便携血氧监测仪的研制.docx

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便携血氧监测仪的研制

分类号密级

UDC编号

本科毕业论文（设计）

题目：

便携血氧检测仪的研制

学院

专业名称

年级

学生姓名

学号

指导教师

二〇一七年五月

摘要

人体的血氧信息和脉搏信号是衡量人体健康状况的两个重要参数，是维持人体生命活动的重要前提。

因此不管是在突发的紧急情况还是医疗领域甚至运动保健等生活中的常见场景下，对血氧和脉搏信号的测量和监测都显得至关重要。

本设计以51单片机为核心，主要包括光电传感器采集模块，数模转换器模块，LED显示模块和蓝牙模块以及手机端。

单片机是一种集成多种功能的微控制器，在我们日常生活中的各个领域的应用都相当普遍。

指套式光电式传感器的物理基础是光电效应，精度高、反应快且非接触，能在各种光电检测系统中实现光电转化。

由发光二极管和光敏二极管组成，能够有效采集人体信号，为人体的血氧和脉搏信息的提取和分析提供良好的数据来源。

通过单片机结合光带传感器测量人体的血氧和脉搏数据，并且能够实现在手机端的实时监测，这一设计将会对患有血管或呼吸系统疾病的病人、60岁以上的老年人、进行极限运动长期酗酒等人群带来福音，及早发现危险，减少意外发生。

关键词：

单片机血氧检测仪

Abstract

Thebloodoxygeninformationandpulsesignalofhumanbodyaretwoimportantparameterstomeasurethehealthstatusofhumanbeings,andtheyaretheimportantpremisetomaintainthehumanlife.Therefore,themeasurementandmonitoringofbloodoxygenandpulsesignalsareveryimportant,whetherinemergencysituationsorinthemedicalfield,oreveninthecommonsituationsofsports,healthcareandsoon.

Thedesignofthe51single-chipmicrocomputerasthecore,includingphotoelectricsensoracquisitionmodule,digitaltoanalogconvertermodule,LEDdisplaymoduleandBluetoothmodule,aswellasmobileterminals.SCMisamicrocontrollerintegratedwithvariousfunctions.Itiswidelyusedineveryfieldofourdailylife.Thephysicalbasisofthefingertipphotoelectricsensoristhephotoelectriceffect,highprecision,fastresponseandnon-contact,canrealizephotoelectricconversioninphotoelectricdetectionsystem.Itiscomposedoflightemittingdiodeandphotosensitivediode,whichcaneffectivelycollecthumansignals,andprovideagooddatasourcefortheextractionandanalysisofhumanbloodoxygenandpulseinformation.

Withthebandsensormeasuringthebody'soxygensaturationandpulsedatathroughthemicrocontroller,andcanachievereal-timemonitoringinthemobilephoneterminal,thedesignwillhavevascularorrespiratorydiseasepatients,60yearsofageorolder,extremesportslong-termdrinkingcrowdtobringthegospel,earlydetectionofrisk,reduceaccidents.

单片机又被称为微控制器，是一种集成多种功能的计算机系统，在我们生活中的各个领域都有十分广泛的应用。

步进电机是机电一体化的关键产品，其作为执行元件在各种自动化控制系统中应用广泛。

Keywords:

Singlechip,Oximeter

目录

第1章引言2

1.1项目开发的背景2

1.2项目开发的意义2

1.3项目开发的目标3

第2章技术基础介绍4

2.1单片机介绍4

2.2红外测血氧模块介绍4

2.3基本配置介绍5

2.3.1硬件介绍5

第3章产品的需求分析及总体设计10

3.1可行性分析10

3.2需求分析10

3.3总体设计11

第四章系统设计12

4.1硬件设计12

4.1.1单片机部分12

4.1.2蓝牙

4.1.3血氧检测模块

4.2软件设计15

4.2.1软件编程15

4.2.1.1蓝牙传输模块代码

4.2.1.2采集算法

4.2.2算法设计22

第5章系统实现25

第6章总结与展望28

6.1总结28

6.2展望28

参考文献29

致谢31

第1章引言

1.1项目开发的背景

人类维持生命是需要人保持体内有充足的氧气供应，长期缺氧后果很严重，会直接导窒息、休克、死亡等悲剧的发生。

人体内负责运载氧气的是血液中的红细胞，而血氧仪是能够测试血液中氧气的含量。

血氧仪的作用主要就是通过监测动脉中携带氧的血红蛋白与不携带氧的血红蛋白的比例，将血氧浓度回馈给我们，可以及时补氧，减少疾病的发生。

最初的一台血氧饱和度仪由Millikan在20世纪40年代开发，它监测动脉中携带氧的血红蛋白与不携带氧的血红蛋白的比例，测试的过程通常不需要从病人身上抽血。

通常的血氧仪也可以显示病人的脉搏。

按照Beer-Lambert定律，比值R/IR与动脉血氧饱和度（SaO2）的函数关系应为线性关系，但由于生物组织是一种强散射、弱吸收、各向异性的复杂光学系统〔2～4〕，不完全符合经典的Beer-Lambert定律，因而导致了表达红光和红外光吸亮度相对变化测量值（R/IR值），与动脉血氧饱和度（SaO2）之间关系的数学模型建立困难。

只能通过实验的方法来确定R/IR与SaO2的对应关系，即定标曲线，大多数脉搏血氧仪生产厂家都以实验方法获取经验定标曲线以完成产品出厂前的预定标。

1.2项目开发的意义

大多数基于近红外激光光谱技术的人体组织血氧仪至少包含一个主控制面板和一个光学传感器（也称为光学探头）和一组多路光缆，光学传感器通过该光缆连接到主控制台。

这种结构的血氧仪很不方便用于许多临床手术和病理诊断。

许多临床和病理应用需要尺寸小、便于携带的近红外激光组织血氧仪。

这些应用包括但不限于在个人在家、高原野夕卜、医疗现场检测和监测人体组织的血氧饱和度，比如对高原反应的诊断，对运动、压力和环境对大脑所产生影响的评估等等，因而具有很大的局限性，在发生突发事件和情急情况时无法满足需求。

因此，研制出一款便携式的血氧检测仪的需求十分紧迫，本设计所研制的便携式血氧检测仪方便携带，操作简单、功能强大且成本低廉，将能够大量应用于普通家庭、医院、社区医疗、运动保健等日常领域当中，能够在紧急情况和突发事件发生时尽早检测出血氧浓度和脉搏的变化情况，将能够有效避免意外的发生。

对全社会的医学领域乃至整个人类的健康发展都具有十分重要的意义和积极的影响，促进社会和谐。

1.3项目开发的目标

人体所消耗的氧主要来源于血红蛋白（在正常的血液中存在四种血红蛋白：

氧合血红蛋白（HbO2）、还原血红蛋白（Hb）、碳氧血红蛋白（CoHb）、高铁血红蛋白（MetHb）。

其中与氧气做可逆性结合的是还原血红蛋白，与氧气不相结合的是碳氧血红蛋白和高铁血红蛋白。

）所携带的氧。

通常称血液中氧含量即指血液中氧合血红蛋白的多少，用血氧饱和度这个物理量来描述血液中氧含量的变化。

血氧饱和度是指在全部血容量中被结合O2容量占全部可结合的O2容量的百分比。

本设计以51单片机为核心，还包括光电传感器采集模块，数模转换器模块，LED显示模块和蓝牙模块以及手机端。

本设计的大体目标如下：

光电传感器采集人体的血氧信息，通过数模转换器对数据进行处理后传送至单片机，单片机对接收到的数据进行分析和处理，将处理后得到的血氧信息和脉搏信息通过LED显示屏显示出来，并将检测数据由串口传至上位机，最终通过无线蓝牙传送到智能手机端，实现实时检测，能最大程度减少意外发生。

第2章技术基础介绍

2.1单片机介绍

单片机又称微控制器，将能够实现各种功能的硬件接口集成在一块芯片上，功能十分强大，往往能够完全融入应用系统之中，故也被称为嵌入式控制器。

单片机的基本结构分为两种形式：

冯诺依曼结构和哈佛结构，两者的根本区别在于程序和数据存储器所用的存储空间是否分开，即是否分别寻址。

根据数据总线的宽度，单片机又可分成4位单片机、8位单片机、16位、32位单片机等。

单片机所具有的功能强大、功耗极低且物美价廉等诸多优势为单片机带来了极快的发展速度和极广的应用范围。

其主要特点如下：

1、可靠性强

由于芯片是根据工业测控领域的需求设计而成，抗干扰能力很强。

且许多信号的通道都在一个芯片内，可使系统运行稳定。

而且，单片机的系统软件固化在ROM内，稳定性较强。

2、片内存储容量较小

单片机的高集成度实现了很小的片内存储容量，ROM通常低于8KB，RAM通常低于256B，不过都可以在外部进行容量扩展，最大可扩展到64KB。

3、便于扩展

片内存储容量的限制决定了片内只能容纳满足计算机正常运行需求的必要元件，故片外有许多引脚都具备扩展功能。

4、控制功能强

单片机所具有的控制指令十分丰富，

5、实用性好

单片机功耗低、结构简单、成本低且方便实现产品化，故具有很好的实用性。

2.2红外测血氧模块介绍

血氧仪采用无创式测量红外技术测量手指、脚趾、耳朵，这是最常见的测量血氧的地方中的氧气含量，测量对象更准确的叫法是血氧饱和度，即SpO2，并将所测试出来的结果以数字形式表示,主要显示的是实际含氧量下全氧饱和度的比值,一般用百分比表示,人体分健康的典型血氧饱和度为90～100%,但最低也可以过到60%。

人体的血氧饱和度取决于很多因素，其中最重要的因素是病人身体的供血能力比较差，HbO2的读值会下降。

首先先要将氧气传递到人体各个器官：

在毛细血管里面就是红细胞，红细胞的体积很小，非常、非常小，尺寸大概是6-8微米的直径，厚度是2微米，每个细胞的寿命是100-120天，而且是可经过身体回收再生。

人体的这些细胞是由骨髓产生的，每个细胞需要经过7天的时间才能产生。

成人的体内细胞产生是每秒钟400万个，由荷尔蒙EPO刺激产生的，有些运动员会注射这些激素，这样就可以产生比常人比较多的红细胞,红细胞越多携带氧气的能力越强，竞赛的过程当中对没有注射的来讲是优势非常明显，所以在体育竞技中时常听到因打激素而发生的故事，每个成人有20-30万亿红细胞，并且男人红细胞比女人多20%。

血红细胞主要功能是将氧气从肺里面送到人体的器官，保证各个器官的工作。

在肺部里，氧气附着在受红细胞约束的蛋白质上称为血色素（Hb）,而在血液中的血色素中有两种形态:

氧合血红蛋白（HbO2）;还原血红蛋白（Hb），在高度饱和的血色素分子中就包括了4个氧分子.在人体中的每个红细胞在体内的循环从肺出去,从动脉经过毛细血管回到颈脉的时候，氧分子脱落了然后再回来，大概需要20秒的时间。

血氧仪的工作原理:

通过依次驱动一个红光LED（660nm）和一个红外光LED（910nm），由于还原血红蛋白对660nm红光的吸收比较强,而对910nm红外光的吸收长度比较弱所以在进行血氧测量时，还原血红蛋白和有氧合血红蛋白，通过检测两种对不同波长的光吸收的区别，所测出来的数据差就是测量血氧饱和度最基本的数据。

2.3基本配置介绍

2.3.1硬件介绍

1、单片机

本设计选用的是51单片机,是一种功能十分强大但功耗极低的8位微型处理器，带有4K字节可编程的FLASH存储器，128字节内部RAM，共40和引脚，其中32个I/O引脚，两个16位定时器，还包含片内振荡器及时钟电路。

其基本结构如图2-1所示。

图2-151单片机基本结构图

其中单片机、晶振电路、复位电路组成了51单片机的最小系统，是使用最少的元器件组成且能保证正常运行的单片机系统，复位电路由电容和电阻串联构成，晶振电路的晶振频率通常为11.0592MHz，时钟电路由石英晶体及两个电容构成，是一种稳定的自激振荡器[15]。

2、蓝牙

蓝牙的波段为2400–2483.5MHz（包括防护频带）。

这是全球范围内无需取得执照（但并非无管制的）的工业、科学和医疗用（ISM）波段的2.4GHz短距离无线电频段。

蓝牙使用跳频技术，将传输的数据分割成数据包，通过79个指定的蓝牙频道分别传输数据包。

每个频道的频宽为1MHz。

蓝牙4.0使用2MHz间距，可容纳40个频道。

第一个频道始于2402MHz，每1MHz一个频道，至2480MHz。

有了适配跳频（AdaptiveFrequency-Hopping，简称AFH）功能，通常每秒跳1600次。

最初，高斯频移键控（Gaussianfrequency-shiftkeying，简称GFSK）调制是唯一可用的调制方案。

然而蓝牙2.0+EDR使得π/4-DQPSK和8DPSK调制在兼容设备中的使用变为可能。

运行GFSK的设备据说可以以基础速率（BasicRate，简称BR）运行，瞬时速率可达1Mbit/s。

增强数据率（EnhancedDataRate，简称EDR）一词用于描述π/4-DPSK和8DPSK方案,分别可达2和3Mbit/s。

在蓝牙无线电技术中，两种模式（BR和EDR）的结合统称为“BR/EDR射频”。

蓝牙主设备最多可与一个微微网（一个采用蓝牙技术的临时计算机网络）中的七个设备通讯,当然并不是所有设备都能够达到这一最大量。

设备之间可通过协议转换角色，从设备也可转换为主设备（比如，一个头戴式耳机如果向手机发起连接请求，它作为连接的发起者，自然就是主设备，但是随后也许会作为从设备运行。

）

蓝牙核心规格提供两个或以上的微微网连接以形成分布式网络，让特定的设备在这些微微网中自动同时地分别扮演主和从的角色。

数据传输可随时在主设备和其他设备之间进行（应用极少的广播模式除外）。

主设备可选择要访问的从设备；典型的情况是，它可以在设备之间以轮替的方式快速转换。

因为是主设备来选择要访问的从设备，理论上从设备就要在接收槽内待命，主设备的负担要比从设备少一些。

主设备可以与七个从设备相连接，但是从设备却很难与一个以上的主设备相连。

规格对于散射网中的行为要求是模糊的。

第3章产品的需求分析及总体设计

3.1可行性分析

1、技术方面的可行性

本设计的原理是以51单片机为核心，通过对光电传感器采集到的信息进行分析和处理，得到人体的血氧和脉搏信息，并通过LED数码管显示测量值，并且可以将数据通过蓝牙传送至手机端，在手机端实现实时监测。

整个过程用到的技术都是可实现的，具有较好的技术可行性。

2、经济方面的可行

单片机由于功耗低、性能高且所需成本小而受到各大领域的青睐，步进电机相对于普通电机而言也具有显著优势且成本较低。

将单片机对步进电机的控制应用于各种控制领域当中，不仅能降低成本，节约时间，还能促进控制领域的发展和创新。

故本设计不仅物美价廉而且经济实用。

3、社会方面的可行性

本设计价格经济实惠，对于患有血管疾病患者，能够第一时间发现缺氧情况，及早补氧，大大减少疾病发作的几率。

对于患有呼吸系统疾病的患者，一旦呼吸困难就会导致摄氧不足，造成心肺、大脑甚至肾脏不同程度的损伤。

本设计的使用将会帮助让他们大大降低呼吸道的发病率。

在日常生活中，每天工作超过12小时的人也可能因为大脑耗氧量大，氧气供应不足而导致过劳死。

长期酗酒的人也可能因为醉酒而缺氧导致意外发生……因此，本设计的社会需求量很大，具有很好的社会可行性。

3.2需求分析

血氧饱和度（oxygensaturation简写为SO2）是临床医疗上重要的基础数据之一。

长期轻度缺氧，心脏.大脑等耗氧特大的器官功能会渐渐衰退。

重度缺氧，便会发生“心梗”，“脑梗”，不及时供氧急救，会遭致猝死。

在我们的日常生活中，极易发生缺氧现象的人群一旦缺氧就可能会有生命危险，因此对于他们而言，对他们血氧的检测就意味着对他们生命的监测。

传统的血氧仪主要是基发光二极管来检测对象的对应指标，这种传统的血氧仪不仅在精度上不能够保证其稳定性而且相对来说也相对昂贵。

随着如今单片机和蓝牙技术的成熟，其在血氧仪中的使用不仅能提高检测数值的准确性，而且更为便携，一定程度上使得血氧仪的使用更加普及，使一般的平民百姓在家自己检测自己的血氧数据、监测自己的健康状况成为可能。

3.3总体设计

本设计主要由单片机系统、蓝牙以及血氧检测模块构成。

主要是通过对光电传感器采集到的信息进行分析和处理，得到人体的血氧和脉搏信息，并通过LED数码管显示测量值，并且可以将数据通过蓝牙传送至手机端，在手机端实现实时监测。

第四章系统设计

4.1硬件设计

4.1.1单片机部分

1、51单片机

51单片机是以MCS-51为内核的单片机，原来的ROM存储器被先进的Flash存储器所取代，且具有更高的时钟频率，许多引脚还具有第二功能，可进行引脚复用，性能十分优越。

其中主要的引脚功能如下。

P0（P0.0-P0.7）：

第一功能是8位双向I/O；第二功能是在访问外存时可分时提供低8位地址和8位双向数据总线。

P1（P1.0-P1.7）：

8位双向I/O。

P2（P2.0-P2.7）：

第一功能是8位双向I/O；第二功能是访问外存时输出高8位地址。

P3（P3.0-P3.7）：

第一功能是8位双向I/O；第二功能是P3.0可输入串行数据，P3.1可输出串行数据，P3.2可作为外部中断0的输入端，P3.3可作为外部中断1的输入端，P3.4可作为定时器/计数器T0的输入端，P3.5可作为定时器/计数器T1的输入端，P3.6和P3.7分别可作为外部数据存储器的写选通信号和读选通信号[16]。

51单片机的原理图如图4-1所示。

图4-151单片机原理图

2、蓝牙

蓝牙是一个标准的无线通讯协议，基于设备低成本的收发器芯片，传输距离近、低功耗。

由于设备使用无线电（广播）通讯系统，他们并非是以实际可见的线相连，然而准光学无线路径则必须是可行的。

射程范围取悦于功率和类别，但是有效射程范围在实际应用中会各有差异，请参考下图4-2。

版本

数据率

最大应用吞吐量

1.2

1Mbit/s

>80kbit/s

2.0+EDR

3Mbit/s

>80kbit/s

3.0+HS

24Mbit/s

请参考3.0+HS

4.0

24Mbit/s

请参考4.0LE

图4-2

蓝牙技术联盟于2010年6月30日正式推出蓝牙核心规格4.0（称为BluetoothSmart）。

它包括经典蓝牙、高速蓝牙和蓝牙低功耗协议。

高速蓝牙基于Wi-Fi，经典蓝牙则包括旧有蓝牙协议。

蓝牙低功耗，也就是早前的Wibree，是蓝牙4.0版本的一个子集，它有着全新的协议栈，可快速建立简单的链接。

作为蓝牙1.0–3.0版本中蓝牙标准协议的替代方案，它主要面向对功耗需求极低、用纽扣电池供电的应用。

芯片设计可有两种：

双模、单模和增强的早期版本。

早期的Wibree和蓝牙ULP（超低功耗）的名称被废除，取而代之的是后来用于一时的BLE。

2011年晚些时候，新的商标推出，即用于主设备的“BluetoothSmartReady”和用于传感器的“BluetoothSmart”。

单模情况下，只能执行低功耗的协议栈。

意法半导体、笙科电子、CSR、北欧半导体和德州仪器已经发布了单模蓝牙低功耗解决方案。

双模情况下，BluetoothSmart功能整合入既有的经典蓝牙控制器。

截至2011年3月，高通创锐讯、CSR、博通和德州仪器已宣布发表符合此标准的芯片。

适用的架构共享所有经典蓝牙既有的射频和功能，相比经典蓝牙的价格上浮也几乎可以忽略不计。

单模芯片的成本降低，使设备的高度整合和兼容成为可能。

它的特点之一是轻量级的链路层，可提供低功耗闲置模式操作、简易的设备发现、和可靠地点对多数据传输，并拥有成本极低的高级节能和安全加密连接。

4.0版本的一般性改进包括推进蓝牙低功耗模式所必需的改进、以及通用属性配置文件（GATT）和AES加密的安全管理器（SM）服务。

血氧检测原理

血氧检测仪主要是通过监测动脉中携带氧的血红蛋白与不携带氧的血红蛋白的比例来判定动脉血氧的饱和度，从而判断一个人的身体健康情况。

血氧检测仪通过发射长分别为660纳米和905,910或者940纳米的光束进行检测，由于含氧的血红蛋白对这两种波长的吸收率与不含氧的差别很大，从而可以计算出两种血红蛋白的比例。

。

按照Beer-Lambert定律，比值R/IR与动脉血氧饱和度（SaO2）的函数关系应为线性关系，但由于生物组织是一种强散射、弱吸收、各向异性的复杂光学系统〔2～4〕，不完全符合经典的Beer-Lambert定律，因而导致了表达红光和红外光吸光度相对变化测量值（R/IR值），与动脉血氧饱和度（SaO2）之间关系

功能饱和度：

（functionalsaturation）

SO2=氧合血红蛋白/（氧合血红蛋白+还原血红蛋白）

自然饱和度：

（fractionalsaturation）

SO2=氧合血红蛋白/（氧合血红蛋白+还原血红蛋白+碳氧血红蛋白+高铁血红蛋白）

从医学上分析，血液中含氧量大于等于95，为正常指标；每分钟脉搏在60-100次之间，为正常指标。

4.2软件设计

4.2.1软件编程

4.2.1.1蓝牙传输模块代码

4.2.1.2采集算法

4.2.2算法设计

第5章系统实现

第6章总结与展望

6.1总结

本设计主要由单片机系统、蓝牙以及血氧检测模块构成。

主要是通过对光电传感器采集到的信息进行分析和处理，得到人体的血氧和脉搏信息，并通过LED数码管显示测量值，并且可以将数据通过蓝牙传送至手机端，在手机端实现实时监测。

相对于最初通过发光二极管检测血氧的血氧仪来说，使用红外线进行检测不仅能够提高检测数据的准确性，而且其中单片机和蓝牙的使用使得血氧检测仪成本降低的同时大大提高了其使用的方便性。

对于老年人来说，自己在家使用血氧仪不再是一件麻烦的事情。

但是由于数据是基于驱动两种不同波长的红光来采集数据的，由于自身的影响，检测的结果具