基于STM32單片機(jī)的人體心率采集系統(tǒng)

湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院 王 毅 楊 志 黃曉英 聶云浩 徐 建

基于STM32單片機(jī)的人體心率采集系統(tǒng)

湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院 王 毅 楊 志 黃曉英 聶云浩 徐 建

針對(duì)目前便攜式人體心率采集系統(tǒng)的研究，本文提出了一種通過(guò)搭建以STM32ZET6為控制核心，以脈搏傳感器SON1205為外部檢測(cè)模塊，通過(guò)C語(yǔ)言在KEIL5編程軟件下，設(shè)計(jì)心率檢測(cè)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)人體心率的檢測(cè)，本系統(tǒng)還能夠通過(guò)無(wú)線傳輸模塊NRF2401實(shí)現(xiàn)將采集到的人體心率等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的傳輸，從而可以實(shí)現(xiàn)一種遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)，系統(tǒng)還能夠?qū)z測(cè)到的人體心率通過(guò)液晶模塊顯示。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，誤差較小，數(shù)據(jù)傳輸正常，能夠達(dá)到我們整套系統(tǒng)的要求。

心率采集；STM32；脈搏傳感器；NRF2401

0　引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的不斷的發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)自己健康的在意度也在不斷的加強(qiáng)，可是快速化的生活規(guī)律迫使人們沒(méi)有更多的時(shí)間好好的監(jiān)控自己的身體狀況。同時(shí)大多數(shù)的孤巢老人身邊沒(méi)有子女的監(jiān)護(hù)，一旦發(fā)生了任何的意外情況，所有人都只能鞭長(zhǎng)莫及，無(wú)能為力。因此如何得到一套能夠十分便攜又可以遠(yuǎn)程監(jiān)控的心率采集統(tǒng)［1］，是十分重要的。

改革開(kāi)放以來(lái)，在無(wú)數(shù)前輩們的努力下，中國(guó)的科技有了快速的發(fā)展，小型化、集成化的MCU不斷的進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，從而使更多的電子器件進(jìn)入普通百姓家中成為了可能。醫(yī)院雖然有高精度的心電測(cè)量?jī)x，但是很多都是有線檢測(cè)，這在一定的程度上限制的病人的自由活動(dòng)的空間，并且需要讓病人經(jīng)常在醫(yī)院與家庭之間長(zhǎng)期奔波。同時(shí)高精度的測(cè)量?jī)x價(jià)格昂貴、笨重，無(wú)法進(jìn)入普通百姓家，也無(wú)法進(jìn)行隨身攜帶。

STM32單片機(jī)開(kāi)發(fā)成本低廉，我們只需要在上面運(yùn)行我們用C語(yǔ)言編寫(xiě)的心率檢測(cè)算法結(jié)合我們所搭建的外圍電路模塊就能實(shí)現(xiàn)人體的心率采集，以及心率傳輸，操作簡(jiǎn)單方便。

1　系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)通過(guò)脈搏檢測(cè)模塊來(lái)感知人體心率的變化［2］，將人體心率的變化通過(guò)方波的形式輸出，然后通過(guò)放大電路將方波信號(hào)進(jìn)行放大至系統(tǒng)的MCU能夠檢測(cè)的幅度，最后將處理好的信號(hào)接到MCU的I/ O口送給MCU，讓MCU運(yùn)行心率檢測(cè)算法進(jìn)而得出此時(shí)人體的心率，MCU得到心率后通過(guò)液晶顯示，同時(shí)系統(tǒng)的MCU還利用無(wú)線傳輸模塊NRF2401將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。

本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2　硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路采用的是模塊化的設(shè)計(jì)，按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，硬件結(jié)構(gòu)相應(yīng)的分為脈搏檢測(cè)模塊、顯示模塊、無(wú)線傳輸模塊。

2.1脈搏檢測(cè)模塊

人體心率檢測(cè)系統(tǒng)最為關(guān)鍵的一步就是獲取人體的心率，我們只有檢測(cè)到心率后，才能運(yùn)行心率檢測(cè)算法得出人體的心率。在本套系統(tǒng)中我們使用的是模塊化的脈搏檢測(cè)器SON1205。它能夠?qū)⑷梭w微弱的心率信號(hào)經(jīng)過(guò)采集放大后輸出標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)。

脈搏檢測(cè)器電路圖如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2.2顯示模塊

顯示模塊我們使用的是正點(diǎn)原子官方提供的TFT3.5寸的液晶顯示屏，通過(guò)寬大液晶顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)友好的人際界面交互，將檢測(cè)到的信息實(shí)時(shí)的顯示，同時(shí)根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果給出一定的合理化的保健建議 。

2.3無(wú)線傳輸模塊

無(wú)線傳輸模塊用于將我們采集到的信息傳輸至遠(yuǎn)端界面，因此本系統(tǒng)中我們采用的是NRF2401無(wú)線傳輸模塊。NRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，一般工作在2.4～2.5Ghz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體震蕩器和調(diào)制器等功能的模塊，輸出功率和通信頻段可以通過(guò)程序來(lái)進(jìn)行配置。

3　軟件設(shè)計(jì)

本套系統(tǒng)的重點(diǎn)是心率檢測(cè)算法的設(shè)計(jì)，只有良好的心率檢測(cè)算法，我們所采集到的信息才會(huì)誤差較小，從而給我們提供精確的信息。在本套系統(tǒng)中我們利用了STM32的內(nèi)部資源，外部中斷和內(nèi)部定時(shí)器的使用，我們通過(guò)外部中斷來(lái)獲取人體心率的變化，通過(guò)定時(shí)器來(lái)設(shè)置一個(gè)時(shí)間閘門(mén)，通過(guò)計(jì)數(shù)在這個(gè)時(shí)間閘門(mén)內(nèi)心率變化的次數(shù)，從而通過(guò)一定的數(shù)據(jù)處理得到人體的心率。

如圖3所示為本系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)圖。

圖2　脈搏檢測(cè)器設(shè)計(jì)圖

圖3　程序設(shè)計(jì)圖

4　檢測(cè)結(jié)果分析

我們找來(lái)三個(gè)人對(duì)本套系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，將檢測(cè)結(jié)果與醫(yī)院高精度的心電檢測(cè)儀檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行比較。

測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從表中我們可以看出，在幾次測(cè)試中，數(shù)據(jù)結(jié)果與精密儀器的

結(jié)果雖然有一定的誤差，但是誤差是很小的一般都在3～5之間，再者數(shù)據(jù)傳輸端顯示的結(jié)果于檢測(cè)端是一樣的說(shuō)明系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸正常穩(wěn)定，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作。

表1　系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

5　結(jié)束語(yǔ)

在本套系統(tǒng)中，完成了人體心率的采集與傳輸，通過(guò)采集到的結(jié)果通過(guò)液晶顯示屏給出一定的保健建議，使人們能夠時(shí)時(shí)刻刻的監(jiān)護(hù)到自己的健康狀況，同時(shí)也為“空巢老人”的健康防護(hù)起到了一定的防范作用。通過(guò)系統(tǒng)的測(cè)試，達(dá)到了我們所需要的目的。

［1］張迪，吳水才.心電遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究進(jìn)展［D］.北京：北京大學(xué)，2008.

［2］周星馳，周樟偉，陶大錦.人體生理信號(hào)采集系統(tǒng)［J］.電子世界，2012（04）.