基于压力传感器的婴儿呛奶窒息监测系统的设计.doc

基于压力传感器的婴儿呛奶窒息监测系统的设计
汤少娴 植文浩 莫忠 摘 要:本文基于压力传感器设计了一种防止婴儿呛奶窒息的睡眠呼吸监测系统。监测系统由婴儿可穿戴设备和单片机主控芯片两个部分组成。穿戴设备上主要是HKH-11C数字呼预防[5-7]。
本文以MSP430芯片作为主控制器,压力传感器为信号采集模块。开发一款防止婴儿呛奶窒息的呼吸监测系统。通过USB数据线将传感器和单片机结合在一起,形成数据输入处理系统。单片机将传感器采集的数字信号加以处理,通过无线数据传输模块把呼吸信号数据传输到蜂鸣器,实现报警预防。
二、系统总体设计
目前,国内市场关于婴儿呛奶的监测装置主要基于氧气浓度、二氧化碳浓度的检测。本文设计的系统主要包括两大部分,一部分是对婴儿呼吸状态检测的信息采集模块,采用压力传感器直接采集腹部呼吸信号;另一部分是对所接收数据进行分析处理,并控制报警的实时监测模块,采集的数据经过前置放大、信号调理、幅度调整、A/D转换、USB通信等电路,输出呼吸波形数据,然后通过数据接口与单片机进行数据的传送与接收,实现婴儿呛奶窒息的及时监测。系统整体设计框图如图1所示。

三、系统硬件设计
(一)数据处理模块
MSP430系列单片机是美国德州仪器公司生产的一种16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器。可以根据实际应用需求,将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上。具有处理能力强、运算速度快、超低功耗等特点。
(二)呼吸信号采集模块
根据工作原理的不同,主要有压电、压容和压阻三种压力传感器。而压电传感器利用压电材料的正压电效应,如图2所示,当压电材料受到外力的作用时,内部就会产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷,如果当外力作用的方向发生改变的时候,电荷的极性也会随之发生变换。

本文采用高分子压电材料感应由于人体呼吸产生的腹部压力变化信号,模拟电压信号输出。用腰带将呼吸传感器固定在肚脐上方或下方,由于呼吸时产生的腹部起伏,对传感器压电感应面施加了变化的压力,传感器将这个变化的应力转换成模拟电压信号,如图3所示。

(三)模/数转换模块
本系统采用的集成芯片为MSP430单片机内部集成了模/数转换模块。ADC10是MSP430单片机上模/数转换器,其转换位数为10比特,该模块内部是一个SAR型的AD内核,可以在片内产生参考电压,并且具有数据传输控制器。数据传输控制器能够在CPU不参与的情况下,完成AD数据内存任意位置的传输。
(四)蓝牙无线传输模块
HC-08蓝牙串口通信模块是新一代的基于Bluetooth Specification BLE蓝牙协议的数传模块。设备低成本的收发器芯片,传输距离近、低功耗,现在的智能手机大部分都有蓝牙通信的功能,呼吸传感器可以配备专用的蓝牙模块与手机进行数据的传送,蓝牙模块功耗低,特别适合于便携式设备。
(五)蜂鸣报警模块
传感器采集的信号,通过单片机处理判断呼吸的运动情况,从而计算出呼吸的周期,监测到有呼吸暂停现象发生,且持续时间超过设置的阈值(10s)时,就会触发蜂鸣器进行报警,报警电路如图4所示。