基于Arduino和LabVIEW的脈搏心率檢測儀

王慧媛,蔣敏蘭

(浙江師范大學 數(shù)理與信息工程學院，浙江 金華 321004)

?

基于Arduino和LabVIEW的脈搏心率檢測儀

王慧媛,蔣敏蘭

(浙江師范大學 數(shù)理與信息工程學院，浙江 金華 321004)

針對目前心血管疾病嚴重威脅人類健康,且在我國的發(fā)病率與死亡率居高不下的現(xiàn)狀，設(shè)計了基于Arduino和LabVIEW的脈搏心率檢測儀。下位機選用Arduino為主控芯片，將脈搏心率檢測模塊檢測到的脈搏信息通過串口發(fā)送給LabVIEW上位機，上位機對接收到的數(shù)據(jù)進行處理并顯示動態(tài)脈搏曲線，同時將脈搏測量結(jié)果顯示在上位機前面板。該檢測儀可實現(xiàn)對脈搏和心率信號的采集、顯示、波形回放和存儲，與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合可以實現(xiàn)遠程監(jiān)測。測試結(jié)果表明，該檢測儀測量誤差不超過1%，利用該儀器可及時了解被測者的身體狀況。

LabVIEW；Arduino；脈搏檢測；心率檢測；串口通信

引用格式：王慧媛,蔣敏蘭. 基于Arduino和LabVIEW的脈搏心率檢測儀[J].微型機與應用，2016,35(17)：94-96.

0　引言

人體脈搏系統(tǒng)是心血管系統(tǒng)的重要組成部分，脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強度、速率、節(jié)律等方面的綜合信息，反映了人體心血管系統(tǒng)中的許多生理病理特征，是臨床診斷和治療的重要依據(jù)[1]。數(shù)據(jù)顯示，我國心血管疾病的發(fā)病率和死亡率持續(xù)上升，約300萬患者每年死于心血管病，幾乎每3個死亡的人中就有1人是心血管病，心血管疾病已成為人類健康的頭號殺手[2]。

目前，國內(nèi)外在脈搏檢測方面已經(jīng)開展了大量工作，脈搏測量技術(shù)也越來越先進。過去醫(yī)院臨床監(jiān)護和老年保健中常用便攜式電子血壓計，但其在利用氣泵加減壓過程中會使患者不適，且存在體積龐大、檢測精度低等缺點；而近來研發(fā)的多種無創(chuàng)非接觸式儀器能夠自動消除系統(tǒng)誤差、測量精度高且能夠?qū)崟r顯示病人脈搏信息，但此類儀器多用于大型醫(yī)院且價格昂貴，不適合廣大消費者的使用[2]。本文提出的基于Arduino和LabVIEW的脈搏心率檢測儀利用美國NI公司開發(fā)的LabVIEW圖形化編程開發(fā)平臺[3]，設(shè)計了簡明、直觀、易用的上位機顯示界面，精度高，使用方便，具有廣闊的應用前景。

1　系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)由上、下位機組成。下位機由單片機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理[4]。上位機(PC)基于虛擬儀器圖形編程軟件LabVIEW8.0 編制軟件程序,實現(xiàn)脈搏信號的數(shù)據(jù)讀取、濾波、脈搏頻率計算、波形顯示等功能[5]。上、下位機通過RS232串口通信。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計框圖

2　下位機設(shè)計

2.1傳感器選型

傳統(tǒng)的脈搏測量方法主要包括三種：一是從心電信號中提取脈搏信號；二是利用測量血壓時壓力傳感器測到的波動來計算脈率；三是光電容積法測量[6]。前兩種方法提取信號都會限制病人的活動，如果長時間使用會增加病人生理和心理上的不舒適感。本設(shè)計選用集成化脈搏傳感器A27pulsesensor，它是利用人體組織在血管搏動時造成透光率的不同即光容積法來進行脈搏的測量，具有方法簡單、可靠性高且佩戴方便的特點。當光束透過人體外周血管，由于動脈搏動充血容積變化導致這束光的透光率發(fā)生改變，此時由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑵浞糯蠛洼敵觥Ｓ捎诿}搏是隨心臟的搏動而周期性變化的信號，動脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏率。圖2右為A72脈搏心率檢測模塊。

圖2　底層硬件結(jié)構(gòu)

2.2Arduino單片機

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。Arduino能夠通過AD對傳感器信號采樣處理，并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至LabVIEW平臺。其與脈搏心率檢測模塊一起構(gòu)成了本設(shè)計的底層硬件。圖2為底層硬件結(jié)構(gòu)。

2.3基于Arduino的硬件程序設(shè)計

由于心率檢測模塊的輸出信號為0～5 V的電壓信號，因此只需要利用Arduino的一個模擬信號輸入端口將0～5 V的模擬信號轉(zhuǎn)化為0～255的數(shù)字信號，即可實現(xiàn)對脈搏信息的采集，同時通過RS232串口協(xié)議將信號傳送到LabVIEW上位機。

3　上位機設(shè)計

3.1基于LabVIEW的算法設(shè)計

LabVIEW通過串口接收到下位機發(fā)送的脈搏數(shù)據(jù)，為了得到準確的心跳頻率，把接收到的值與前兩個數(shù)據(jù)進行比較，分別獲得數(shù)據(jù)流中最大值時間tmax和最小值時間tmin，因此心臟實際的跳動周期為：

T=|tmax-tmin|

如圖3所示為脈搏心率檢測流程圖。

圖3　脈搏心率檢測流程圖

3.2基于LabVIEW的上位機設(shè)計

上位機設(shè)計采用LabVIEW8.0進行圖形編程。LabVIEW軟件提供了有關(guān)串口設(shè)計的VI[7]，可以實現(xiàn)串口的配置、讀寫和中斷等功能。同時充分利用其強大的數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)對脈搏波的采集、濾波、顯示、波形回放、存儲等功能，如圖4所示為上位機軟件界面，圖5所示為LabVIEW后面板圖形編程。

圖4　LabVIEW界面設(shè)計

圖5　LabVIEW后面板程序

4　測量結(jié)果及誤差

表1為6例檢測心率的樣本結(jié)果與采用購買的標準儀器測量結(jié)果的對比及誤差，樣本來自無疾病、無精神障礙的大學生。其中：

測量誤差=|實測值-標準值|/標準值

由表1可知，本設(shè)計誤差不超過標準值的1%。

表1　心率檢測結(jié)果及誤差

5　結(jié)論

本文利用脈搏心率傳感器、Arduino單片機和LabVIEW平臺設(shè)計了一款低成本、低功耗、操作簡單、界面美觀的脈搏心率檢測儀，實現(xiàn)了以下功能：

(1)下位機數(shù)據(jù)采集處理以及數(shù)據(jù)發(fā)送；

(2)LabVIEW上位機接收數(shù)據(jù)并實現(xiàn)心電圖顯示、數(shù)據(jù)存儲及波形回放；

(3)定時計算心跳頻率并顯示；

(4)繪制心形曲線。

在當前互聯(lián)網(wǎng)+的模式下，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展推動虛擬儀器及其相關(guān)領(lǐng)域快速發(fā)展的情勢下，本設(shè)計更加符合社會消費理念和廣大消費者的生活需要。

[1] 羅志昌，張松，楊益明．脈搏波工程分析與臨床應用[M]．北京：科學出版社，2006．

[2] 許雪楠，梁晉濤，黃邦宇. 基于STM32 的健康一體機控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].微機型與應用， 2013，32(16)：20-22，25.

[3] 李能禾，成謝鋒. 基于LabVIEW和MATLAB的心音檢測與小波去噪[J].微機型與應用, 2010,29(1):6-9.

[4] 韓軍. 基于LabVIEW的脈搏信號檢測系統(tǒng)[J].微計算機信息,2011,27(5):58-59.

[5] 姚峰,喬曉艷，董有爾. 基于LabVIEW的無創(chuàng)脈搏血氧檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].山西大學學報(自然科學版)，2010，33(1)：92-96.

[6] 吳素花.張永壽. 基于虛擬儀器的心率檢測[J].中國醫(yī)學裝備，2015(4)：47-48.

[7] 楊丹，丁夢曉，鄭磊，等.便攜式脈搏血氧飽和度測量儀的研制[J].微型機與應用，2015，34(22):92-95.

王慧媛(1995-)，通信作者，女，本科，主要研究方向：電子與系統(tǒng)。E-mial:1975917761@qq.com。

蔣敏蘭(1976-)女，副教授，碩士生導師，主要研究方向：傳感器技術(shù)及應用。

A pulse and heart rate inspection tester based on Arduino and LabVIEW

Wang Huiyuan, Jiang Minlan

(School of Mathematical and Information Engineering, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China)

Aiming at the current sitution that cardiovascular diseases pose grave threats to human health, and the morbidity rate and death rate in China staying at a high level, a pulse and heart rate inspection tester based on Arduino and LabVIEW is designed in this paper. The lower computer uses Arduino as control chip sends pulse information acquired by pulse sensor to the LabVIEW upper computer, and the upper computer receives the data then processes and displays the dynamic curve of the pulse, meanwhile,displays the pulse measurement results in the front panel of upper computer. This detector can achieve the collection, display, wave shape playback and storage of pulse and heart rate signal, and can realize remote control combined with Internet of things. Test results show that the measurement error is less than 1%. The physical condition of the subjects can be known in time through this inspection tester.

LabVIEW; Arduino; pulse detection; heart rate detection; serial port communication

TH776

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.17.028

2016-05-15)