非侵入式睡眠监测数据采集系统设计

摘要

世界人口正在急速老龄化，老龄化为社会带来了沉重的负担，同时也创造了一个规模庞大的医疗护理市场。便携式睡眠监测是医疗护理的重要一环。睡眠监测的本质是对生理信号进行监测，通过对生理信号的监测实现睡眠分期、睡眠质量分析以及疾病诊断。
　　本文首先综述了国内外便携式睡眠监测设备或便携式生理信号监测设备的研究现状，通过对比发现便携式睡眠监测正朝着非侵入式方向发展。非侵入式睡眠监测是指将力学传感器内嵌到睡眠时所需用到的床垫或枕头中，通过这种方式监测人体的呼吸和心跳，进而通过算法判断分析睡眠状况。国内非侵入式睡眠监测所采用的电荷放大器方案存在一定问题。
　　本文着重探讨了PVDF压电薄膜在非侵入式睡眠监测中的应用，设计了一套睡眠监测数据采集系统。该系统可以监测人体的呼吸和心跳信号，并将采集到的数据通过串口通信方式上传到上位PC机上。然后介绍了非侵入式睡眠监测方法的医学理论依据以及物理依据——压电理论，推导了压电传感器在d33模式下电学输出和力学输入之间的关系。针对常用压电调理电路进行了研究和分析，提出了新型调理电路设计方案。设计了睡眠监测数据采集系统，硬件部分包括以JFET为核心的信号调理模块、以STM32F103为主控芯片的MCU模块、以AD7791为核心的AD转换模块、以TP5410为核心的锂电池充电与升压模块、以HC-05为核心的蓝牙无线通信模块。软件部分包括AD驱动程序，MATLAB串口通信程序。在系统设计完成后，通过实验验证了系统有效性。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题研究背景及意义

1．3 国外研究现状

1．3．1 基于大脑活动信号的睡眠监测

1．3．2 基于自主信号的睡眠监测

1．3．3 基于人体活动的睡眠监测

1．3．4 非侵入式睡眠监测

1．4 国内研究现状

1．5 论文的主要工作内容

1．6 论文结构

第二章 医学及物理依据

2．1 医学依据

2．1．1 呼吸模式

2．1．2 心冲击理论

2．2 物理依据——压电理论

2．2．1 压电历史

2．2．2 极化

2．2．3 压电本构方程

2．2．4 压电薄膜的等效模型

2．2．5 d型压电本构方程

2．3 本章小结

第三章 数据采集系统设计

3．1 设计原则

3．2 总体方案

3．3 调理电路设计

3．3．1 常用调理电路

3．3．2 电荷放大器的设计难点

3．3．3 调理电路设计

3．4 其他电路设计

3．4．1 MCU模块设计

3．4．2 AD转换模块设计

3．4．3 无线透传模块设计

3．4．4 电源模块

3．5 软件设计

3．5．1 AD驱动程序设计

3．5．2 MATLAB串口通信程序

3．6 本章小结

第四章 实验验证

4．1 硬件验证

4．2 软件验证

4．3 PCB板设计

4．4 本章小结

第五章 总结展望

5．1 工作总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文