一個(gè)基于STC12單片機(jī)的無線脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)*

柳海華，盧路瑤，朱秀委

(溫州醫(yī)科大學(xué) 信息與工程學(xué)院，浙江 溫州，325035)

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一個(gè)基于STC12單片機(jī)的無線脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)*

柳海華，盧路瑤，朱秀委

(溫州醫(yī)科大學(xué) 信息與工程學(xué)院，浙江 溫州，325035)

為了減小設(shè)備體積，提高系統(tǒng)的靈活性，提出了一種采用STC12單片機(jī)、光電式傳感器和NRF24L01的無線脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，給出了該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)的具體方案，展示并分析了系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果。該系統(tǒng)在10 m范圍內(nèi)可實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)脈搏信號(hào)，在軟件界面中可顯示、分析和保存數(shù)據(jù)，在發(fā)現(xiàn)生理參數(shù)異常時(shí)發(fā)出報(bào)警，適用于病人監(jiān)護(hù)，具有一定實(shí)用價(jià)值。

STC12C5A60S2；光電式脈搏傳感器；NRF24L01；串口通信

0　引言

中西醫(yī)研究表明，脈搏波蘊(yùn)藏著豐富的生理病理信息，在預(yù)防疾病、診斷治療、保健康復(fù)等各個(gè)方面發(fā)揮著重要作用[1]。目前的脈搏信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳感器類型主要包括光電式、液體耦合腔式、壓阻式以及應(yīng)變式等[2-3]。其中，液體耦合式傳感器的制作過程較為復(fù)雜且抗干擾差，壓阻式傳感器的實(shí)時(shí)性差且誤差較大，而應(yīng)變式脈搏傳感器存在較大的非線性。相比之下，光電式傳感器具有制作方便、精度較高、成本較低及線性度較好等優(yōu)點(diǎn)，因而得以廣泛應(yīng)用。此外，大量導(dǎo)線的使用增大了系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜度，同時(shí)降低了系統(tǒng)的便攜性和擴(kuò)展性，因此無線傳輸技術(shù)日益普遍[4]。

基于上述分析，本設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2單片機(jī)、光電式脈搏傳感器和NRF24L01無線收發(fā)模塊完成了一個(gè)無線脈搏信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)先通過下位機(jī)采集電路對(duì)使用者的脈搏信號(hào)進(jìn)行提取、去噪和放大處理，再以無線傳輸方式發(fā)送給連接PC的接收電路，接著上位機(jī)軟件從串口接收數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示波形，并進(jìn)行參數(shù)(例如心率、脈搏間隔等)分析、參數(shù)異常報(bào)警和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。本系統(tǒng)不僅能對(duì)使用者進(jìn)行脈搏實(shí)時(shí)診斷和分析，也可用于后續(xù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和長(zhǎng)期跟蹤，有助于使用者生理狀態(tài)的有效監(jiān)測(cè)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)由6部分組成：電源模塊、采集模塊、單片機(jī)控制單元、無線模塊、串口通信模塊、上位機(jī)模塊。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)前端采用光電式脈搏傳感器，將人體的脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。由于人體的脈搏信號(hào)微弱(毫伏電壓)，頻譜范圍包含工頻干擾，因此需通過前置放大、高低通濾波、二級(jí)放大等處理[5]。從傳感器獲得的初始信號(hào)經(jīng)過適當(dāng)放大和處理之后，通過單片機(jī)控制的AD轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，繼而通過無線模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無線發(fā)送與接收。接收模塊收到的數(shù)據(jù)通過串口通信電路傳輸至計(jì)算機(jī)的串口，最終由上位機(jī)軟件對(duì)串口進(jìn)行掃描而讀取。上位機(jī)軟件可實(shí)時(shí)顯示接收到的脈搏信號(hào)波形，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和監(jiān)視，也可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以備后續(xù)統(tǒng)計(jì)與回訪。為了保證系統(tǒng)中不同芯片的正常工作，本設(shè)計(jì)還包含了雙電壓輸出的電源模塊。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)控制單元

單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換、配置無線發(fā)送與接收、與上位機(jī)通信等工作。本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)，其指令代碼與傳統(tǒng)的8051單片機(jī)兼容，工作電壓為3.3～5.5 V，工作頻率范圍為0～40 MHz，自帶8路10位AD轉(zhuǎn)換器，處理速度比傳統(tǒng)8051快8～12倍。本系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)的晶振為11.059 2 MHz，5 V電源供電，采集轉(zhuǎn)換頻率為100 Hz，由定時(shí)程序控制，即每10 ms啟動(dòng)一次AD轉(zhuǎn)換。

2.2采集模塊

很多企業(yè)在使用財(cái)務(wù)管理時(shí)主要關(guān)注其管理職能，但財(cái)務(wù)管理在企業(yè)價(jià)值創(chuàng)造方面同樣存在較大作用。在我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的時(shí)期，企業(yè)僅依靠運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目來實(shí)現(xiàn)價(jià)值創(chuàng)造的空間相對(duì)有限，而部分企業(yè)對(duì)財(cái)務(wù)管理在價(jià)值創(chuàng)造方面的研究還不夠深入因而無法充分利用財(cái)務(wù)管理來控制企業(yè)價(jià)值。企業(yè)需要合理利用財(cái)務(wù)管理來加強(qiáng)企業(yè)價(jià)值創(chuàng)造以及做好價(jià)值保護(hù)工作，這對(duì)于擴(kuò)大企業(yè)價(jià)值總量并實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略發(fā)展都有積極意義，企業(yè)還需要根據(jù)現(xiàn)有的發(fā)展背景做好財(cái)務(wù)管理的持續(xù)完善與發(fā)展，確保財(cái)務(wù)管理能夠持續(xù)有效地發(fā)揮作用。

采集模塊的核心器件是傳感器，它的性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性。因此，本設(shè)計(jì)采用綜合性能優(yōu)良的光電式脈搏傳感器來完成，它可分為光源和光接收器兩個(gè)主要部分。光源部分采用的是峰值波長(zhǎng)為515 nm的綠光LED，型號(hào)為AM2520；光接收器的敏感峰值為565 nm，型號(hào)為APDS-9008。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，560～650 nm光波可較好地反映皮膚淺部微動(dòng)脈信息，適合用來采集分析人體脈搏信號(hào)[6]。因此，本設(shè)計(jì)采用的傳感器能有效收集脈搏信息，且靈敏度較高。此外，脈搏信號(hào)的頻帶范圍為0.05～200 Hz，信號(hào)幅度是毫伏級(jí)的小信號(hào)，容易受到各種干擾。因此，在傳感器后面連接一個(gè)低通濾波器和一個(gè)由運(yùn)放MCP6001為核心的放大器，將初級(jí)脈搏信號(hào)放大300倍左右。同時(shí)，采用分壓電阻設(shè)置直流偏置電壓為電源電壓的1/2，使輸出信號(hào)更容易被單片機(jī)的AD采集，并由單片機(jī)的P1.7口輸入。傳感器相關(guān)電路圖如圖2所示。

圖2　傳感器電路圖

2.3無線通信模塊

實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，可減少設(shè)備復(fù)雜性，提高系統(tǒng)靈活性。本系統(tǒng)以NRF24L01模塊為核心來實(shí)現(xiàn)脈搏數(shù)據(jù)在采集和接收模塊之間的遠(yuǎn)程無線傳輸，類似工作可參見參考文獻(xiàn)[7]、[8]。單片機(jī)通過AD轉(zhuǎn)換將脈搏信號(hào)數(shù)字化后，將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳給NRF24L01模塊進(jìn)行無線發(fā)送。無線模塊的工作參數(shù)(包括信道、發(fā)送功率、發(fā)送頻率等參數(shù))由單片機(jī)配置。接收電路中的NRF24L01模塊的工作參數(shù)也由單片機(jī)配置，且要求與發(fā)送端匹配。發(fā)送和接收的NRF24L01模塊和單片機(jī)的連接如圖3所示。

圖3　NRF24L01電路圖

CE引腳與P1.2引腳連接，CSN引腳與P1.3引腳連接，SCK引腳與P1.1引腳連接，MOSI引腳與P1.4引腳連接，MISO引腳與P1.0引腳連接、IRQ引腳與P1.6引腳連接。

2.4串口通信模塊

串口通信模塊主要負(fù)責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，本設(shè)計(jì)采用MAX232EPE來完成。由于串口一次最多只能通過8位二進(jìn)制數(shù)，而單片機(jī)自帶AD轉(zhuǎn)換一次能產(chǎn)生10位的二進(jìn)制數(shù)，因此要將10位數(shù)據(jù)分解成高2位和低8位。串口通信采用經(jīng)典設(shè)置，即波特率9 600 b/s、校驗(yàn)位N、數(shù)據(jù)位8、停止位1。

2.5電源模塊

由于本系統(tǒng)采用的單片機(jī)的供電要求為5 V，而無線收發(fā)模塊的供電要求為3.3 V，因此要求電源模塊能輸出兩種電壓。其中，+5 V是由輸出電壓9 V、輸出功率9 W的交流變壓器、整流橋及7805芯片組成的電路產(chǎn)生的；+3.3 V是由5 V電源經(jīng)LM1117芯片穩(wěn)壓和濾波后產(chǎn)生的。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行，需要良好的下位機(jī)硬件驅(qū)動(dòng)程序和上位機(jī)軟件界面。該系統(tǒng)的下位機(jī)軟件是采用基于Keil C 集成開發(fā)環(huán)境的C語言進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)的，上位機(jī)的軟件界面主要利用VB編程語言編程實(shí)現(xiàn)。

3.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件由以下子程序組成：AD轉(zhuǎn)換控制程序、定時(shí)器程序、NRF24L01發(fā)送子程序、NRF24L01接收子程序和串口發(fā)送程序。模擬信號(hào)從P1.7輸入單片機(jī)經(jīng)過10位精度的AD轉(zhuǎn)換。AD轉(zhuǎn)換受定時(shí)程序的控制，定時(shí)程序達(dá)到設(shè)定閾值則啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換并發(fā)送數(shù)據(jù)完成后AD使能端被禁止，AD啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的頻率被設(shè)定為100 Hz。兩個(gè)NRF24L01模塊分別由兩個(gè)單片機(jī)控制，不斷發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)的單片機(jī)通過串口查詢法不斷將接收到的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。由于AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果是10位的二進(jìn)制數(shù)，因此在串口發(fā)送之前要先將10位的二進(jìn)制數(shù)拆成2個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)(高2位和低8位，分別存于ADC_RES和ADC_RESL兩個(gè)寄存器中)才能通過串口發(fā)送。

NRF24L01相關(guān)子程序的主要任務(wù)是：先進(jìn)行片選，即選好引腳P1.2并置低電平，再對(duì)芯片的狀態(tài)、功率等參數(shù)進(jìn)行配置，具體如表1所示。

表1　配置表

系統(tǒng)軟件程序流程圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)軟件流程圖

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用VB語言編程實(shí)現(xiàn)。主界面包括數(shù)據(jù)顯示區(qū)、快捷功能鍵、生理參數(shù)顯示、串口選擇和報(bào)警提示等部分。為了顯示從串口讀取的數(shù)據(jù)，采用iplot控件(集成C語言)作為畫圖工具。橫縱坐標(biāo)根據(jù)輸出信號(hào)的強(qiáng)度能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，先要對(duì)兩次接收到的數(shù)據(jù)相加得到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)，并通過不同時(shí)刻得到的數(shù)值進(jìn)行比較得到波峰，記錄當(dāng)時(shí)的時(shí)刻，應(yīng)用同樣的方法判斷出下一個(gè)波峰與時(shí)刻，將這一系列的數(shù)據(jù)由iplot控件進(jìn)行繪圖[9]。

快捷功能鍵主要包括圖形區(qū)放大、縮小和數(shù)據(jù)保存等功能，另外的功能還在開發(fā)中，例如打印、自動(dòng)縮放、注釋等。生理參數(shù)顯示暫時(shí)只考慮脈搏頻率，其算法如下：取10 s左右長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，用上述方法檢測(cè)出每個(gè)周期中的峰值，對(duì)5個(gè)峰峰間期取平均得到準(zhǔn)實(shí)時(shí)的脈搏頻率[10]。串口選擇功能是為了滿足上位機(jī)軟件對(duì)多個(gè)下位機(jī)采集電路的管理而設(shè)計(jì)的。盡管目前軟件只能顯示一個(gè)通道的數(shù)據(jù)變化情況，但預(yù)留了多通道顯示的功能。報(bào)警提示功能是通過label控件來展示的，當(dāng)上位機(jī)軟件對(duì)一段時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、處理和分析后，若發(fā)現(xiàn)生理參數(shù)超出正常范圍則開始報(bào)警[11]。

4　系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的上位機(jī)軟件界面如圖5所示。

圖5　上位機(jī)軟件界面

顯示的參數(shù)包括：實(shí)時(shí)脈搏波形[12]、計(jì)算得到的心率、參數(shù)異常報(bào)警提示。軟件還具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，以便于數(shù)據(jù)回訪和統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)使用者的脈搏參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤。與標(biāo)準(zhǔn)儀器的測(cè)量結(jié)果(示波器采集顯示如圖6所示)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)采集到的脈搏信號(hào)顯示結(jié)果與之接近，從而同時(shí)驗(yàn)證了下位機(jī)信號(hào)采集、無線收發(fā)模塊工作正常。其中，針對(duì)無線模塊的性能測(cè)試結(jié)果表明，在15 m2內(nèi)無障礙物環(huán)境下，數(shù)據(jù)傳輸流暢且無失真，按照每秒100個(gè)數(shù)據(jù)采集的速率計(jì)算，數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)125 B/s。

圖6　示波器顯示接收到的脈搏信號(hào)波形

5　結(jié)論

本設(shè)計(jì)以STC12C5A60S2單片機(jī)、光電式脈搏傳感器和NRF24L01無線收發(fā)模塊為核心，完成了一個(gè)無線脈搏信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)可將被測(cè)人員的脈搏信號(hào)實(shí)時(shí)地顯示在上位機(jī)軟件中，顯示結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的示波器結(jié)果相吻合，在大約15 m2內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。除脈搏信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示，該系統(tǒng)還支持簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)分析(脈搏頻率及強(qiáng)度等)，并能實(shí)現(xiàn)閾值可調(diào)的報(bào)警監(jiān)護(hù)功能。本系統(tǒng)為人體脈搏等生理信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)工作提供了一個(gè)實(shí)用案例，具有一定的實(shí)用價(jià)值和參考意義。下一步的工作中還可進(jìn)一步完善本系統(tǒng)的軟硬件功能。

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A wireless pulse monitoring system based on STC12 MCU

Liu Haihua, Lu Luyao, Zhu Xiuwei

(1.College of Information and Engineering，Wenzhou Medical University, Wenzhou 325035, China)

In order to reduce the size of the system and improve its flexibility, a wireless pulse monitoring system is proposed by utilizing the STC12 MCU, photoelectric sensor and NRF24L01 module. The specific scheme of the hardware and software design is given, and the operation results of the system are shown and analyzed. The system is successful in real-time monitoring of the pulse signals at a certain range, and the signals can be displayed, analyzed and saved in the software interface which will give a warning when an abnormality of physiological parameters is observed. The system is of good practical value, especially in the patient monitoring.

STC12C5A60S2; photoelectric pulse sensor; NRF24L01; serial communication

浙江省教育廳項(xiàng)目(Y201431901)；溫州醫(yī)科大學(xué)啟動(dòng)項(xiàng)目(QTJ14010)

TP368.1

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.18.027

2016-05-18)

柳海華(1992-)，男，本科生，主要研究方向：醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)。

盧路瑤(1982-)，女，博士研究生，講師，主要研究方向：電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)。

朱秀委(1982-)，男，博士研究生，講師，主要研究方向：電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)。