一种人体脉搏及体温监测装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种人体脉搏及体温监测装置，包括电源模块、脉搏波信号采集模块、体温信号采集模块、单片机控制模块、通信模块、视频输出模块、监控终端、脉搏波信号放大模块、体温信号放大模块、数据存储模块。本发明通过采集脉搏波信号和体温信号，利用装置内的单片机控制模块分别对脉搏波和体温信号进行处理，以得到心率和体温数据，并显示在液晶显示屏上；能够使用者正常生活的同时测量脉搏波和体温信号，还可通过SD卡接口进行数据传输及存储，并将相应的数据通过通信模块传输到手机APP和PC上。本装置可为用户提供实时检测体温、脉搏波及心率的装置，具有两种信号检测功能，能够让使用者简单、快捷、准确地了解自身的健康状况。
【专利说明】
-种人体脉搏及体溫监测装置
技术领域
[0001] 本发明设及脉搏体溫监测技术领域，具体设及一种人体脉搏及体溫监测装置。
【背景技术】
[0002] 屯、血管疾病是当今发达国家病死率占第一位的重要疾病，世界卫生组织已将其列 为21世纪危害人类健康的头号杀手。因此，对屯、血管血流动力学参数进行科学合理的检测、 诊断、分析，对临床医学的发展是极有意义的。罗志昌等进行了 20余年的血流动力学无创检 测研究提出，通过提取脉搏波波形的特征参数，可W得到屯、血管血流动力学参数，从而可W 预测屯、血管疾病的发生概率。同时提出，一个W脉图面积变化为基础的脉搏波波形特征量 K，K值可W通过脉搏波波形变化计算得出。经过临床证明，K值和屯、血管疾病有着密切的关 系，在很大程度上反映出人体屯、血管系统中最为重要的一些生理参数如血管外周阻力、血 管壁弹性和血液粘度等的变化。因此，通过对脉搏波所提取的血流信息进行分析，可预测出 屯、血管疾病发生的可能性，及时采取措施可W减少危险因素，使症状得到缓解和改善。
[0003] 体溫同样是一种人体重要参数，人体深部的平均溫度是反映人体健康状况的重要 指标之一，相对恒定是人体正常生命活动的重要条件之一，很多疾病都可使体溫调节机能 发生障碍而使体溫发生变化。临床中对患者检查体溫，观察其变化对诊断疾病或判断某些 疾病的预后有重要意义。接触式测溫器材主要包括玻璃水银体溫计及电子体溫计。水银体 溫计测溫时间长、易破碎及存在隶中毒等不安全因素，欧盟决定从2005年起将其从欧洲市 场上消失。而体溫计的重复使用，接触式测溫方法易产生交叉感染。非接触式测溫器材主要 是非接触式红外鼓膜溫度计，其是利用黑体福射定律通过测量鼓和周围组织发生的红外热 能来间接获取大脑组织的溫度。
[0004] 现有的脉搏监测装置的传感器被按压在患者手腕上的同时需要袖带固定，不便于 用户测量;光电检测频谱分析高分辨率指端脉搏波检测系统，具有无创脉搏波检测功能，但 是功能单一且不便于用户在家进行便携测量。可测量体溫的蓝牙耳机具有检测体溫的功 能，但检测功能单一;接触式体溫传感器采集体溫，易造成交叉感染。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种人体脉搏及体溫监测装置，该人体脉搏及体溫监测装 置能够解决现有技术中的不足。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用了 W下技术方案：
[0007] -种人体脉搏及体溫监测装置，包括电源模块、脉搏波信号采集模块、体溫信号采 集模块、用于对体溫信号与脉搏波信号进行数据分析处理单片机控制模块、分别与单片机 控制模块的输出端连接的通信模块和视频输出模块W及数据存储模块、分别与单片机控制 模块的输入端连接的脉搏波信号放大模块和体溫信号放大模块、与通信模块的输出端连接 的监控终端，脉搏波信号放大模块的输入端与脉搏波信号采集模块的输出端相连，体溫信 号放大模块的输入端与体溫信号采集模块的输出端相连。
[0008] 进一步的，所述脉搏波信号放大模块包括低通滤波器和采用化084忍片的放大电 路。
[0009] 进一步的，所述体溫信号放大模块包括电压跟随器和采用化084忍片的放大电路。
[0010] 进一步的，所述数据存储模块采用SD卡和SD接口对数据进行存储和传输。
[0011] 进一步的，所述脉搏波信号采集模块为反射式光电传感器。
[0012] 进一步的，所述体溫采集模块为红外线热电堆溫度传感器。
[0013] 进一步的，所述通信模块包括用于数据信息通信的WiFi接入/数据传输模块和用 于调试、数据通信的通信接口模块。
[0014] 进一步的，所述单片机控制模块采用C8051F020单片机C8051F020单片机包括脉搏 波信号模/数转换模块、与脉搏波信号模/数转换模块的输出端连接的脉搏波信号平滑滤波 模块W及与脉搏波信号平滑滤波模块的输出端连接的屯、率及K值计算模块；
[0015] 所述单片机控制模块还包括体溫信号模/数转换模块W及与体溫信号模/数转换 模块的输出端连接的体溫计算模块。
[0016] 由W上技术方案可知，本发明通过反射式光电传感器采集脉搏波信号，热电堆红 外溫度传感器采集体溫信号，信号经过滤波、放大和A/D转换后，利用装置内的单片机控制 模块分别对脉搏波和体溫信号进行处理，W得到屯、率和体溫数据，并将处理后的脉搏波波 形、屯、率数据及体溫数据显示在液晶显示屏上；能够使用者正常生活的同时测量脉搏波和 体溫信号，并在视频输出模块上显示K值、屯、率及体溫等数据，操作方便、结果直观。还可通 过SD卡接口进行数据传输及存储，并将相应的数据通过WIFI接入和数据传输模块W及通信 接口模块传输到手机APP和PC上。本装置易于携带，操作简便，与生活和工作密切结合，是一 种可为用户提供实时检测体溫、脉搏波及屯、率的便携式装置，具有两种信号检测功能，能够 让使用者简单、快捷、准确地了解自身的健康状况。使人们在不影响生活工作的同时，轻松 便捷地关注自己和家人的健康状况。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明的结构框图；
[0018] 图2是本发明单片机控制模块结构框图；
[0019] 图3是本发明的体溫信号放大模块等效电路图；
[0020] 图4是本发明的电源模块充电电路图；
[0021] 图5是本发明的电源模块电压转换电路图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本发明做进一步说明：
[0023] 人体的耳部血管丰富，尤其是耳垂部位便于采集信号，而且对传感器的损耗小，因 此耳垂是耳部测量脉搏波较为合适的部位。本发明的装置可设置在耳机中，带上耳机后即 可进行监测脉搏和体溫，易于携带，操作简便。
[0024] 如图1-图2所示的一种人体脉搏及体溫监测装置，包括电源模块10、脉搏波信号采 集模块20、体溫信号采集模块30、脉搏波信号放大模块40、体溫信号放大模块50、用于对体 溫信号与脉搏波信号进行数据分析处理单片机控制模块60、与单片机控制模块60的输出端 连接的通信模块70、与单片机控制模块60的输出端连接的视频输出模块80、与单片机控制 模块60的输出端连接的数据存储模块90、与通信模块70的输出端连接的监控终端，脉搏波 信号放大模块40的输出端和体溫信号放大模块50的输出端分别与单片机控制模块60的输 入端相连。脉搏波信号采集模块20的输出端与脉搏波信号放大模块40的输入端相连，体溫 信号采集模块30的输出端与体溫信号放大模块50的输入端相连。本发明通过对人体脉搏波 和体溫信号进行采集，通过单片机控制模块分别对脉搏波和体溫信号进行处理W得到屯、率 和体溫数据。并将处理后的脉搏波波形、屯、率数据及体溫数据显示在视频输出设备上，通过 数据存储模块进行数据传输及存储，并将相应的数据通过通信模块传输到监控终端上。视 频输出设备为显示屏或液晶显示屏，监控终端为手机和PC个人电脑。电源模块集中向整个 装置供电。
[0025] 脉搏波信号采集模块20为反射式光电传感器。反射式光电传感器能够将可见光转 换成电信号，红外发光二极管作为快速光源，光电Ξ极管作为接收管，组成红外发射一接收 对管。光从红外发光二极管快速光源发出后，透过皮肤和组织，除一部分光被皮肤、肌肉及 血液等吸收外，一部分由血液反射回，由光电Ξ极管转换为电信号，同时为防止外部光源干 扰脉搏波信号的采集，反射式光电传感器外部覆有直径为1cm的滤光片，对外部光源进行过 滤。为更好的采集脉搏波信号，将反射式光电传感器放置在装置与皮肤所贴合的部位。
[0026] 体溫采集模块30为红外线热电堆溫度传感器。红外线热电堆溫度传感器作为非接 触式溫度感测可W避免因频繁使用而产生的交叉感染等卫生问题。该传感器由116个热电 偶串联组成，且传感器封盖有一光学带通滤波器，使传感器能在5~14皿的波长范围进行溫 度感测。不同溫度物体发出的红外线不同，因此在各热电偶接点产生的热电效应得到的电 压值不同，根据电压得到的溫度值也不同。因此，使用该红外传感器在不接触人体的前提下 可获得人体溫度。但其实质测的是目标物与传感器或环境溫度之间的差值。为更准确的测 定人体溫度，此组件封装除了热电堆晶粒外，还有一热敏电阻，用来监视传感器内部溫度， 可对所测热电堆溫度进行溫度补偿。
[0027] 通过反射式光电传感器和热电堆红外溫度传感器得到的脉搏和体溫的电压信号 十分微弱，且伴有干扰，需要对其进行滤波放大，W达到单片机控制模块60的识别范围从而 完成信号采样及数据分析。脉搏波信号放大模块40采用化084忍片的放大电路。人体脉搏波 信号频谱主要分布在0~20化之间，信号处于mV级别。本发明采用20化低通滤波器可有效滤 除50化工频干扰及其他的高频噪声干扰。采用化084忍片构造放大电路，该运放电路具有高 信噪比、高带宽增益和低噪声的特点。最后在单片机特定的采样频率下对放大滤波后的脉 搏波信号进行采样。
[0028] 如图3所示，体溫信号放大模块50采用化084忍片的放大电路。通过红外热电堆传 感器采集的体溫信号有两路:①热电堆溫度信号;②热敏电阻溫度信号。热电堆溫度信号微 弱，本发明采用化084忍片构造1000倍放大电路，W达到单片机控制模块60能识别信号的幅 值范围要求。并通过采用热敏电阻与电阻串联分压的电路设计，实现对环境溫度的补偿作 用。同时体溫信号放大模块50设有电压跟随器，W提高热电堆溫度信号和热敏溫度信号的 稳定性及信噪比，使输入到单片机的信号更加稳定。
[0029] 如图2所示的单片机控制模块60采用C8051F020单片机;单片机控制模块包括脉搏 波信号模/数转换模块、与脉搏波信号模/数转换模块的输出端连接的脉搏波信号平滑滤波 模块W及与脉搏波信号平滑滤波模块的输出端连接的屯、率及κ值计算模块;单片机控制模 块60还包括体溫信号模/数转换模块W及与体溫信号模/数转换模块的输出端连接的体溫 计算模块。C8051F020系列单片机系统内置有12位8通道拟数字转换器(analog-to-digital converter,ADC)，可W满足脉搏波信号与溫度信号所要求的模/数转换精度。在脉搏波信号 模/数转换模块和溫度信号模/数转换模块中，设定相应的采样频率(脉搏波转换模块设定 为lOOHz，溫度转换模块设定为4Hz)，通过单片机内置的ADC对电压信号进行采样，再进行 模/数转换处理，将电压信号转化为数字量。将脉搏波数字信号送入脉搏波信号平滑滤波模 块对信号进行数字滤波，得到无电磁信号干扰的较为平滑的脉搏波波形。将经脉搏波信号 平滑滤波模块处理后的脉搏波数据和经模/数转换后的溫度数据分别传输到屯、率及K值计 算模块和体溫计算模块中。
[0030] 在屯、率及K值计算模块中，将采集到的脉搏波信号按单个完整周期的脉搏波波形 进行分离，采用五点差分阔值法寻找脉搏波波形的起始点，提取单波，算出脉搏波波形的极 值点和周期，便于屯、率及屯、血管参数的计算。同时，通过脉搏波的波形面积变化参数计算出 K值，最后将K值及计算出的屯、率数据传送至数据存储模块和视频输出模块中。
[0031] 在体溫计算模块中，根据黑体福射定律可推导出计算公式，将采集到的热电堆数 字信号与热敏电阻数字信号通过计算公式得到实际的人体体溫，再将体溫信号传送至数据 存储模块和视频输出模块中。体溫计算公式为：
[0032]
[0033] 其中，Vo为热敏电阻输出电压;Va为热电堆输出电压;Ta为热电堆溫度。
[0034] 数据存储模块90采用SD卡和SD接口对数据进行存储和传输。本发明具有存储数据 和显示数据功能。通过SD卡对所测得的数据进行存储;通过液晶显示屏对所测得的数据进 行实时显示。数据存储模块90与单片机控制模块60相连接，由C8051F020单片机驱动控制， 可通过PC机或手机实现数据传输。
[0035] 本发明使用SD接口的方式对数据进行存储和传输。数据存储模块90位于耳机中， 将C8051F020单片机与相应的SD卡座相连接，可先将计算而得的脉搏波K值及屯、率数据存储 在SD卡中，可随时根据需要，再与PC机或手机终端进行数据传输。
[0036] 视频输出模块80为显示屏或液晶显示屏，位于耳机外侧正中央，通过并行接口与 耳机中的单片机控制模块60相连接，实现数据显示。视频输出模块80的驱动电路核屯、部分 应用SSD1332忍片，在驱动电路获得控制信号和显示数据后，由忍片SSD1332产生OLm)所需 的行驱动和列驱动的信号，驱动0L抓，并把脉搏波K值、屯、率数据及体溫数据传送到化抓显 /J、- 〇
[0037] 由于各个模块的正常工作都需要工作电压供电，并且不同模块对驱动电压的要求 不同，所W电源模块由裡电池充电电路和电压转换电路共同构成。
[0038] 如图4所示，裡电池充电电路采用CN3062忍片，可提供4.2V工作电压，该忍片内部 包括功率晶体管，应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管，其只需极少的外围元 器件，并且符合USB总线技术规范，可用USB数据线进行充电；当输入电压掉电时，CN3062自 动进入低功耗的睡眠模式，此时电池的电流消耗小于3μΑ;当输入电压低过锁存可自动再充 电，非常适合于便携式应用的领域。
[0039] 如图5所示，由于各个模块所要求的供电电压不同，因此需要电压转换电路。电压 转换电路能将可充电裡电池提供的4.2V电压经过忍片MAX8815A升压成5V，将5V电压通过忍 片ASM1117降压成+3.3V，再通过ICL7660将+3.3V电压转换为-3.3Vd5V电压用于给脉搏波信 号采集模块20、体溫信号采集模块30和视频输出模块80供电；+3.3V和-3.3V用于给脉搏波 信号放大模块40、体溫信号放大模块50和单片机控制模块60供电。
[0040] 通信模块70包括用于数据信息通信的WiFi接入/数据传输模块和用于调试、数据 通信的通信接口模块。WiFi接入/数据传输模块采用加密联网控制忍片C02128为核屯、实现 接入和数据传输。C02128在WiFi接入/数据传输模块中作为协议控制器使用，内置完整的网 络通信协议，支持WiFi、LAN、移动网络、拨号等连接方式，可W作为协处理器与主处理器协 同工作。具有UART、SPI、USB、RMII等本地通信接口，支持10个服务器模式的Socket连接和2 个客户端模式的Socket连接，并支持一个SSL3加密的Socket连接。C02128还支持多种工作 模式，分别为LAN to WiFi、PPP to WiFi、UART to IP、Full In-ternet Controller mode,为用户提供了多样化的WiFi接入方式。在射频接入方面，C02128内置了对Mar-vell 88W8686忍片组的固件驱动，可与所有基于88W8686的射频模块进行接口，实现WiFi的接入 和通信C02128没有内置的FLA甜存储器，需要通过一个外置的NOR FLASH存储器实现程序固 件的存储，并支持通过串口或USB等方式实现固件升级。除此之外，C02128还提供标准的"AT +i"指令集，作为与其他处理器或上位机之间的指令接口。
[0041 ] 射频模块需选用2.4GHz频段的无线WiFi收发模块，选用WM-G-MR-09型WiFi无线通 信模块。该模块采用WMarvell 88W8686忍片组为核屯、的WiFi解决方案，可直接与C02128接 口构成WiFi模块。同时，该模块具有良好的环境适应性和可靠性。
[0042] 如前所述，C02128需要一个NOR FLASH存储器用于存储程序固件，在传感器硬件的 设计中，选用M29W160邸型NOR FLA甜存储器。该型号化ASH存储器容量为2MB，可写入较大的 程序固件，实现远程Internet固件升级的功能，进一步提高了 WiFi模块的可维护性。C02128 通过内置的邸I并行总线接口与存储程序固件的FLASH存储器相连，具有16位的总线宽度， 支持高速的数据读取操作。
[0043] C02128忍片的邸1(外部总线接口）模块提供2个片选和写使能信号，其中nCSl与地 址线A20复用一个引脚。根据C02128程序固件的使用手册描述，对于外部程序固件存储器的 访问使用nCSO和nWRO信号实现，总线宽度为16位，存储器容量为2MB，需要20根地址线，对应 EBI模块的A 1~A 20地址信号。通过选用2MB的程序固件存储器可W实现远程Internet固 件升级功能。
[0044] C02128使用SPI接口（串行外设接口）与射频模块通信，完成与射频模块之间的指 令控制和数据传输，最高可达至化4Mbps(I邸E 802.11 g)的空中接口速率。C02128作为SPI总 线的主机，射频模块作为SPI总线的从机，二者采用中断方式进行通信.在实际的工作过程 中，C02128需要处理多项不同的任务，对于射频模块无法采用轮询的方式进行操作。在 C02128向射频模块发送指令后，需要立刻执行其他任务的处理函数，所W射频模块只能通 过中断方式打断C02128的当前任务，获得CPU时间。C02128使用SPI0接口与射频模块接口， 该接口已经在其程序固件中固化，无法通过指令进行修改。
[0045] 本发明的工作过程为:开启电源开关，脉搏波信号采集模块20和体溫信号采集模 块30采集人体脉搏波信息和体溫信息，脉搏波信号放大模块40和体溫信号放大模块50分别 对脉搏波信号和体溫信号进行放大机处理，单片机控制模块60通过计算得到脉搏波和体溫 数据，并将数据传输到通信模块70、视频输出模块80、数据存储模块90中，通信模块70的将 数据传输到手机APP或PC中，视频输出模块80显示脉搏和体溫数据；同时，脉搏信息和体溫 信息存储至存储模块90的SD卡中，可随时根据需要，再与PC机或手机终端进行数据传输。
[0046] 本发明通过反射式光电传感器采集脉搏波信号，热电堆红外溫度传感器采集体溫 信号，信号经过滤波、放大和A/D转换后，利用装置内的单片机控制模块分别对脉搏波和体 溫信号进行处理，W得到屯、率和体溫数据，并将处理后的脉搏波波形、屯、率数据及体溫数据 显示在液晶显示屏上；能够使用者正常生活的同时测量脉搏波和体溫信号，并在液晶显示 屏上显示K值、屯、率及体溫等数据，操作方便、结果直观。本发明通过电源模块的可充电电池 电路，摆脱了对PC机或手机的依赖，实现脉搏波与体溫监测装置的一体化设计。还可通过SD 卡接口进行数据传输及存储，并将相应的数据通过WIFI接入和数据传输模块W及通信接口 模块传输到手机APP和PC上，方便使用者对检测数据的查阅。本装置易于携带，操作简便，与 生活和工作密切结合，是一种可为用户提供实时检测体溫、脉搏波及屯、率的便携式装置，具 有两种信号检测功能，能够让使用者简单、快捷、准确地了解自身的健康状况。使人们在不 影响生活工作的同时，轻松便捷地关注自己和家人的健康状况。人体的耳部血管丰富，尤其 是耳垂部位便于采集信号，而且对传感器的损耗小，因此耳垂是耳部测量脉搏波较为合适 的部位，本发明的监测装置可设置在耳机中，易于携带，操作简便。
[0047] W上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范 围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方 案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
【主权项】
1. 一种人体脉搏及体温监测装置，包括电源模块、脉搏波信号采集模块、体温信号采集 模块、用于对体温信号与脉搏波信号进行数据分析处理单片机控制模块，其特征在于:还包 括分别与单片机控制模块的输出端连接的通信模块和视频输出模块以及数据存储模块、分 别与单片机控制模块的输入端连接的脉搏波信号放大模块和体温信号放大模块、与通信模 块的输出端连接的监控终端，脉搏波信号放大模块的输入端与脉搏波信号采集模块的输出 端相连，体温信号放大模块的输入端与体温信号采集模块的输出端相连。2. 如权利要求1所述的一种人体脉搏及体温监测装置，其特征在于:所述脉搏波信号放 大模块包括低通滤波器和采用TL084芯片的放大电路。3. 如权利要求1所述的一种人体脉搏及体温监测装置，其特征在于:所述体温信号放大 模块包括电压跟随器和采用TL084芯片的放大电路。4. 如权利要求1所述的一种人体脉搏及体温监测装置，其特征在于:所述数据存储模块 采用SD卡和SD接口对数据进行存储和传输。5. 如权利要求1所述的一种人体脉搏及体温监测装置，其特征在于:所述脉搏波信号采 集模块为反射式光电传感器。6. 如权利要求1所述的一种人体脉搏及体温监测装置，其特征在于:所述体温采集模块 为红外线热电堆温度传感器。7. 如权利要求1所述的一种人体脉搏及体温监测装置，其特征在于:所述通信模块包括 用于数据信息通信的WiFi接入/数据传输模块和用于调试、数据通信的通信接口模块。8. 如权利要求1所述的一种人体脉搏及体温监测装置，其特征在于:所述单片机控制模 块采用C8051F020单片机C8051F020单片机包括脉搏波信号模/数转换模块、与脉搏波信号 模/数转换模块的输出端连接的脉搏波信号平滑滤波模块以及与脉搏波信号平滑滤波模块 的输出端连接的心率及K值计算模块； 所述单片机控制模块还包括体温信号模/数转换模块以及与体温信号模/数转换模块 的输出端连接的体温计算模块。
【文档编号】A61B5/0205GK105877720SQ201610485694
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】郭润峰, 高小朋
【申请人】郭润峰, 高小朋