基于互聯(lián)網(wǎng)的老人心率健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王籃儀

摘 要：文章基于老齡化進(jìn)程加快的社會現(xiàn)狀，重點(diǎn)對老人心率進(jìn)行檢測，運(yùn)用現(xiàn)階段的先進(jìn)技術(shù)結(jié)合傳感器以及顯示屏等模塊實(shí)現(xiàn)心率系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先，從系統(tǒng)工作原理、主控單元、傳感器模塊、信號采集電路、LCD1602顯示電路和報警電路5個方面入手，分析了系統(tǒng)的硬件模塊;其次，從主程序流程、中斷程序流程、顯示程序流程3個方面出發(fā)，分析了系統(tǒng)的軟件模塊;最后，根據(jù)呼吸與心跳關(guān)系結(jié)論，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：人口老齡化;生命安全;心率檢測

0? ? 引言

隨著人口老齡化進(jìn)程的加快，我國有三分之一老年人存在失落、孤獨(dú)、抑郁、焦慮等心理問題，六分之五老年人因生理功能的改變，各組織、器官儲備能力的減退，形成許多慢性疾病，比如，高血壓、冠心病、糖尿病等。如何提高廣大老年人生命安全的群體水平，已逐步引起了全社會的重視。基于此，本文設(shè)計(jì)老人心率健康監(jiān)測系統(tǒng)，以期提高老年人的健康水平[1]。

1? ? 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1? 工作原理

光電式的心率監(jiān)測系統(tǒng)是一種將光電傳感器作轉(zhuǎn)換器件，心率變化產(chǎn)生的紅外光經(jīng)過其轉(zhuǎn)換為電信號，然后對其進(jìn)行測量和顯示的設(shè)備。系統(tǒng)的組成包括光電傳感器、信號處理電路、單片機(jī)電路、數(shù)碼顯示和電源的等[2]。其中，光電傳感器是將紅外光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種轉(zhuǎn)換元件，在檢測過程中，通過ST188采集心率信號，然后將接收到的紅外光轉(zhuǎn)換為便于測量的物理量輸出，信號處理電路主要就是處理光電器所采集到的低頻信號然后將其放大、濾波整形的模擬電路。單片機(jī)自身就有定時中斷計(jì)數(shù)功能，可以對輸入的脈沖進(jìn)行運(yùn)算得出心率，設(shè)計(jì)電路實(shí)物如圖1所示。

當(dāng)手指放在光電傳感器上時，隨著心跳的變化，血管中血液的流動也會發(fā)生變化。手指放在光電傳感器的傳輸路徑上，當(dāng)紅外光照射進(jìn)手指內(nèi)發(fā)生反射時，由于血管中血液的濃度是在時刻變化著，從而光的反射程度也會發(fā)生變化，因此，和心跳的節(jié)奏相互對應(yīng)，光電傳感器中所接受到的電流也在跟著改變，使光電傳感器輸出脈沖信號。該信號經(jīng)過放大、濾波、整形后輸出，輸出的脈沖信號作為單片機(jī)外部中斷信號，電路對輸入的信號進(jìn)行計(jì)算處理后將結(jié)果送到數(shù)碼管顯示，當(dāng)被測量者的心跳頻率超出一定范圍時系統(tǒng)中的蜂鳴器就會報警[3]。

1.2? 主控單元

設(shè)計(jì)原計(jì)劃使用STM32為主控單元，但考慮到51單片機(jī)機(jī)也可以使用整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，故轉(zhuǎn)而使用51單片機(jī)來作為主控單元，51單片機(jī)系列有不同型號的芯片，外帶豐富多樣和功能靈活的輔助工具，并實(shí)現(xiàn)了全產(chǎn)品系列上的引腳兼容，為廣大單片機(jī)使用人員提供了更多的選擇性以及其創(chuàng)造力自由度釋放的相關(guān)幫助。

1.3? 傳感器模塊

傳感器的種類有很多，一般情況下，分為壓電式、聲電式、光電式。不同的傳感器有不同的傳感效果。綜合考慮各方面因素，本設(shè)計(jì)主是由紅外光電傳感器構(gòu)成，使用光電傳感器，能直接把人體脈搏信號轉(zhuǎn)換成電信號。人體指尖的動脈比較發(fā)達(dá)，因此，信號采集直接采集人體指尖信號。由于人體血液中有介質(zhì)，光在照射到人的皮膚表面時會透過血液產(chǎn)生反射，光電式檢測方法就是利用這一點(diǎn)，光電傳感器檢測人體內(nèi)血液時會對光產(chǎn)生反射和折射，通過透光率和反射率的不同將其轉(zhuǎn)換為電信號。光的折射和反射的不同，檢測的方法也不同，檢測方法分為對射式和反射式。對射式就是在一個手指大小的環(huán)的兩側(cè)各放置一個發(fā)射管和接收管，在使用時，將手指伸到環(huán)內(nèi)，由于手指皮膚下的血液是時刻流動的，發(fā)射管所發(fā)射出來的光經(jīng)過手指被接收管接收，從而光電流就隨之變化，反射式是指沒有接收管只有發(fā)射管，光電信號都指向一個方向，當(dāng)人身體血液流動時對光的折射也會發(fā)生改變，從而接收管接收到光信號，檢測出心率。但是這樣的檢測方法容易受到外界的干擾都比較大，傳感器的輸出信號較小，對后面的放大信號要求較高。

1.4? 信號采集電路

首先，紅外傳感器采集人體生物信號，人體的生物信號非常微弱，需經(jīng)放大器進(jìn)一步將其放大處理后，以高低電平的信號方式送入STC89C51單片機(jī)的I/O口，經(jīng)過單片機(jī)軟件對信號處理后，以數(shù)值形式顯示在液晶上。ST188是由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏光電晶體管組成，檢測可調(diào)節(jié)范圍較大，采用的是非接觸檢測方式。根據(jù)反射式紅外線電傳感器的原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，信號采集電路如圖2所示，電路主要的作用是限流。

1.5 LCD1602顯示電路

LCD1602液晶顯示也叫做字符型液晶顯示，主要是用來顯示字母、數(shù)字、符號和點(diǎn)等字符，因?yàn)槊课缓兔啃兄g有間隔，所以不能用來很好地顯示圖形，但是用來顯示字符還是很好的選擇。LCD1602液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)，在儀器儀表中被廣泛的使用。目前，字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件。

1.6? 報警電路

報警部分使用的是蜂鳴器，一端接上拉電阻，另一端連接PNP三極管的e端。當(dāng)蜂鳴器接收到高電平時，就會發(fā)出嘟的報警提示音。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時，出現(xiàn)生理參數(shù)超出正常范圍時，報警電路會發(fā)出嘟的響聲報警，等到傳輸?shù)纳頂?shù)值回到正常值時，重啟檢測儀器才能解除報警。

2? ? 軟件設(shè)計(jì)

2.1? 主程序流程

主程序流程如圖3所示。首先，程序的初始化部分，很重要的功能是清零重置，以確定是否輸入了信號。當(dāng)檢測到信號沒有輸入時，將顯示全零，表示心率監(jiān)測系統(tǒng)工作異常，如果不是，則說明功能正常。

程序中影響核心功能的一個部分是實(shí)現(xiàn)100 ms定時的功能，這主要是為了實(shí)現(xiàn)6 s采樣而設(shè)定。系統(tǒng)利用單片機(jī)計(jì)時器實(shí)現(xiàn)100 ms的計(jì)時，中斷程序啟動后，計(jì)數(shù)進(jìn)行累加，并判斷次數(shù)。如果樣本采集未達(dá)到60次，則返回繼續(xù)采樣，直到采集到60次的中斷，進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸出和顯示。

2.2? 中斷程序流程

中斷程序流程主要涉及單片機(jī)的兩個中斷功能。一個是單片機(jī)的定時器中斷，另一個是單片機(jī)的外部中斷功能。

定時器的中斷服務(wù)程序主要的功能是實(shí)現(xiàn)計(jì)時和是否需要進(jìn)行信號觸發(fā)。當(dāng)啟動定時器中斷后，測試時間設(shè)置為1 min，從第1 s計(jì)到第60 s，當(dāng)?shù)降?0 s時，中斷停止，保存測得的心跳次數(shù)，并進(jìn)行對按鍵的檢測。中斷部分主要實(shí)現(xiàn)的功能是60 s的定時功能，并且保存測得的心跳次數(shù)。

另一個是外部中斷服務(wù)功能。主要實(shí)現(xiàn)對外部信號的測量和計(jì)算。使用外部中斷方式設(shè)置中的下降沿觸發(fā)方式，當(dāng)檢測到一個脈沖信號，心跳次數(shù)就加一，同時，使用單片機(jī)內(nèi)部定時器控制實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)60 s，兩個功能結(jié)合實(shí)現(xiàn)累加1 min內(nèi)的心跳次數(shù)。心率的有效測量范圍為40～120次/分鐘。由于在測量過程中會有外界信號的干擾，所以在定時中斷程序中加入了對頻率大小的判斷，過濾掉對測量有影響的不在心率有效范圍內(nèi)的脈沖信號。

2.3? 顯示程序流程

顯示部分包括上一次心跳次數(shù)的顯示此次心跳次數(shù)的顯示。接收到中斷程序的結(jié)果后，將先顯示之前的心跳次數(shù)，經(jīng)過10 ms的延遲后，將顯示當(dāng)前測試到的心跳次數(shù)。

3? ? 呼吸與心跳關(guān)系結(jié)論分析

針對設(shè)計(jì)的心率檢測系統(tǒng)，進(jìn)行了實(shí)際的測試。測量人體平靜狀態(tài)下沒有運(yùn)動時的呼吸與心率，在測量之前保持身心平靜，不要做劇烈運(yùn)動，測量的結(jié)果如表1所示。

在測量完平靜狀態(tài)下的呼吸次數(shù)與心率的關(guān)系之后，就要測量一下在運(yùn)動狀態(tài)下時的呼吸與心率的次數(shù)，比較并討論運(yùn)動狀態(tài)下呼吸與心率的變化跟平靜狀態(tài)下呼吸與心率變化的區(qū)別，看兩種狀態(tài)下的身體呼吸和心率的數(shù)值各有什么不同。在高抬腿100次后的測量數(shù)據(jù)如表2所示。

綜合表1和表2分析可得，人體在運(yùn)動后呼吸的次數(shù)明顯相對于平靜時的呼吸次數(shù)有所提高，由此也可看出，在呼吸次數(shù)增加時，人的心率明顯有所增高，這就證明了呼吸的變化能影響心率的變化，呼吸與心率在運(yùn)動后呈現(xiàn)正相關(guān)的規(guī)律。

4? ? 結(jié)語

心率檢測儀器是一種常用的醫(yī)學(xué)檢測設(shè)備，準(zhǔn)確、有效的心率測量在監(jiān)控臨床治療技術(shù)等體育競賽等方面都有廣泛的應(yīng)用。但是在現(xiàn)實(shí)生活中，這種可以直接測量心率的設(shè)備并不常見，并且在非常老的城市和小型醫(yī)院中都使用原先的那種聽診器，極大地影響了效率和治療時間。更何況，當(dāng)今很多獨(dú)居老人，并不方便使用老式心率檢測儀，智能的心率監(jiān)測儀器更是必不可少。

[參考文獻(xiàn)]

[1]邵云龍，陳越.淺析智能傳感器技術(shù)[J].科協(xié)論壇，2011（7）：22-25.

[2]徐作華.淺談智能傳感器的典型應(yīng)用[J].科技資訊，2012（29）：44-45.

[3]梁威主.智能傳感器與信息系統(tǒng)[M]北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

（編輯 傅金睿）