嬰幼兒心率檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳正玲 陳躍元

（1、吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林132022 2、丹東東方測控技術(shù)股份有限公司，遼寧 丹東118000）

隨著生活水平的提高，人們越來越重視醫(yī)療保健問題，尤其是嬰幼兒的醫(yī)療保健問題更是一個(gè)家庭乃至一個(gè)家族的重中之重。心率無疑是嬰幼兒生命體征的一個(gè)最重要的指標(biāo)。隨著電子技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，醫(yī)學(xué)測試儀器產(chǎn)品種類非常繁多，但是專門針對嬰幼兒而設(shè)計(jì)的安全、易操作、低成本，適合家庭使用的檢測器比較少見。因此，有必要開發(fā)一種針對于嬰幼兒的便攜式心率檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由主控模塊、心率測量模塊、溫度測量模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、藍(lán)牙通信模塊等組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

當(dāng)心率模塊檢測到相應(yīng)的信號時(shí)，控制器結(jié)合溫度傳感器檢測出溫度，控制器按照算法測量出心率的大小，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由單片機(jī)控制器進(jìn)行處理，并且通過顯示模塊顯示出具體數(shù)值，同時(shí)通過藍(lán)牙通信模塊將檢測到的心率和溫度信息傳送至監(jiān)護(hù)者手機(jī)。通過按鍵可以設(shè)置報(bào)警的上下限，當(dāng)測量的心率大于或小于正常值，控制器讓報(bào)警電路工作，發(fā)出報(bào)警。

2 硬件電路

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，主控模塊采用STC89C51 單片機(jī)；心率采集模塊采用Pulse Sensor 心率脈搏傳感器和LM393 比較電路實(shí)現(xiàn)；溫度測量模塊采用DS18B20 溫度傳感器；顯示模塊采用LCD1602 液晶顯示屏；報(bào)警模塊采用蜂鳴器報(bào)警電路。由于各部分電路比較典型，這里不多做贅述，著重介紹心率脈搏傳感器模塊電路。

Pulse Sensor 脈搏心率傳感器它實(shí)質(zhì)上是一種光學(xué)心臟速率傳感器，集成了一個(gè)放大電路和一個(gè)噪聲消除電路，通過一個(gè)二極管在光電傳感器的一側(cè)進(jìn)行發(fā)光。當(dāng)心率脈搏發(fā)生脈沖變化時(shí)，可通過指尖的透射光的強(qiáng)度進(jìn)行檢測嬰幼兒心率。其中三個(gè)引腳分別為VCC、GND、輸出接口，脈搏心率傳感器輸出的波形如圖2 所示。

圖2 心率脈搏傳感器輸出波形圖

Pulse Sensor 脈搏心率傳感器模塊的接口電路圖如圖3 所示。

圖3 心率脈搏傳感器接口電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要由主程序、心率測量子程序、溫度測量子程序、報(bào)警子程序、通信程序等。主程序函數(shù)將心率脈搏傳感器、溫度傳感器、報(bào)警模塊等原件聯(lián)系到一起，程序開始后首先執(zhí)行各模塊所需通信I/O、定時(shí)器、中斷等的初始化程序，接著溫度檢測子程序開始測量溫度，看溫度是否檢測到，讀取到了溫度，系統(tǒng)開始調(diào)用嬰幼兒心率監(jiān)測子程序，檢測是否讀取到心率，讀取到心率之后，調(diào)用報(bào)警電路，并反饋給顯示電路。通過檢測完成后，單片機(jī)的定時(shí)器會停止工作，通過讀取定時(shí)器的數(shù)據(jù)，進(jìn)而反饋到液晶顯示屏，即可知道整個(gè)測量過程的時(shí)間、測量的溫度，幼嬰兒的心率值。當(dāng)測量的心率值低于報(bào)警值（80 次/分鐘）時(shí)或超過報(bào)警值（150 次/分鐘）時(shí)，系統(tǒng)的報(bào)警電路會發(fā)出警告聲。主程序流程圖如圖4 所示。

圖4 主程序流程圖

4 測試結(jié)果

系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)物圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)物圖

完成了前文所述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及傳感器參數(shù)測量，在進(jìn)行最終進(jìn)行數(shù)據(jù)測試時(shí)，挑選了4 名嬰幼兒參與了系統(tǒng)測試。系統(tǒng)經(jīng)過多次測試與改進(jìn)，由于篇幅有限，僅給出4 次測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

通過上述數(shù)據(jù)觀察分析，得出結(jié)論：前兩組所測的心率數(shù)據(jù)符合誤差范圍,而后兩組所測的心率數(shù)據(jù)與實(shí)際測量相同，測試的數(shù)據(jù)都沒超過設(shè)置的正常心率值，所以設(shè)計(jì)系統(tǒng)沒有發(fā)生報(bào)警。從而說明系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測出嬰幼兒心率值，且運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果

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5 結(jié)論

該系統(tǒng)各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)方式簡單，容易操作使用。設(shè)計(jì)具有心率檢測功能，用本設(shè)計(jì)所檢測的心率與實(shí)際心率進(jìn)行比較，所測的心率結(jié)果幾乎一致，誤差都在3 次/分鐘以下；設(shè)計(jì)具有顯示功能，顯示屏能準(zhǔn)確無誤地顯示時(shí)間、心率值、溫度值等信息，并且能儲存所測得的信息；設(shè)計(jì)具有異常報(bào)警功能，當(dāng)所測得的心率低于正常的心率下限或超過正常的心率上限時(shí)，報(bào)警電路能及時(shí)工作，發(fā)出報(bào)警聲音來給測試心率的人進(jìn)行反饋提示；設(shè)計(jì)具有溫度檢測功能，溫度模塊能實(shí)時(shí)檢測出所測的溫度值，并且能通過顯示屏顯示給測試的人；具有與手機(jī)通訊功能，設(shè)計(jì)可以將所測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過藍(lán)牙傳輸反饋給監(jiān)護(hù)者手機(jī)。設(shè)計(jì)的嬰幼兒心率檢測系統(tǒng)使用安全、操作方便、成本低廉、運(yùn)行穩(wěn)定，適合普通家庭使用的。