液晶屏、SD卡、收音机、mp3解码等功能，为开发提供了很大的便利。DS18B20温度检测模块是开发板自带的，能够直接将程序写进去，方便实用。

利用现有的单片机开发板，加上LabVIEW开发软件，为设计基于LabVIEW的连续实时数据采集与存储系统提供了很大的帮助。

單片机开发板具有的功能较多，但是该设计中仅仅使用显示模块和温度传感器模块，因此将单片机与LabVIEW调通之后，在设计界面、编写程序过程中，只需要使用这两个模块的功能，通过LabVIEW编程控制单片机即可。

单片机和PC的通信，是通过单片机串口和PC串口之间的硬件连接实现的。在许多单片机应用系统中，上、下位机分工明确，作为下位机核心器件的单片机往往只负责数据的采集和通信，而上位机通常以基于图形界面的Windows系统为操作平台。为便于查询和保存数据，还需要数据库的支持，这种应用的核心是数据通信，其包括单片机和上位机之间、客户端和服务器之间，以及客户端和客户端之间的通信，而单片机和上位机之间的数据通信则是整个系统的基础。

数据通信的硬件采用3线制，将单片机和PC串口的3个引脚（RXD、TXD、GND）分别连在一起，即将PC和单片机的发送数据线TXD与接收数据RXD交叉连接，两者的地线GND直接相连，而其他信号线，如握手信号线均不使用，采用软件握手的方式。这样既可以实现预定的任务，又可以简化电路设计。

在保证单片机能够顺利通信之后，才能实现数据的实时采集和存储。

利用Keil C51和LabVIEW编写程序实现PC与单片机串口的通信后，就可以在LabVIEW 2018上设计界面、编写程序[1]。

1.1 LabVIEW前面板设计

该设计需要有温度的数字显示、柱状显示与波形图显示，并能够设置温度的上下限，采集频率的快慢能够更改，储存的位置与形式可以选择，并使串口参数与单片机开发版保持一致。运用labview前面板的功能对这些功能进行布局，设计其主界面。

其具有的功能显示自上而下，依次为时间显示、开始按键、文件储存位置选择、采集停止按钮、串口参数设置口、温度波形图、温度计、温度值、采集时间、温度上下限、温度状态、温度状态灯等。

运行labview之前，将单片机的串口参数设置正确，并选择温度采集的温度存储位置，设置温度的上下限。点击开始按键，单片机开发板就开始采集温度数据，此时的时间与系统时间保持一致，温度传感器对采集的温度进行数值显示、柱状显示以及波形图显示。改变温度传感器周围的温度，能够观察到采集的温度的变化[2]。

1.2 LabVIEW子程序设计

建立主界面显示，需要特定的程序实现，于是根据数据传输的顺序，加上循环指令和中断指令保证实时连续采集与储存，并能实现显示。

每一个功能的实现，都需要制定一个程序。首先，串口传输设定一个固定的参数，能够将单片机采集的温度数据，通过串口传输到labview前面板上显示。点击“开始”指令，如果满足通讯协议，就通过了真假判断指令，执行接下来的程序;如果不满足程序就会报错，提醒修改。之后进入while循环，在循序结构图中，首先判断进入信号是否满足要求，满足要求进入第二层结构。在第二层结构中可以设定采集信号的频率，根据设定频率采集周围环境的温度。这时将采集的数据经过字符串的转化，分到三部分进行显示和判断，其中的一部分通过连接字符串进入存储格式选择，格式自带的日期和系统保持一致;另外一部分则直接通过数值和温度计直接显示;最后一部分则要判断采集的温度是否在设定温度之间，若在范围内就显示正常指示灯绿色，如果不在，就会显示不正常，变为红色。最后点击“结束”，即可不再采集。否则，一直进行数据采集。后面板设计如图1所示[3]。

2 心率采集模块设计

心电信号的分析比较复杂，可能会用到高级信号处理工具箱（ASPT）和数字滤波器设计工具箱（DFDT）等。另外，还有NI LabVIEW生物医学工具包，工具包的VI库包含多种信号处理算法，用于许多常见的生物医学信号处理任务，比如EEG和ECG信号仿真、EEG双谱和相干性分析、ECG特性提取和EMG功率分析等。对于本设计，笔者仅利用LabVIEW的基本函数进行简单的心电信号分析。典型的心电信号如图2所示。

可以利用信号处理→波形测量→波形监测→波形波峰监测函数测量出心电信号各尖峰（R）的位置和尖峰数量，由各尖峰的位置差可以计算出每次心跳的时间间隔（RR间隔）并进而计算出每次心跳的频率，这样就可以分析出平均心率和心率的标准差。每两次心跳的间隔都是不同的，由RR间隔可以计算出RR间隔的均值和标准差。

HRV分析提供了自主神经系统（ANS）的一个定量标记，因为HRV的调节机制源自交感和副交感神经系统。迄今为止，许多研究人员和工程师都致力于发掘HRV分析中对临床应用有价值的信息。在过去的十年中，已经发表了超过2 000篇关于HRV的文章，这些文章考察了HRV与血压、心肌梗塞、神经系统、心律失常、糖尿病、呼吸、肾衰竭、性别、年龄、疲劳程度、药物、吸烟、酒精等因素的关系[4]。

3 结语

文章阐述的人体心率与温度检测设计方法简单但具有创新实用性，对日常生活比较实用方便。利用LabVIEW2018软件与单片机进行结合设计，打破了传统设计方法的局限，有很好的创新性。设计方法简单，但功能齐全，是一种检测人体心率与温度的好方法[5]。

参考文献

[1] 杨忠仁，饶程，邹建，等.基于LabVIEW数据采集系统[J].重庆大学学报（自然科学版），2004，27（2）：18-22.

[2] 陈敏，汤晓安.虚拟仪器软件LabVIEW与数据采集[J].小型微型计算机系统，2001，22（4）：32-35.

[3] 呂向锋，高洪林，马亮，等.基于LabVIEW串口通信的研究[J].国外电子测量技术，2009，28（12）：8-11.

[4] 王建群，南金瑞，孙逢春，等.基于LabVIEW的数据采集系统的实现[J].计算机工程与应用，2003，39（21）：23-24.

[5] 胡蒋明，张晓青，贾豫东，等.3km分布式多模光纤温度报警系统设计[J].现代计算机，2016（6）：45-47.