周岳斌1,2，楊凱1，陳家順2,3

　?。?. 湖北文理學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053；2. 汽車零部件制造裝備數(shù)字化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 襄陽(yáng) 441053；3. 武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430081）

       摘要：心率是衡量人體健康的重要生理指標(biāo)。為了快捷有效地檢測(cè)心率數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一種基于低功耗STC15L2K60S2單片機(jī)的腕帶式無(wú)線心率檢測(cè)儀。采用反射式光電傳感器SON1303檢測(cè)心率信號(hào)，通過(guò)硬件電路進(jìn)行模擬信號(hào)處理后，單片機(jī)運(yùn)行軟件程序完成心率計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，并借助CC2540藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的無(wú)線通信。上位機(jī)軟件基于LabVIEW編寫(xiě)，可進(jìn)行心率數(shù)據(jù)的監(jiān)控和管理。腕帶式佩戴方式和可充電鋰電池供電對(duì)于心率檢測(cè)更具便攜性和實(shí)用性。樣機(jī)測(cè)試表明，該設(shè)計(jì)具有良好的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性，適合在家庭和辦公場(chǎng)所使用。

　　關(guān)鍵詞：心率；藍(lán)牙；傳感器；無(wú)線

　　中圖分類號(hào)：TP212.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.04.030

　　引用格式：周岳斌，楊凱，陳家順.腕帶式無(wú)線心率檢測(cè)儀設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（4）：99-102.

0引言

　　*基金項(xiàng)目：襄陽(yáng)市研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（襄科計(jì)［2014］12號(hào)/14）；汽車零部件制造裝備數(shù)字化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心開(kāi)放課題項(xiàng)目（hbuascic2014017）；湖北文理學(xué)院博士科研基金資助項(xiàng)目目前，心血管疾病已成為城鄉(xiāng)居民死亡的首要病因［1］。作為人體最重要的器官之一，心臟一旦出現(xiàn)問(wèn)題就會(huì)危及生命。心率是衡量心臟健康的重要生理指標(biāo)，具有重要的臨床診斷價(jià)值和實(shí)用意義。專業(yè)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者心率、血壓等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，但其線纜和輔助器械較多，使用復(fù)雜，費(fèi)用昂貴，不適于日常普及使用。目前市場(chǎng)也有一些手環(huán)類智能產(chǎn)品具備心率檢測(cè)功能，但加入過(guò)多與智能手機(jī)重復(fù)功能，使用復(fù)雜，實(shí)用性不強(qiáng)，成本也較高。為此，本文設(shè)計(jì)了一種便于攜帶、具有良好的靈敏度和響應(yīng)速度的腕帶式心率檢測(cè)儀，內(nèi)置藍(lán)牙模塊無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，可與PC或其他藍(lán)牙設(shè)備互連，適合在家庭和辦公場(chǎng)所使用。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。心率傳感器采集心率信號(hào)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換輸出為電信號(hào)，再由信號(hào)處理電路對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行濾波整形，轉(zhuǎn)換為可供微處理器識(shí)別的脈沖電平信號(hào)；微處理器讀取外設(shè)信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理和運(yùn)算；按鍵電路向微處理器傳遞操作信號(hào)，顯示電路可實(shí)時(shí)顯示心率數(shù)據(jù)及時(shí)間等信息；藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接，系統(tǒng)可與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。上位機(jī)可對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示和保存。電源電路為系統(tǒng)供電，采用可充電鋰電池，通過(guò)USB接口充電。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1心率傳感器

　　用于心率檢測(cè)的傳感器較多，對(duì)心率測(cè)試部位有不同要求［2］。如圖2所示，本設(shè)計(jì)采用SON1303反射式光電傳感器檢測(cè)心率信號(hào)，其內(nèi)部有兩對(duì)LED發(fā)光管和接收管，由發(fā)光管提供綠色光源，可照射人體皮膚，接收管接收人體皮膚反射回來(lái)的光。SON1303采用570 nm波長(zhǎng)的綠光，與紅外光相比反射率更高，測(cè)量感度更高，同時(shí)也可提高信噪比。其內(nèi)部集成納米涂層環(huán)境光檢測(cè)傳感器，過(guò)濾不需要的光源，可減少由其他光源干擾的誤判動(dòng)作。人體組織充血時(shí)的透明度減小，接收管接收到的光強(qiáng)度減弱，人體組織缺血時(shí)的透明度減大，接收管接收到的光強(qiáng)度增強(qiáng)［3］。SON1303接收的反光信號(hào)后經(jīng)內(nèi)部電路放大，由VOUT引腳輸出電壓信號(hào)。電阻R2、R3起限流保護(hù)作用，電阻R4用于VOUT引腳的下拉鉗位。SON1303可輸出與心跳頻率一致的電壓信號(hào)。

　　2.2信號(hào)處理電路

　　通常情況下，心率信號(hào)近似成周期性，但不是確定的周期性信號(hào)，信號(hào)頻率較低，容易引入干擾［4］。心率傳感器輸出是毫伏級(jí)信號(hào)，需要通過(guò)信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為可供微處理器識(shí)別的脈沖信號(hào)。

　　信號(hào)處理電路采用3個(gè)SON221運(yùn)算放大器構(gòu)成整形放大電路。心率傳感器輸出的信號(hào)先由前級(jí)運(yùn)放U5放大，再經(jīng)中級(jí)運(yùn)放U6構(gòu)成的電壓跟隨器送到電阻R10和電容C7組成的低通濾波器，濾除高頻雜波，作為后級(jí)運(yùn)放U7的反向輸入電壓，U5的輸出電壓經(jīng)電阻R9接入U(xiǎn)7同相輸入端，構(gòu)成比較器電路，使輸出波形整形成TTL電平輸出。

　　2.3微處理器

　　如圖3所示，微處理器采用STC15L2K60S2單片機(jī)，其工作電壓為3.3 V，無(wú)需外部晶振和復(fù)位，片內(nèi)有大容量程序存儲(chǔ)器，并集成有兩個(gè)獨(dú)立串口和8通道高速ADC。其P3.5引腳為定時(shí)器1外部計(jì)數(shù)輸入引腳，與信號(hào)處理電路的輸出信號(hào)OUT1連接，OUT1每產(chǎn)生一個(gè)低電平到高電平的跳變信號(hào)，微處理器就會(huì)觸發(fā)定時(shí)器1中斷，記為一次心跳。微處理器的P1.7引腳連接信號(hào)處理電路的信號(hào)OUT2，通過(guò)內(nèi)部ADC通道可直接讀取OUT2的電壓數(shù)據(jù)。

　　2.4顯示與按鍵電路

　　顯示電路采用分辨率為128×32的OLED顯示屏，采用內(nèi)部升壓方式供電，工作電壓兼容3.3 V和5 V。OLED顯示屏無(wú)需背光，功耗小，對(duì)比度高，在待機(jī)模式下不顯示，按鍵時(shí)顯示時(shí)間或相關(guān)操作信息，與微處理器采用3線SPI方式連接。

　　按鍵電路采用三鍵式設(shè)計(jì)，一個(gè)功能建，兩個(gè)方向鍵：左鍵和右鍵。長(zhǎng)按功能鍵可進(jìn)入功能選擇菜單，兩個(gè)方向鍵可進(jìn)行功能選擇和參數(shù)調(diào)整，再次長(zhǎng)按功能鍵退出。

　　2.5藍(lán)牙模塊

　　藍(lán)牙模塊采用以TI公司CC2540芯片為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的藍(lán)牙4.0串口透?jìng)髂K，具有傳輸距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。微處理器與CC2540相連，作為藍(lán)牙通信的主機(jī)，CC2540的P0.2和P0.3引腳為串口數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送引腳，分別連到微處理器的P1.1和P1.0引腳。CC2540的P1.0為工作狀態(tài)輸出引腳，P1.1為連接狀態(tài)輸出引腳，分別連到微處理器的P3.3和P3.4引腳，微處理器讀取這兩個(gè)引腳的狀態(tài)就可獲取CC2540的工作狀態(tài)與連接狀態(tài)。

　　PC或其他藍(lán)牙設(shè)備都可作為上位機(jī)與心率檢測(cè)儀進(jìn)行通信，PC需要提供藍(lán)牙接口作為藍(lán)牙通信的從機(jī)。如果PC沒(méi)有藍(lán)牙接口，可采用圖4所示方案，將USB總線轉(zhuǎn)換芯片CH340G的串口與CC2540全雙工連接，就可實(shí)現(xiàn)PC的USB接口與藍(lán)牙接口轉(zhuǎn)換［5］。

　　2.6電源電路

　　為降低功耗，系統(tǒng)采用可充電鋰電池加3.3 V穩(wěn)壓輸出供電，如圖5所示，鋰電池通過(guò)MiniUSB接口充電，利用恒流/恒壓線性充電芯片CH4054進(jìn)行充電管理。CH4054內(nèi)部采用防倒充電路，可對(duì)充電電流自動(dòng)調(diào)節(jié)并自動(dòng)控制充電過(guò)程［6］。鋰電池輸出電壓采用DC/DC芯片MIC5207保持電壓穩(wěn)定為3.3 V。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1主程序設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)主程序流程如圖6所示，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括OLED顯示屏、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、ADC、串口等初始化。系統(tǒng)進(jìn)入連續(xù)測(cè)量狀態(tài)有兩種方式，一種是按鍵選擇進(jìn)入測(cè)量功能菜單；另一種是在串口中斷服務(wù)程序中，由微控制器識(shí)別上位機(jī)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送的連續(xù)測(cè)量指令。顯示屏初始顯示時(shí)間，長(zhǎng)按功能鍵時(shí)顯示功能菜單，通過(guò)方向鍵選擇不同功能，使用功能鍵進(jìn)行確認(rèn)，再調(diào)用按鍵處理子程序完成相應(yīng)的功能和設(shè)置，如時(shí)間調(diào)整、心率電壓顯示、藍(lán)牙數(shù)據(jù)發(fā)送等?！?/p>

　　3.2顯示程序設(shè)計(jì)

　　OLED顯示屏內(nèi)置一塊驅(qū)動(dòng)芯片SSD1306，根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的驅(qū)動(dòng)流程和指令參數(shù)可編寫(xiě)OLED顯示屏的初始化程序。OLED屏的顯示是以點(diǎn)為基礎(chǔ)，屏幕畫(huà)點(diǎn)需要確定點(diǎn)的坐標(biāo)。由于分辨率為128×32，因此以0為起點(diǎn)，X軸最大值不超過(guò)127，Y軸最大值不超過(guò)32，可定義一個(gè)靜態(tài)數(shù)組存儲(chǔ)點(diǎn)的位置信息，當(dāng)所有需要顯示的數(shù)據(jù)位置信息存儲(chǔ)后，將其通過(guò)微處理器SPI接口寫(xiě)入SSD1306，就可更新OLED屏的顯示內(nèi)容。

　　3.3藍(lán)牙通信程序設(shè)計(jì)

　　由于程序調(diào)試和下載占用了串口1，因此微處理器與藍(lán)牙模塊CC2540的連接選擇串口2。串口初始化首先需要選定串口號(hào)為2，然后設(shè)置工作方式，最后設(shè)定波特率并使能串口2中斷。

　　當(dāng)串口2產(chǎn)生中斷時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行串口中斷服務(wù)子程序，判斷接收或者發(fā)送標(biāo)志并通過(guò)軟件清零標(biāo)志位。如果接收標(biāo)志位置1，則讀出串口緩存器中數(shù)據(jù)，再對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷分析，執(zhí)行相應(yīng)操作。如果發(fā)送標(biāo)志位置1，則準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。微處理器通過(guò)串口2與CC2540進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，借助CC2540可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)或其他藍(lán)牙設(shè)備的無(wú)線通信。

　　3.4中斷程序設(shè)計(jì)

　　定時(shí)器T0設(shè)為16位自動(dòng)重裝的定時(shí)方式，時(shí)鐘源選擇內(nèi)部11.059 2 MHz晶振，中斷周期為50 ms。在T0的中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)，用于時(shí)間顯示和心率計(jì)時(shí)。定時(shí)器T1設(shè)為8位自動(dòng)重裝初值的計(jì)數(shù)方式，T1的中斷服務(wù)子程序?qū)π盘?hào)處理電路輸出的脈沖信號(hào)OUT1計(jì)數(shù)，用于計(jì)算心率。

　　3.5上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)程序采用LabVIEW編寫(xiě)，可實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)心率數(shù)據(jù)和波形。設(shè)計(jì)采用while循環(huán)來(lái)使程序連續(xù)執(zhí)行，在前面板設(shè)有停止開(kāi)關(guān)連接while循環(huán)的停止接口可實(shí)現(xiàn)程序停止。虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)（Virtual Instruments Software Architecture, VISA）是LabVIEW提供的標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用程序接口，利用VISA可進(jìn)行串行通信編程。LabVIEW將VISA節(jié)點(diǎn)單獨(dú)組成一個(gè)子模塊，共包含8個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別實(shí)現(xiàn)初始化串口、串口寫(xiě)、串口讀、中斷以及關(guān)閉串口等功能［7］。在while循環(huán)內(nèi)部，用一個(gè)10 ms的定時(shí)器作為循環(huán)定時(shí)，避免影響串口數(shù)據(jù)的傳送。由于串口數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制字符，需要一個(gè)十六進(jìn)制字符轉(zhuǎn)數(shù)值的程序塊來(lái)完成串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，供波形顯示器顯示時(shí)調(diào)用。

4仿真與測(cè)試

　　信號(hào)處理電路是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，為驗(yàn)證其正確性，利用Multisim軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真分析［8］。仿真結(jié)果表明，信號(hào)處理電路的后級(jí)輸出可將心率信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平輸出，適合微處理器讀取外部計(jì)數(shù)I/O電平，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。隨后完成樣機(jī)制作，并進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。通過(guò)數(shù)字示波器觀測(cè)信號(hào)處理電路前級(jí)濾波放大輸出的波形比較規(guī)整，雖有一定雜波干擾，但不影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。經(jīng)過(guò)后級(jí)整形放大，輸出的波形比較理想，完全滿足微處理器讀取外部計(jì)數(shù)I/O的TTL電平要求。

　　在確認(rèn)心率傳感器和信號(hào)處理電路工作正常后，逐步測(cè)試了系統(tǒng)的OLED顯示、按鍵處理、藍(lán)牙通信、上位機(jī)監(jiān)測(cè)等功能，測(cè)試結(jié)果表明上述功能均能有效運(yùn)行。上位機(jī)與系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙連接后，可準(zhǔn)確測(cè)量心率，實(shí)時(shí)顯示心率走勢(shì)圖，并可將心率數(shù)據(jù)以Excel或圖形文件形式輸出保存。

5結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種腕帶式心率檢測(cè)儀，硬件設(shè)計(jì)以STC15L2K60S2單片機(jī)為核心，心率信號(hào)檢測(cè)采用反射式光電傳感器SON1303，準(zhǔn)確度高，測(cè)量方式自由。采用與目前主流便攜設(shè)備一致的可充電鋰電池供電方式，內(nèi)置CC2540藍(lán)牙模塊，可與其他藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信，便于上位機(jī)進(jìn)行心率數(shù)據(jù)監(jiān)控和管理。設(shè)計(jì)具有良好的靈敏度和響應(yīng)速度，對(duì)于人體心率的監(jiān)測(cè)十分便利和有效，可推廣應(yīng)用于其他可佩戴式電子產(chǎn)品和測(cè)量?jī)x器，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

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