基于智能穿戴的心率測量系統(tǒng)設計

摘要：針對傳統(tǒng)心率測量受專業(yè)知識和工作環(huán)境的限制，設計一種低功耗心率測量智能穿戴系統(tǒng)。該設計以STC15W401AS單片機為控制核心，采用NJL5303集成收發(fā)光電傳感采樣脈搏信號，經(jīng)二階帶通濾波放大處理后由微控制器處理得到心率值，通過藍牙無線通信將結(jié)果發(fā)送到手機端App軟件顯示。系統(tǒng)可開發(fā)為指套、手環(huán)、腳環(huán)和耳釘?shù)犬a(chǎn)品，在不影響使用者日?；顒拥那闆r下，可以長時間對心率值進行實時測量，具有較高的實用性。

【關鍵詞】智能穿戴 心率測量 光電傳感器藍牙通信 單片機

隨著國民生活水平的不斷提高，人們對健康的意識也不斷加強。受專業(yè)知識、儀器設備和工作環(huán)境等條件的限制，在醫(yī)院進行檢測身體指標的傳統(tǒng)方式已經(jīng)遠遠不能滿足日常生活自我保健的需求。為此提出一種基于智能穿戴的心率測量系統(tǒng)設計方案，以STC15W401AS單片機為控制核心，采用反射式光電傳感器為脈搏信號采集方法，通過將傳感單元佩戴于手指、耳垂等處，在不影響使用者日?；顒拥那闆r下，實時測量心率，并通過藍牙通信與智能手機互聯(lián)，將實時的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在智能手機上。

1 心率檢測方法

傳統(tǒng)的心率測量方法有心電圖信號法、壓電法等，受使用條件的限制，這些方法一般只在醫(yī)院臨床方而應用。光電容積脈搏描記法（PPG）是一種新的測量方法，被廣泛應用于智能穿戴設備上，傳感部件由光電發(fā)射器、接收器組成。根據(jù)該傳感部件與人體接觸部位不同有透射式和反射式兩種，其中透射式適合安放在人體組織比較薄的耳垂等位置，反射式則無此要求，使用更為靈活。反射式光電積脈搏法的工作原理是當脈搏隨心臟的搏動而呈現(xiàn)周期性變化時，動脈血管的容積也隨之呈現(xiàn)周期性的變化，利用人體組織在血管搏動時造成吸光率的不同進行心率測量。依據(jù)朗伯.比爾定律（Beer-Lambert），入射波長為X、光強為IO

藉此可知，當動脈血液容積變化時會導致接收光強成正比變化，從而將動脈容積變化率轉(zhuǎn)化為電流強度變化率，對該變化電流信號拾取可實現(xiàn)心率信號的檢測。

2 系統(tǒng)設計

若要在不影響使用者日?；顒拥那闆r下，能長時問實時測量心率，因此設計上要求結(jié)構巧、體積小、重量輕、攜帶方便，同時由于受使用環(huán)境的限制，應采用電池供電，故還要求系統(tǒng)耗電要低?？紤]到使用人群的不確定性，操作上應簡單明了，測試結(jié)果直觀。系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。系統(tǒng)通過反射式光電傳感器感知人體脈搏信號的變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過后級電路濾波、放大后輸入單片機內(nèi)部進行A/D轉(zhuǎn)換。在單片機內(nèi)部通過算法計算出人體實時心率、平均心率，并將結(jié)果通過藍牙通信傳輸智能手機顯示，實現(xiàn)人體脈搏心率實時監(jiān)測。

3 硬件設計

3.1 光電傳感器

使用反射式光電傳感器采集人體的脈搏信號并轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器分發(fā)射源、受光源兩部分。研究表明500-700nm光源光波對動脈血中氧紅蛋白有較好的選擇性，560nm波長光波能反映皮膚淺部的微動脈信號，適合用于提取脈搏信號。選用JRC公司NJL5303收發(fā)一體反射式光電傳感器，其發(fā)射光源波長570nm，體積尺寸僅為1.9×2.6×0.8mm。NJL5303發(fā)射管工作電壓設定為2V，工作電流設定為8mA，具體光電檢測電路如圖2所示。

3.2 信號處理電路

光電傳感器感知輸出的脈搏電信號非常微弱，且容易受到干擾，因此需進行濾波和放大。圖3為脈搏信號放大、濾波電路，主要以運算放大器為核心的2級結(jié)構完全相同的帶通濾波、放大電路構成。選用型號為MCP602運算放大器，其為軌到軌輸出的高精度運放，2.7-6V單電源供電，增益帶寬為2.8MHz。經(jīng)過C₁、R₁組成無源高通濾波器，濾除傳感器輸出信號V₀中的直流分量，UIA，R₂、C₂組成有源低通濾波器濾除V₀中包含50Hz在內(nèi)的高頻干擾并將其放大。該電路高通截止頻率f_H、低通截止頻率f_L、增益G分別為

UIB為核心組成第二級濾波放大電路，性能參數(shù)同UIA。兩級放大電路總的增益可達到10201（≈80db）。光電傳感器輸出的毫伏以下的信號到圖3電路后，經(jīng)Ul放大可輸出伏特級信號送后級電路處理。

3.3 USB充電電路

該設備采用鋰電池供電，通過USB口進行充電，設計由MCP73831組成的USB充電電路如圖4所示。MCP73831為單芯片鋰、鋰聚合物電池充電電路，SOT-23-5 5腳小尺寸封裝可選，充電電壓4.2～4.5V可選，充電電流通過外接電阻可在15mA-500mA編程設定。

3.4 主控電路

主控制電路控制器選用STC15W401AS新型8051內(nèi)核單片機，該單片機為增強型8051內(nèi)核單片機，可在2.5～5.5V寬電壓范圍工作，功耗低。單片機內(nèi)置512個字節(jié)SRAM數(shù)據(jù)存儲器，2KB個FLASH程序存儲器，8通道lObit A/D轉(zhuǎn)換器，使用串口IAP在線下載程序，SOP16腳封裝，體積小巧。設計主控電路如圖5所示，傳感器感知脈搏信號Vsensor輸入到單片機的Pl.0口，該口同時也是ADCO輸入引腳。

本設備不帶顯示單元，測量結(jié)果通過藍牙方式傳輸?shù)街悄苁謾C，通過在智能手機上運行App顯示測量結(jié)果。為實現(xiàn)與智能手機問的無線數(shù)據(jù)傳輸，主控電路設計藍牙接口連接XM-15B藍牙模塊。該藍牙模塊支持藍牙2.1協(xié)議，模塊無需編程，控制器通過串口給模塊發(fā)送Ar命令直接配置即可使用。

4 軟件設計

4.1 心率測算方法

心率有瞬時值測量和平均值測量。類似信號頻率測量法，通過在單位時問內(nèi)統(tǒng)計輸入脈搏信號的個數(shù)并通過公式計算后即可得到心率瞬時值I_HRendprint

I_HR= 60×T×N

（4）

式中T為單位時問1秒，N為單位時問統(tǒng)計的脈搏脈沖個數(shù)，單位為bpm（beat perminute）。此法受元件特性及外界干擾較大，可靠性差，統(tǒng)計測量時響應差，故測量精度度和魯棒性較差。兩相鄰脈搏波（R波）之問的問隔時問為脈搏周期T_HR，若f₀為頻率遠大于I_HR的脈沖，并以T_HR為閘門時問對f進行計數(shù)，計數(shù)值為N，顯然

依照（6）式編寫I_HR測量程序，實現(xiàn)思路為啟動單片機定時器定時（分辨率luS），V_sensor脈搏信號輸入單片機內(nèi)部比較器，當輸入信號幅度超過比較器設置閥值后比較器狀態(tài)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，將其整形為矩形波。比較器每次發(fā)生翻轉(zhuǎn)觸發(fā)中斷，通過中斷服務讀取定時器計數(shù)值，并與上一次讀取到的計數(shù)值相減后得到N，代入（6）式即可得到瞬時心率值I_HR，多次累加除權后可得到其平均值，程序流程圖如圖6所示。

5 結(jié)語

依據(jù)以上原理及電路設計實測模擬信號波形如圖7所示。本系統(tǒng)可以實時測量人體心率，結(jié)果及時顯示在智能手機上，數(shù)據(jù)信息讀取方便。將系統(tǒng)應用于智能穿戴設備之上，可以制作成手環(huán)、腳環(huán)等產(chǎn)品，亦可以制成耳釘或植入耳塞，具有體積小、成本低、實用價值高等特點。

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