人体健康监护系统的设计
随着生活水平的提高，人们的健康意识不断提高，对人体健康的监测需求也越来越大，为了更好的保护身体健康，通过智能检测人体健康指标参数并及早预防疾病发生具有重大意义。基于此本文设计了基于Arduino的人体健康监护系统，该系统主要分为传感器参数检测模块、主控模块、液晶显示模块和自动报警模块。能够实时检测人体温度和心率变化，并在液晶上实时显示，当检测到的传感器参数超过正常范围时，主控模块会启动自动报警模块进行报警提醒用户。最终通过软硬件的设计完成了本次设计，并经过调试完成了预期功能。
引言 4
一、总体设计方案 5
二、主要选用芯片介绍 6
（一）ATmega328性能特性 6
（二）DS18B20传感器介绍 7
（三） MAX3010心率检测模块介绍 7
三、系统硬件电路设计 8
（一）主控电路设计 8
（一）电源电路设计 10
（二）显示电路设计 11
（三）报警电路设计 12
（四）PC机通信接口电路设计 13
（五）传感器采集电路设计 14
四、系统软件实现 15
（一）主程序设计 15
（二）温度采集程序设计 16
（三）脉搏采集程序设计 17
五、系统的调试与测试 18
六、结束语 18
七．主要参考文献 19
附录 20
附录1:主要程序清单 20
附录2：实物图 23
附录3：原理图 23
引言
在经济发展日益深化的新时代，人们的物质生活水平得到了很大的提高，人们对美好生活的向往已经从简单的吃饱穿暖向追求更加健康快乐的生活迈进。健康意识的逐渐提高使得人们对现代医疗条件和设备提出了更高的需求。尤其是近些年来各类罕见疾病、慢性病频发更是引起了人们对自我健康状况的极大关注[1]。
为了更好的拥有一个健康的体魄过上美好的生活，人们开始不断研究疾病原理和研发先进设备来提前感知疾病特征，做到提前预防疾病。特别是对免疫力较为低下的老年人和儿童来说做到对自身健康状况的实时感知对疾病预防来说至关重要。当检测到 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
身体某项健康指标或者参数出现明显异常时，通过及时的发现并做出及时判断采取措施来防止疾病发生。近年来随着科技的发展，尤其是电子技术通信技术的进步，学者通过不断研究与实践应用设计了一系列用于人体健康检测的系统或者设备，并取得了良好的效果。
凌建东[2]基于人体的脉搏指标设计了可穿戴人体健康检测设备，通过实时检测人体检测并上传数据到手机客户端来实时探查人体健康状况。潘付文[3]则基于Zigbee技术实现了对人体生理多参数指标的检测与数据传输，并将数据上传到LCD显示端供随时查看方便了用户或者医生的诊断。钟其[4]基于安卓手机和嵌入式技术在实现对人体表征健康生理参数检测的同时，还能将数据通过蓝牙或者GPRS技术上传到手机APP客户端或者远程监控中心。实测表明该系统可靠稳定，生理参数测量较为准确能够满足对人体健康的监护需求。
本文在前人研究的基础上，基于Arduino设计了一个人体健康监护系统，通过监测人体温度和脉搏心率来间接监测人体的健康状况从而更好的预防疾病发生，它对人们的健康生活具有重要意义，具有广阔的应用价值和市场前景。
一、总体设计方案
本文设计的人体监护系统主要是完成对人体体表温度、脉搏心率指标的实时检测。实现对这些表征人体健康数据的检测首先需要选择合适的传感器进行数据采集，这里采用DS18B20来采集温度，当人体接触该传感器时，模拟信号通过内部数模转换后变为数字信号，由单片机处理。心率信号采集则是采用传感器MAX30100。信号经过传感器后输出电压与所受压力成精确的正比关系，再通过电压比较器将采集到的信号转换为脉冲信号，进行脉冲计数得出心率大小。两项指标参数最终在液晶显示屏上显示。另外本文还设计了健康参数超标时的报警功能，即将实时检测的数据与人体健康标准的数据进行比较，将超过标准时，系统会启动自动报警提醒用户对个人的健康状态有所注意和警惕。
基于以上需求分析确定了本文设计的总体方案，主要包括四个部分：单片机主控模块设计，负责数据处理。传感器数据采集模块，负责温度数据和心率脉冲检测。报警模块，负责数据超出标准值时进行报警提醒。液晶显示模块，负责传感器数据的实时显示。
总体方案设计如图1所示：
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图1 系统结构框图
二、主要选用芯片介绍
（一）ATmega328性能特性
Arduino主控模块中采用的主控芯片是Atmega328p,该芯片是Arduino板载类型较多的主流芯片，适合初学者使用。通过查阅数据使用手册，发现其具有32K字节可编程Fla1024字节EEPROM，2K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于 边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断可编程串行USART，面向字节的两线串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的DC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU 停止工作极大节省了功耗。Arduino微控制器的数字端口和模拟端口与ATMEGA 328芯片引脚的对应关系如图2所示。标有0~13标号的引脚对应的是数字端口，0~13前面有符号“~”的引脚对应的端口具有PWM输出功能，标有A0~A5标号的是模拟端口[5]。
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图2 Arduino与Atmega328p引脚对应图
（二）DS18B20传感器介绍
温度的数据采集模块主要是通过温度传感器来完成数据采集，本文设计选用的温度传感器是美国公司生产的具有低功耗、抗干扰能力强且能够通过单总线接口输出的DS18B20传感器。该传感器还具有小型化操作简单等优点。因为以上具备的种种优点使得该类传感器能够在冷冻库、粮仓、储藏、电信机房、电力机房、汽车空调、冷柜以及中低温干燥箱等[5]领域中得到了广泛运用。该温度传感器的测温范围可从实现55125摄氏度之间，在1085摄氏度范围内精度为正负0.5摄氏度，精度可以满足大部分应用系统的需求。
引言 4
一、总体设计方案 5
二、主要选用芯片介绍 6
（一）ATmega328性能特性 6
（二）DS18B20传感器介绍 7
（三） MAX3010心率检测模块介绍 7
三、系统硬件电路设计 8
（一）主控电路设计 8
（一）电源电路设计 10
（二）显示电路设计 11
（三）报警电路设计 12
（四）PC机通信接口电路设计 13
（五）传感器采集电路设计 14
四、系统软件实现 15
（一）主程序设计 15
（二）温度采集程序设计 16
（三）脉搏采集程序设计 17
五、系统的调试与测试 18
六、结束语 18
七．主要参考文献 19
附录 20
附录1:主要程序清单 20
附录2：实物图 23
附录3：原理图 23
引言
在经济发展日益深化的新时代，人们的物质生活水平得到了很大的提高，人们对美好生活的向往已经从简单的吃饱穿暖向追求更加健康快乐的生活迈进。健康意识的逐渐提高使得人们对现代医疗条件和设备提出了更高的需求。尤其是近些年来各类罕见疾病、慢性病频发更是引起了人们对自我健康状况的极大关注[1]。
为了更好的拥有一个健康的体魄过上美好的生活，人们开始不断研究疾病原理和研发先进设备来提前感知疾病特征，做到提前预防疾病。特别是对免疫力较为低下的老年人和儿童来说做到对自身健康状况的实时感知对疾病预防来说至关重要。当检测到 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
身体某项健康指标或者参数出现明显异常时，通过及时的发现并做出及时判断采取措施来防止疾病发生。近年来随着科技的发展，尤其是电子技术通信技术的进步，学者通过不断研究与实践应用设计了一系列用于人体健康检测的系统或者设备，并取得了良好的效果。
凌建东[2]基于人体的脉搏指标设计了可穿戴人体健康检测设备，通过实时检测人体检测并上传数据到手机客户端来实时探查人体健康状况。潘付文[3]则基于Zigbee技术实现了对人体生理多参数指标的检测与数据传输，并将数据上传到LCD显示端供随时查看方便了用户或者医生的诊断。钟其[4]基于安卓手机和嵌入式技术在实现对人体表征健康生理参数检测的同时，还能将数据通过蓝牙或者GPRS技术上传到手机APP客户端或者远程监控中心。实测表明该系统可靠稳定，生理参数测量较为准确能够满足对人体健康的监护需求。
本文在前人研究的基础上，基于Arduino设计了一个人体健康监护系统，通过监测人体温度和脉搏心率来间接监测人体的健康状况从而更好的预防疾病发生，它对人们的健康生活具有重要意义，具有广阔的应用价值和市场前景。
一、总体设计方案
本文设计的人体监护系统主要是完成对人体体表温度、脉搏心率指标的实时检测。实现对这些表征人体健康数据的检测首先需要选择合适的传感器进行数据采集，这里采用DS18B20来采集温度，当人体接触该传感器时，模拟信号通过内部数模转换后变为数字信号，由单片机处理。心率信号采集则是采用传感器MAX30100。信号经过传感器后输出电压与所受压力成精确的正比关系，再通过电压比较器将采集到的信号转换为脉冲信号，进行脉冲计数得出心率大小。两项指标参数最终在液晶显示屏上显示。另外本文还设计了健康参数超标时的报警功能，即将实时检测的数据与人体健康标准的数据进行比较，将超过标准时，系统会启动自动报警提醒用户对个人的健康状态有所注意和警惕。
基于以上需求分析确定了本文设计的总体方案，主要包括四个部分：单片机主控模块设计，负责数据处理。传感器数据采集模块，负责温度数据和心率脉冲检测。报警模块，负责数据超出标准值时进行报警提醒。液晶显示模块，负责传感器数据的实时显示。
总体方案设计如图1所示：
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图1 系统结构框图
二、主要选用芯片介绍
（一）ATmega328性能特性
Arduino主控模块中采用的主控芯片是Atmega328p,该芯片是Arduino板载类型较多的主流芯片，适合初学者使用。通过查阅数据使用手册，发现其具有32K字节可编程Fla1024字节EEPROM，2K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于 边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断可编程串行USART，面向字节的两线串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的DC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU 停止工作极大节省了功耗。Arduino微控制器的数字端口和模拟端口与ATMEGA 328芯片引脚的对应关系如图2所示。标有0~13标号的引脚对应的是数字端口，0~13前面有符号“~”的引脚对应的端口具有PWM输出功能，标有A0~A5标号的是模拟端口[5]。
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图2 Arduino与Atmega328p引脚对应图
（二）DS18B20传感器介绍
温度的数据采集模块主要是通过温度传感器来完成数据采集，本文设计选用的温度传感器是美国公司生产的具有低功耗、抗干扰能力强且能够通过单总线接口输出的DS18B20传感器。该传感器还具有小型化操作简单等优点。因为以上具备的种种优点使得该类传感器能够在冷冻库、粮仓、储藏、电信机房、电力机房、汽车空调、冷柜以及中低温干燥箱等[5]领域中得到了广泛运用。该温度传感器的测温范围可从实现55125摄氏度之间，在1085摄氏度范围内精度为正负0.5摄氏度，精度可以满足大部分应用系统的需求。
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