基于單片機的人體脈搏測量系統(tǒng)設(shè)計

吳猛

摘要：為了滿足根據(jù)人體健康監(jiān)測的需要，本文設(shè)計一套以STC89C51RC單片機為控制核心的脈搏測量儀。系統(tǒng)采用光電傳感器采集人體脈搏信息，經(jīng)輸入通道處轉(zhuǎn)換成同頻率的脈沖信號送往單片機，利用單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)功能對采集的脈搏進行核心處理，在短時間內(nèi)，測出人體的脈搏數(shù)，并將按照指令將心率進行顯示或者通過無線模塊進行傳輸，采用GSM SIM900A通信模塊發(fā)送到監(jiān)控人員的移動設(shè)備。系統(tǒng)具有功耗低、體積小、測量準確等特點。

關(guān)鍵詞：STC89C51RC單片機 脈搏 無線通信 監(jiān)控

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0168-02

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，帶動了各行業(yè)的進步，生命科學(xué)與信息科學(xué)技術(shù)的緊密相連，為人類的健康監(jiān)測提供了更便利的條件。脈搏值是人體健康的一個重要參數(shù)，它承載著豐富的人體健康狀況信息，脈診是中醫(yī)學(xué)中最具特色的診斷方法，早在中國古代就已經(jīng)出現(xiàn)了通過判斷脈搏的跳動來診斷患者病情的先例。結(jié)合實踐，為了讓醫(yī)生或其他監(jiān)測人員能夠?qū)崟r的掌握患者的脈搏信息，了解患者心率狀況，及時探測到病因、病位，使患者得到及時的救治，設(shè)計一套便于攜帶、測量精準并能快速上傳給監(jiān)測人員的人體脈搏監(jiān)測系統(tǒng)具有一定的臨床意義。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

脈搏測量儀是通過采集人體脈搏的變化而引起的一些生物信號，然后將信號的生物信號轉(zhuǎn)換為物理信號，用這些變化的物理信號來表達人體的脈搏變化，最后要得到每分鐘的脈搏次數(shù)，就需要通過相應(yīng)的硬件電路和芯片來處理物理變化并存儲脈搏數(shù)。本系統(tǒng)主要由光電傳感器、信號處理電路、單片機處理單元、顯示單元、SIM900A無線通信模塊、報警電路、按鍵控制電路和手機終端組成。人體脈搏測量儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)采用單片機STC89C51RC作為核心部件，通過其內(nèi)部定時/計數(shù)器對脈搏進行計算，轉(zhuǎn)換成心率進行顯示，通過通信模塊上傳到移動設(shè)備，實現(xiàn)人體心率監(jiān)控。

光電傳感器采集人體脈搏信號，經(jīng)過程通道放大、變換處理，傳送至單片機，單片機將脈搏信號進行實時處理之后，通過SIM900A無線通信模塊將所采集到的脈搏信息傳送至監(jiān)測人員的移動設(shè)備上，從而使監(jiān)測人員可以非常及時、準確的掌握測試者的脈搏的基本信息，給出相應(yīng)的治療方案。

2 硬件設(shè)計

2.1 脈搏信號采集電路設(shè)計

本系統(tǒng)中脈搏信號采集使用單光束反射式紅外光電傳感器ST188，ST188采用高發(fā)射功率紅外發(fā)光二極管和高靈敏度雙光電晶體管，是一種非接觸式測量方式元件。其檢測距離在4～13mm范圍內(nèi)可調(diào)，在紅外檢測方面應(yīng)用非常廣泛。具有體積小、價格低、使用方便、質(zhì)量可靠的優(yōu)點。ST188內(nèi)含一個反射模塊和一個接收模塊共A、K、C、E四個引腳。通過發(fā)射紅外信號，由接收到的信號變化情況判斷檢測物體狀態(tài)的變化。A、K之間是發(fā)光二極管，C、E之間是光敏三極管。該傳感器使用+5V電源供電，光源和光敏原件被至于被測指尖的下方，接收的是漫反射回來的光，此信號可以精確地測得血管內(nèi)容積變化。ST188光電傳感器的發(fā)光二極管發(fā)射出光線，光敏三極管對血壓變化所引起的通光率變化做出相應(yīng)，從而采集到脈搏信號并將所采集到的脈搏信號輸出。脈搏信號采集電路如圖2所示。

2.2 信號的調(diào)理及轉(zhuǎn)換

光電傳感器采集的脈搏信號比較微弱，通常只有幾個毫伏，并伴隨很大的噪聲干擾，不能直接進入單片機，需要經(jīng)過信號處理環(huán)節(jié)調(diào)理成單片機識別和易于接受的信號。信號調(diào)理單元可以實現(xiàn)脈搏信號放大、濾波及信號模式的轉(zhuǎn)換。

本設(shè)計中濾波電路由高通濾波和二階低通濾波兩部分組成，主要濾去市電干擾及肌電干擾。人體脈搏信號為0.5～25HZ，正常人的脈搏信號在1.33HZ左右，低通濾波截至頻率設(shè)定為25HZ；為了過濾患者呼吸引起的基線漂移信號，高通濾波下限截至頻率設(shè)定為0.5HZ左右；選用低漂移、高輸入阻抗運放LM358對脈搏信號放大。

經(jīng)過濾波電路處理的信號經(jīng)放大后送至比較器，由于滯回比較器相對于單限比較器具有一定的抗干擾能力，所以選用滯回比較器。采用LM358作為比較器，將采集到的模擬信號變?yōu)橥l率的方波或矩形波。比較器的原理是當(dāng)放大后的電壓大于基準電壓時輸出低電平，否則輸出高電平，這樣就會產(chǎn)生一個直流方波信號并傳送到單片機。單片機進行計數(shù)后將之轉(zhuǎn)換為一分鐘的脈搏數(shù)，之后進行顯示。

2.3 SIM900A無線通信模塊

為了能及時有效掌握患者心率狀況，本測量儀采用了SIM900A無線通信模塊，該模塊具有語音通話、短信收發(fā)、GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)、彩信收發(fā)功能。 SIM900A采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，采用功能強大的處理器ARM9216EJ-S內(nèi)核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發(fā)要求。當(dāng)單片機處理完脈搏采集電路采集到的脈搏信號后，如果測量結(jié)果超過系統(tǒng)設(shè)定的結(jié)果，單片機就會開啟SIM900A無線通信模塊，將使用者的脈搏信息傳送至監(jiān)測人員的移動設(shè)備上。由于本次設(shè)計采用的是GSM無線傳輸，所以受距離影響較小，只要有GSM無線通訊網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)傳輸功能。使用時上電接地后，只需將SIM900A無線通信模塊的TXD、RXD分別連接單片機的P3.1、P3.0口即可。

3 軟件設(shè)計

軟件程序包括主程序和子程序。主程序是整個單片機系統(tǒng)的靈魂。系統(tǒng)上電復(fù)位后，啟動主程序，系統(tǒng)按照預(yù)定的方式進行運行，單片機會自動對系統(tǒng)各個模塊進行初始化，按照功能要求，開中斷、調(diào)用功能子程序，計算心率，送到LED顯示，或上傳給監(jiān)測人員。脈搏采集電路進行脈搏數(shù)據(jù)得采集，當(dāng)脈搏數(shù)據(jù)采集成功后傳送至單片機，單片機處理成功后會按照指令將采集到的數(shù)據(jù)進行顯示或者通過無線模塊進行傳輸，主程序流程如圖3所示。

脈搏采集子程序完成脈搏信號的采集、處理。當(dāng)執(zhí)行脈搏采集子程序時，系統(tǒng)通過ST188光電傳感器進行脈搏的數(shù)據(jù)采集，當(dāng)數(shù)據(jù)采集成功之后，采集到的脈搏信號經(jīng)過濾波、放大、比較等一系列處理后將所采集到的信號發(fā)送至單片機，單片機將收到的脈搏數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送至顯示模塊及通信模塊。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一款基于STC89C51RC的便攜式脈搏測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)人體的脈搏參數(shù)的快速測量，并可以實現(xiàn)異常報警。本系統(tǒng)具有小巧、便攜等特點，誤差范圍±2次/分鐘左右，完全可以滿足個人或醫(yī)院等場所的日常使用，具有一定的應(yīng)用價值。

參考文獻

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