腕帶式無線心率檢測儀設(shè)計(jì)*

周岳斌，楊 凱，陳家順

(1. 湖北文理學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北 襄陽 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 441053；3. 武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動化學(xué)院，湖北 武漢 430081)

腕帶式無線心率檢測儀設(shè)計(jì)*

周岳斌1,2，楊 凱1，陳家順2,3

(1. 湖北文理學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北 襄陽 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 441053；3. 武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動化學(xué)院，湖北 武漢 430081)

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)的腕帶式無線心率檢測儀。采用反射式光電傳感器SON1303檢測心率信號，通過硬件電路進(jìn)行模擬信號處理后，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)的無線通信。上位機(jī)軟件基于LabVIEW編寫，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于心率檢測更具便攜性和實(shí)用性。樣機(jī)測試表明，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所使用。

心率；藍(lán)牙；傳感器；無線

0 引言

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)問題就會危及生命。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。目前市場也有一些手環(huán)類智能產(chǎn)品具備心率檢測功能，但加入過多與智能手機(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儀，內(nèi)置藍(lán)牙模塊無線傳輸數(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所使用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

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，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換輸出為電信號，再由信號處理電路對該電信號進(jìn)行濾波整形，轉(zhuǎn)換為可供微處理器識別的脈沖電平信號；微處理器讀取外設(shè)信號，進(jìn)行數(shù)字信號處理和運(yùn)算；按鍵電路向微處理器傳遞操作信號，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

用于心率檢測的傳感器較多，對心率測試部位有不同要求[2]。如圖2所示，本設(shè)計(jì)采用SON1303反射式光電傳感器檢測心率信號，其內(nèi)部有兩對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的光。SON1303采用570 nm波長的綠光，與紅外光相比反射率更高，測量感度更高，同時(shí)也可提高信噪比。其內(nèi)部集成納米涂層環(huán)境光檢測傳感器，過濾不需要的光源，可減少由其他光源干擾的誤判動作。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接收的反光信號后經(jīng)內(nèi)部電路放大，由VOUT引腳輸出電壓信號。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。

圖2 心率傳感器與信號處理電路

2.2 信號處理電路

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

信號處理電路采用3個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先由前級運(yùn)放U5放大，再經(jīng)中級運(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，無需外部晶振和復(fù)位，片內(nèi)有大容量程序存儲器，并集成有兩個獨(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，與信號處理電路的輸出信號OUT1連接，OUT1每產(chǎn)生一個低電平到高電平的跳變信號，微處理器就會觸發(fā)定時(shí)器1中斷，記為一次心跳。微處理器的P1.7引腳連接信號處理電路的信號OUT2，通過內(nèi)部ADC通道可直接讀取OUT2的電壓數(shù)據(jù)。

圖3 微處理器及部分外圍電路

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顯示屏無需背光，功耗小，對比度高，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)，一個功能建，兩個方向鍵：左鍵和右鍵。長按功能鍵可進(jìn)入功能選擇菜單，兩個方向鍵可進(jìn)行功能選擇和參數(shù)調(diào)整，再次長按功能鍵退出。

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)開發(fā)的藍(lán)牙4.0串口透傳模塊，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]。

圖4 USB藍(lán)牙接口轉(zhuǎn)換電路

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，可對充電電流自動調(diào)節(jié)并自動控制充電過程[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。

圖5 電源電路圖

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)測量狀態(tài)有兩種方式，一種是按鍵選擇進(jìn)入測量功能菜單；另一種是在串口中斷服務(wù)程序中，由微控制器識別上位機(jī)通過藍(lán)牙發(fā)送的連續(xù)測量指令。顯示屏初始顯示時(shí)間，長按功能鍵時(shí)顯示功能菜單，通過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。

圖6 主程序流程圖

3.2 顯示程序設(shè)計(jì)

OLED顯示屏內(nèi)置一塊驅(qū)動芯片SSD1306，根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊提供的驅(qū)動流程和指令參數(shù)可編寫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127，Y軸最大值不超過32，可定義一個靜態(tài)數(shù)組存儲點(diǎn)的位置信息，當(dāng)所有需要顯示的數(shù)據(jù)位置信息存儲后，將其通過微處理器SPI接口寫入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位自動重裝初值的計(jì)數(shù)方式，T1的中斷服務(wù)子程序?qū)π盘柼幚黼娐份敵龅拿}沖信號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，可實(shí)時(shí)顯示、存儲心率數(shù)據(jù)和波形。設(shè)計(jì)采用while循環(huán)來使程序連續(xù)執(zhí)行，在前面板設(shè)有停止開關(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)組成一個子模塊，共包含8個節(jié)點(diǎn)，分別實(shí)現(xiàn)初始化串口、串口寫、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，需要一個十六進(jìn)制字符轉(zhuǎn)數(shù)值的程序塊來完成串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，供波形顯示器顯示時(shí)調(diào)用。

4 仿真與測試

信號處理電路是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，為驗(yàn)證其正確性，利用Multisim軟件對電路進(jìn)行仿真分析[8]。仿真結(jié)果表明，信號處理電路的后級輸出可將心率信號轉(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)測試。通過數(shù)字示波器觀測信號處理電路前級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)過后級整形放大，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)心率傳感器和信號處理電路工作正常后，逐步測試了系統(tǒng)的OLED顯示、按鍵處理、藍(lán)牙通信、上位機(jī)監(jiān)測等功能，測試結(jié)果表明上述功能均能有效運(yùn)行。上位機(jī)與系統(tǒng)通過藍(lán)牙連接后，可準(zhǔn)確測量心率，實(shí)時(shí)顯示心率走勢圖，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儀，硬件設(shè)計(jì)以STC15L2K60S2單片機(jī)為核心，心率信號檢測采用反射式光電傳感器SON1303，準(zhǔn)確度高，測量方式自由。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，對于人體心率的監(jiān)測十分便利和有效，可推廣應(yīng)用于其他可佩戴式電子產(chǎn)品和測量儀器，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

[1] 游菡萏，房玉，王海濱，等．基于PSoC4 的可視化心音采集系統(tǒng)[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(4)：81-84．

[2] 鄭誠，余珊南，祝永華，等．一種基于ARM的便攜式心率監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)[J]．微型機(jī)與應(yīng)用，2014，33(5)：27-29．

[3] 周秦武，隋芳芳，白平，等．嵌入式無接觸視頻心率檢測方法[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，47(12)：55-60．

[4] 蔣哲．?dāng)?shù)字式胎兒心率檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．昆明：云南大學(xué)，2014．

[5] 韋立明．基于USB通信設(shè)備類的虛擬串口研究與設(shè)計(jì)[D]．西安：西安電子科技大學(xué)，2013．

[6] 楊越．低功耗心率檢測儀設(shè)計(jì)[J]．電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)，2014(12)：10-13．

[7] 胡異丁，王林福，李少鵬，等．基于LabVIEW的無線心率測量系統(tǒng)[J]．電子技術(shù)，2014(3)：63-64，62．

[8] 梁俊虎．模擬電路仿真中建模技術(shù)研究[D]．北京：北方工業(yè)大學(xué)，2014．

Design of wrist-wear wireless heart rate detector

Zhou Yuebin1,2，Yang Kai1，Chen Jiashun2,3

(1. School of Mechanical & Automotive Engineering, Hubei University of Arts & Science, Xiangyang 441053, China;2. Collaborative Innovation Center of Hubei Province for Auto Parts Manufacturing Equipment Digitization, Xiangyang 441053, China;3.College of Mechanical Automation, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

Heart rate is an important physiological index to measure human health. In order to effectively detect the heart rate data, a wrist-wear wireless heart rate detector is designed based on low power consumption single chip microcomputer STC15L2K60S2. Adopting reflection type photoelectric sensor SON1303 to detect heart rate signal, using hardware circuit to perform analog signal processing, the single chip microcomputer runs software to complete heart rate calculation and data processing, and realizes wireless communication with the upper computer with the aid of CC2540 Bluetooth module. The upper computer software is programmed based on LabVIEW, which can implement the heart rate data monitoring and management. Wrist wearing and rechargeable lithium battery power supply are more portable and practical for heart rate detection. Prototype tests show that the design has good response speed and accuracy, and is suitable for home and office use.

heart rate; Bluetooth; sensor; wireless

襄陽市研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(襄科計(jì)[2014]12號/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

TP212.3

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.04.030

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

2016-09-21)

周岳斌(1973-)，通信作者，男，博士，副教授，主要研究方向：智能傳感、網(wǎng)絡(luò)化測控。E-mail: zybonly@163.com。

楊凱(1992-)，男，本科，主要研究方向：機(jī)電一體化。

陳家順(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)械測試技術(shù)。