家用心率監(jiān)護(hù)與預(yù)警裝置設(shè)計(jì)

閉瓊元 陳劍雪 張琳珊 焦世恒 宗瑪?shù)? 袁榮浩

摘要：本次主要介紹以aduino Mega 2560芯片為核心，配合外圍電路，利用MAX30100傳感器來進(jìn)行心率監(jiān)測(cè)及預(yù)警的實(shí)際設(shè)計(jì)過程。同時(shí)MAX30100芯片傳感器屬于I2C接口器件，故在程序開發(fā)中，采用I2C接口協(xié)議進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：Mega 2560；MAX30100；傳感器；FIFO寄存器；I2C

一、引言

心臟是人體發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)人體健康至關(guān)重要。如何早期覺察“發(fā)動(dòng)機(jī)”出了故障，及時(shí)檢修，保證其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，已經(jīng)成為一項(xiàng)不可忽略的保健措施。心臟病發(fā)病時(shí)常具有突發(fā)性和一過性的特點(diǎn)，如果發(fā)現(xiàn)不及時(shí)將會(huì)危及生命。而心率反映著心臟功能，所以可以通過監(jiān)測(cè)心率來反映心臟功能。此次項(xiàng)目設(shè)計(jì)的“家用心率監(jiān)護(hù)與預(yù)警裝置”可以檢測(cè)心率是否在正常范圍、以及監(jiān)測(cè)心率異常增高、心臟停搏等。利用血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中穿透性要比在血液中大幾十倍的特點(diǎn)，可通過光電容積法制成的脈搏傳感器，通過對(duì)手指末端透光度的監(jiān)測(cè)，間接檢測(cè)出脈搏信號(hào)。光電式脈搏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、可重復(fù)好等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)光電容積法原理，從改善光源、消除景光噪聲、電磁屏蔽和提高信噪比四個(gè)方面出發(fā)，研究改進(jìn)方法，對(duì)提高使用的靈活性和準(zhǔn)確度有著重大意義。通過光電傳感器對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)智能化的脈搏測(cè)試技術(shù)。人正常心率范圍在60到100次，當(dāng)心率低于60或者高于100時(shí)心率可能存在異常，當(dāng)心率可能發(fā)生異常時(shí)，我們所設(shè)計(jì)的家用心率監(jiān)護(hù)與預(yù)警裝置可以起到及時(shí)報(bào)警的作用。

二、設(shè)計(jì)方案

1、裝置組成及工作原理：

此設(shè)計(jì)以單片機(jī)aduino Mega 2560為核心，由心率傳感器MAX300100采集脈搏信號(hào)。當(dāng)一定波長的光束照射到指端皮膚時(shí)，光束將通過透射或反射方式傳送到光電接收器，在此過程中，LED光射向皮膚，透過皮膚組織反射回的光被光敏傳感器接受并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，簡化過程：光--->電--->數(shù)字信號(hào)。由于動(dòng)脈對(duì)光的吸收有變化而其他組織對(duì)光的吸收基本不變，得到的信號(hào)就可以分為直流DC信號(hào)和交流AC信號(hào)。提取其中的AC信號(hào)，就反映出血液流動(dòng)的特點(diǎn)。而MAX30100芯片有兩個(gè)LED燈，內(nèi)部集成ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過優(yōu)化的光學(xué)器件和低噪聲模擬信號(hào)處理器，檢測(cè)脈搏血氧及心率信號(hào)。采集到的信號(hào)為脈沖信號(hào)，以該脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)交由單片機(jī)進(jìn)行脈沖周期的計(jì)算，然后得到每分鐘的心率，若測(cè)量數(shù)據(jù)超過正常范圍（小于60次或大于100次），報(bào)警器就會(huì)報(bào)警。

2、各電路模塊：

三、軟硬件設(shè)計(jì)

軟件介紹：Arduino集成開發(fā)環(huán)境（或是Arduino IDE）包含了一個(gè)用于寫代碼的文本編輯器、一個(gè)消息區(qū)、一個(gè)文本控制臺(tái)以及一個(gè)帶有常用功能按鈕和文本菜單的工具欄。軟件連接Arduino和Genuino之后，能給所連接的控制板上傳程序，還能與控制板相互通信。

主控制器模塊：主控制器使用Aduino Mega2560單片機(jī)。Arduino Mega2560是采用USB接口的核心電路板，具有54路數(shù)字輸入輸出，適合需要大量IO接口的設(shè)計(jì)。處理器核心是ATmega2560，它的接口齊全，一個(gè)就能滿足多種需要，這給我們省去了很多不必要的麻煩。Arduino Mega2560可以通過3種方式供電，而且能自動(dòng)選擇供電方式：外部直流電源通過電源插座供電、電池連接電源連接器的GND和VIN引腳、USB接口直接供電。這里我們使用連接3.3V的GND和VIN引腳。

傳感器模塊：這里我們使用MAX30100心率傳感器，集成有兩個(gè)LED燈，一個(gè)光檢測(cè)器，優(yōu)化光學(xué)和低噪聲的仿真信號(hào)處理，以檢測(cè)脈搏血氧飽和度和心臟速率信號(hào)。只要將手指頭緊貼在傳感器上，就能估計(jì)脈搏血氧飽和濃度及脈搏（相當(dāng)于心跳）。兩個(gè)LED發(fā)出波長的光，即紅色和紅外。發(fā)射的光線可透過人體內(nèi)的單組織點(diǎn)。先由響應(yīng)紅色和紅外光線的單個(gè)光電二極管接收光線，然后由互阻放大器產(chǎn)生正比于接收光強(qiáng)的電壓。紅色和紅外LED通常采用時(shí)間復(fù)用的方式，因此相互間不會(huì)干擾。環(huán)境光線經(jīng)估計(jì)將從每個(gè)紅色和紅外光線中扣除。測(cè)量點(diǎn)包括手指、腳趾和耳垂。因?yàn)橹付似つw最薄，所以我們的實(shí)際操作在指端進(jìn)行。由于MAX30100芯片的硬件設(shè)計(jì)，基本存在對(duì)時(shí)鐘延時(shí)的需要，當(dāng)延時(shí)積累超出一定范圍時(shí)，對(duì)時(shí)鐘中斷的設(shè)計(jì)要求則不得不通過補(bǔ)償方式???，不斷調(diào)試修正。

報(bào)警模塊：報(bào)警器為蜂鳴器，由單片機(jī)控制當(dāng)所測(cè)心率低于60或大于100時(shí)，則蜂鳴器報(bào)警。

顯示模塊：采用RS485串口表LED數(shù)碼管顯示屏232/TTL顯示模塊。單片機(jī)Mega2560可以通過RS485總線、RS232或者TTL接口發(fā)送指令控制顯示屏的顯示內(nèi)容。顯示屏上面的數(shù)據(jù)來自于MAX30100的兩個(gè)LED燈。顯示器支持常用的ASCII協(xié)議。可顯示整數(shù)小數(shù)、負(fù)號(hào)、小數(shù)點(diǎn)等ASCII字符，是市面上支持ASCII字符最全面的一款數(shù)碼顯示器。

四、難點(diǎn)突破

MAX30100心率傳感器的通訊是I2C的通訊，在通訊過程中要注意一個(gè)點(diǎn)，就是在進(jìn)行讀操作時(shí)，讀出一個(gè)寄存值后給予ACK，讀寄存器的指針會(huì)自動(dòng)加一，但有一個(gè)例外就是FIFO寄存器（0X50）。SCL、SDL都要4.7K上拉電阻，要外接一個(gè)，而且電壓不宜過大，以免燒壞芯片！用3.3V電壓是比較合適的。兩個(gè)LED的電流不要設(shè)成最大的值，否則讀出來的值都是0xffff。在數(shù)據(jù)處理方面，Aduino代碼燒錄完成后，模擬出來的數(shù)據(jù)不是0就是255，??我們使用一個(gè)示波器，檢查時(shí)序有沒有錯(cuò)誤，以及觀察器件通信時(shí)器件有無反應(yīng)，一步步發(fā)現(xiàn)并解決問題，而不是單純靠瞎猜。在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，使用IR（紅外）讀出的心跳值會(huì)比較大，所以使用IR的數(shù)據(jù)作為測(cè)心率的標(biāo)準(zhǔn)。在程序基本完成時(shí)，因?yàn)橐趯?shí)際環(huán)境中完成心率數(shù)據(jù)的采集及處理，所以在硬件的調(diào)試中，一定要根據(jù)實(shí)際測(cè)的數(shù)據(jù)，計(jì)算測(cè)量誤差，然后不斷調(diào)節(jié)程序，以使測(cè)出的心率與實(shí)際心率貼合。

五、收獲體會(huì)

參加本次項(xiàng)目實(shí)踐是一次收獲很大的經(jīng)歷。經(jīng)過小組成員的團(tuán)結(jié)協(xié)作，我們終于完成了項(xiàng)目要求。人們都說大學(xué)是培養(yǎng)解決問題能力的階段，在實(shí)踐之中我們培養(yǎng)了個(gè)人獨(dú)立思考能力。在項(xiàng)目實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并解決問題。最重要的是我們?cè)鰪?qiáng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，做完這個(gè)項(xiàng)目之后，我們的眼界更開闊了，本次項(xiàng)目成為我們?nèi)松械囊还P財(cái)富。

參考文獻(xiàn)：

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[2]Dale Wheat.Arduino技術(shù)內(nèi)幕[M].北京：人民郵電出版社，2013：57-59

作者簡介：閉瓊元，男，上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院自動(dòng)化系學(xué)生。