人體脈搏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳亞環(huán)，王艷榮

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080）

人體脈搏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳亞環(huán)，王艷榮

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080）

基于實(shí)現(xiàn)人體心血管健康信息自主實(shí)時監(jiān)測的目的，采用以單片機(jī)為核心控制器并利用光電傳感器采集食指前端的脈搏信息的方法，提出了人體脈搏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。通過實(shí)際對人體脈搏監(jiān)測試驗(yàn)，得出該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)脈搏數(shù)的實(shí)時顯示，手動設(shè)置閾值，脈搏數(shù)超出閾值報(bào)警，同時可手動設(shè)置時間和鬧鐘定時等功能。通過人體脈搏監(jiān)測數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)診脈數(shù)據(jù)的對比試驗(yàn)，得出在誤差允許范圍內(nèi)所設(shè)計(jì)的人體脈搏監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)正確可靠。

光電傳感器；脈搏監(jiān)測系統(tǒng)；STC89C52；DS1302時鐘

自20世紀(jì)60年代以來，隨著生物傳感器的制造工藝和技術(shù)水平的不斷改進(jìn)和完善，使得其在國內(nèi)外醫(yī)療領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。隨著電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)水平的逐步提高，各種電子智能脈搏監(jiān)測系統(tǒng)在醫(yī)護(hù)中心、家庭以及戶外運(yùn)動中扮演著越來越重要的角色，其不僅僅是身體健康信息表現(xiàn)的一種重要載體，而且已然成為現(xiàn)代醫(yī)療中自主實(shí)施監(jiān)測健康信息化、數(shù)字化和簡易化的標(biāo)志。

由于計(jì)算機(jī)以及相關(guān)的微創(chuàng)技術(shù)、信息處理等技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得脈搏監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用日趨廣泛，而且更加平民化，與傳統(tǒng)的人為脈診或聽診方法相比優(yōu)勢明顯。首先，脈搏監(jiān)測系統(tǒng)不受人身因素的影響，測量數(shù)據(jù)精度高，檢測數(shù)據(jù)實(shí)時顯示，直觀易讀。其次，脈搏監(jiān)測系統(tǒng)可以用傳感器和可控制芯片及顯示屏簡單搭建，具有成本低廉、拓展性好、耗電量低、易操作、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。最后，脈搏監(jiān)測系統(tǒng)對空間大小的限制要求不大，可以隨身攜帶，階段性檢測或始終監(jiān)測，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、智能醫(yī)療實(shí)時監(jiān)測的基礎(chǔ)?；谝陨先c(diǎn)，近年來脈搏計(jì)的市場飛速發(fā)展，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在如醫(yī)院、家庭、健身所、保健中心、學(xué)校、體育場等。脈搏監(jiān)測系統(tǒng)也可融合血壓、血濃度等其他生命體征信息與無線技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)拓展為遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)⑹蔷薮蟮耐黄坪吞魬?zhàn)，有著巨大的社會效益。

文中通過調(diào)查研究人體脈搏監(jiān)測系統(tǒng)功能要求，確定人體脈搏監(jiān)測系統(tǒng)控制器應(yīng)具備的功能，從而設(shè)計(jì)出一款體積小易操作的人體脈搏監(jiān)測系統(tǒng)。此監(jiān)測系統(tǒng)利用光電傳感器，采集人的食指前端因心跳變化引起食指透光率的變化信息，此變化信息經(jīng)過處理后作為脈搏電信號成為控制芯片的輸入信號，對控制芯片編程生成脈搏數(shù)并驅(qū)動液晶顯示器顯示，同時具有脈搏異常報(bào)警功能，此系統(tǒng)也可與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合形成醫(yī)療設(shè)備網(wǎng)絡(luò)體系的一個模塊[3-5]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖如1圖所示。本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，主要完成對鍵盤的響應(yīng)、液晶顯示、時間讀取、測脈搏率等功能的控制，起到總控和協(xié)調(diào)各模塊之間工作的作用。單片機(jī)通過驅(qū)動蜂鳴器發(fā)響聲。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

在本系統(tǒng)電路中， 主控芯片選擇單片機(jī)STC89C52，內(nèi)存儲器系統(tǒng)由4 K的程序存儲器（掩膜ROM）和128 B的數(shù)據(jù)存儲器（RAM）組成。 STC89 C52有40個引腳，4個8位并行I/O口，1個全雙工異步串行口，同時內(nèi)部包含了5個中斷源，2個優(yōu)先級，3個16位定時/計(jì)數(shù)器，其功能可滿足本系統(tǒng)的信息處理要求。信號調(diào)理電路由兩部分功能電路構(gòu)成，其一為運(yùn)放LM358構(gòu)成的低通濾波放大電路，可實(shí)現(xiàn)對傳感器采集的脈搏信號進(jìn)行濾波放大；其二為施密特觸發(fā)器74HC14構(gòu)成的整形電路，可實(shí)現(xiàn)對信號的整形[6-7]。鍵盤模塊使用的是4位獨(dú)立按鍵，分別接單片機(jī)的P3.0、P3.1、P3.2、P3.3口。通過鍵盤設(shè)置數(shù)據(jù)，獨(dú)立按鍵程序要實(shí)現(xiàn)這樣的功能：功能控制按鍵key1每次按下都會執(zhí)行不同的功能；key2用來實(shí)現(xiàn)兩個功能：監(jiān)測停止和數(shù)值增加；key3同樣實(shí)現(xiàn)兩個功能：監(jiān)測開始和數(shù)值遞減；key4是時間功能鍵，用來選擇時、分、秒位和時間復(fù)位。DS1302時鐘電路采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能，也可以關(guān)閉充電功能，芯片采用32.768 KHz晶振。 單片機(jī)通過時序可以讀出時鐘芯片內(nèi)部的相關(guān)時間信息。LCD1602[8-9]液晶顯示電路是將LCD1602相應(yīng)端口與單片機(jī)IO連接，用STC89C52的P0口作為數(shù)據(jù)線，用P1.2、P1.1、P1.0分別作為LCD的EN、R/W、RS。其中EN是下降沿觸發(fā)的片選信號，R/W是讀寫信號，RS是寄存器選擇信號。蜂鳴器報(bào)警電路由蜂鳴器，電阻和三極管組成。5 V蜂鳴器需要較大的驅(qū)動電流，所以要利用三極管開關(guān)電路來驅(qū)動。電路中采用的8550是PNP型管，為了防止單片機(jī)輸出低電平時擊穿管子的發(fā)射極，在放大電路輸入回路接了一個1K的限流分壓電阻。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分主要分為計(jì)數(shù)器/定時器中斷、掃描按鍵控制、時鐘數(shù)據(jù)處理、驅(qū)動液晶顯示效果[10-12]。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。首先系統(tǒng)初始化，單片機(jī)上電后先進(jìn)行初始化，然后等待用戶按下對應(yīng)的按鍵并進(jìn)入對應(yīng)的功能。如果功能鍵按下則進(jìn)入設(shè)置鬧鐘和時間以及脈搏上下限等參數(shù)，否則判斷測量按鍵是否按下，按下則開啟定時器測量脈搏信號，在測量過程中時刻判斷用戶是否按下停止按鍵，按下的停止計(jì)數(shù)，否則繼續(xù)測量，測量完成后計(jì)數(shù)出等效一分鐘的脈搏次數(shù)，并顯示出來，然后判斷是否超過用戶設(shè)定的上限次數(shù)和下限次數(shù)，有則驅(qū)動蜂鳴器報(bào)警，沒有則取消報(bào)警。脈搏率的計(jì)算是利用計(jì)數(shù)器T0在定時器T2定時15 s內(nèi)對脈沖計(jì)數(shù)，然后乘以4得到一分鐘的脈搏數(shù)。LCD1602是2*16的液晶顯示，根據(jù)本系統(tǒng)的功能，其應(yīng)該顯示脈搏的上、下限值和每分鐘脈搏數(shù)，考慮附加功能要帶有時鐘，則還應(yīng)顯示實(shí)時時間、鬧鐘設(shè)置、時間復(fù)位等內(nèi)容。首先先調(diào)用液晶自定義的字庫，設(shè)置好DDRAM地址后在第一行顯示，然后根據(jù)程序中的數(shù)據(jù)設(shè)置顯示數(shù)據(jù)的首地址并設(shè)置循環(huán)量，在循環(huán)過程中不斷的取字符代碼直到終止，第二行的顯示過程同一行的顯示過程一樣，兩行顯示完畢后便結(jié)束初始化程序。 時鐘數(shù)據(jù)處理過程是這樣的，開始時單片機(jī)先給時鐘芯片復(fù)位端置1，這時可以對時鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，寫入一位命令后給SCLK輸入時鐘信號，進(jìn)入循環(huán)，直到8次循環(huán)結(jié)束，表示命令字節(jié)發(fā)送完；接著給時鐘芯片寫入數(shù)據(jù)，同寫命令過程一樣，直至數(shù)據(jù)全部寫入后復(fù)位引腳置0。掃描按鍵控制中設(shè)置了兩個變量，分別是gFC和gTC，作為功能鍵標(biāo)志和時間移位標(biāo)志。功能鍵每次按下gFC加1，對應(yīng)值下會有相應(yīng)的執(zhí)行功能；gTC是時間功能按鍵按下的計(jì)數(shù)，用來實(shí)現(xiàn)關(guān)于時間的設(shè)置。本系統(tǒng)使用C語言編程，在Keil下編譯，下載到單片機(jī)中進(jìn)行硬件測試[13-14]。

3 硬件系統(tǒng)測試結(jié)果

圖3為脈搏信號采集放大整形后的波形圖，圖4為系統(tǒng)硬件電路測試圖，顯示內(nèi)容分別為時間、每分鐘脈搏數(shù)和脈搏上下限。在測試中，將食指前端放在傳感器上即可測出脈搏數(shù)。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖3 整形后的波形圖

圖4 人體脈搏監(jiān)測系統(tǒng)

4 結(jié)束語

文中完成了基于單片機(jī)控制的脈搏監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)和硬件電路焊接調(diào)試。調(diào)試結(jié)果表明系統(tǒng)電路板的顯示效果良好，電路拓展性高。由于本系統(tǒng)利用人的食指采集脈搏信息，使用方便，因此可廣泛運(yùn)用于實(shí)際生活中的各種場合，如健身所、保健中心、學(xué)校醫(yī)務(wù)室以及家中等，實(shí)現(xiàn)對脈搏的自主實(shí)時監(jiān)測，在此設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合可以形成醫(yī)療設(shè)備網(wǎng)絡(luò)體系[15-16]。

[1]潘佚.基于C8051F040單片機(jī)的動態(tài)血糖監(jiān)測系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（10）: 155-157.

[2]張玲娜，魏娜，馬艷.生物傳感器在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)模式中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（20）:131-135.

[3]李瑞昌，廖璠.基于體域網(wǎng)的醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（17）:49-51.

[4]繆鵬程，孫鳳飛.無線遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（6）:27-30.

[5]徐玉炎，明軒，張瑞.基于WSN的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015，23（2）:1-4.

[6]兀偉，王航宇.多種溫度傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（22）:73-75.

[7]孔祥金，劉軍.心電信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（15）:121-123.

[8]劉樹中，孫書膺，王春平.單片機(jī)和液晶顯示驅(qū)動器串行接口的實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（1-2）:137-138.

[9]劉翼，王新安，林豐成.LCD驅(qū)動中調(diào)制算法的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2007，24（4）: 32-34.

[10]代曉倩，尤志堅(jiān).單片機(jī)軟件中斷測試技術(shù)研究[J].電腦知識與技術(shù)，2015，11（11）:195-196

[11]李莉.51系列單片機(jī)軟件抗干擾設(shè)計(jì)方法[J].電腦知識與技術(shù)，2013，8（15）:3725-3727.

[12]陳瑞森.基于流程圖編程的單片機(jī)軟件系統(tǒng)開發(fā)[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2013，3（4）:95-96.

[13]宋芳，簡力.AT89系列單片機(jī)的測試技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2013，43（1）:103-105.

[14]胡勇，李軒冕，賀志容.單片機(jī)測試向量生成技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2010，38（9）:90-92.

[15]沈建華.物聯(lián)網(wǎng)時代的MCU與無線互聯(lián)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（9）：1-3.

[16]朱勇，張超，邱天爽.基于醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的多參數(shù)生命監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程，2014，33（3）:275-280.

Design of human pulse monitoring system

CHEN Ya-huan，WANG Yan-rong
（Information Engineering College of Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010080，China）

Based on the purpose of realizing the real-time monitoring of human cardiovascular health information，the design scheme of human pulse monitoring system using MCU as the core controller and photoelectric sensor to collect the pulse information of the index finger is proposed.Through the practice of human pulse monitoring test，the system can realize the real-time display of the pulse number，manual setting threshold when the pulse number beyond the threshold will alarm，and manually set clock timing.Through the contrast test of human pulse monitoring data with the traditional pulse data，the data of human pulse monitoring system designed is correct and reliable in the range of the error data.

photoelectric sensor；STC89C52；Pulse monitoring system；DS1302 clock

TN79

：A

：1674－6236（2017）01-0179-03

2015-12-15稿件編號：201512157

陳亞環(huán)（1992—），女，內(nèi)蒙古赤峰人。研究方向：通信工程及應(yīng)用。