胡異丁，歐進(jìn)發(fā)，鐘滔

（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

基于LabVIEW的無(wú)線心率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

胡異丁，歐進(jìn)發(fā)，鐘滔

（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種無(wú)線心率測(cè)量系統(tǒng)，采用HKG-07B紅外脈搏傳感器采集心電信號(hào)，信號(hào)經(jīng)放大、濾波、整形、AD轉(zhuǎn)換后通過(guò)LED顯示心率，并通過(guò)無(wú)線發(fā)送到PC終端，在終端信號(hào)經(jīng)LabVIEW采集、顯示、存儲(chǔ)心率波形。系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示心率，并可以隨時(shí)調(diào)用心率波形。系統(tǒng)體積小，測(cè)量準(zhǔn)確，適用于家庭以及社區(qū)的醫(yī)療保健。

心率測(cè)量；無(wú)線監(jiān)測(cè)；單片機(jī)；LabVIEW

隨著社會(huì)發(fā)展，獨(dú)居老人越來(lái)越多，很多老年人在家中去世多日才被發(fā)現(xiàn)，雖然很多社區(qū)已經(jīng)啟用“呼叫器”等工具報(bào)警，但是這些都是需要獨(dú)居老人主動(dòng)實(shí)施，不利于緊急情況下的救治，心率測(cè)量是常用的醫(yī)學(xué)檢查項(xiàng)目之一[1]，是人體健康監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因此實(shí)施心率的在線監(jiān)測(cè)和報(bào)警是非常有意義的。

系統(tǒng)采用紅外傳感器HKG-07B采集心率信號(hào)，經(jīng)放大濾波后及A/D轉(zhuǎn)換后通過(guò)MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算并用LED顯示，并將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)WIFI發(fā)送到PC終端，在PC終端上用LabVIEW顯示波形，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)報(bào)警。

1 系統(tǒng)構(gòu)成和原理

系統(tǒng)主要分為5個(gè)模塊，包括：信號(hào)采集放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)的處理顯示模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、上位機(jī)軟件處理及顯示報(bào)警模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)采用紅外傳感器HKG-07B采集心率信號(hào)，心率信號(hào)經(jīng)LM358放大及二階低通濾波器濾波后送至A/D轉(zhuǎn)換器AD0809，最后通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算并用LED顯示，同時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過(guò)WIFI無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送到PC終端，用LabVIEW顯示實(shí)際心率波形，并對(duì)波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、處理并可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)報(bào)警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of measuring instrument

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 心率采集傳感器

采集心率信號(hào)的傳感器一般是用紅外傳感器或者壓電傳感器。近年來(lái)光電檢測(cè)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很快，這主要是由于光能避開(kāi)強(qiáng)烈的電磁干擾，具有很高的絕緣性[2]。其弊端就是檢測(cè)是要安靜固定，否則可能導(dǎo)致抖動(dòng)引起變化。本設(shè)計(jì)選擇了華科醫(yī)用傳感器紅外脈搏傳感器HKG-07B。它的工作電壓輸入典型值為5 V，工作環(huán)境溫度為-40到80，其輸出的幅度為0.2～1 V[3]。傳感器如圖2所示。該傳感器是一種軟接觸式的無(wú)創(chuàng)傷脈搏傳感器，通過(guò)紅外線檢測(cè)手指指尖血容積變化，輸出與指尖血容積變化線性關(guān)系的電壓形式的脈搏波信號(hào)[4]。

圖2 HKG-07B傳感器Fig.2 HKG-07B sensor

2.2 心率信號(hào)放大濾波整形電路

HKG-07B傳感器輸出的電壓其幅度略小，需要對(duì)其放大，為了減少信號(hào)的損失以及信號(hào)失真，就需要在電路中接入電壓跟隨器。電壓跟隨器具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，很好地減少放大電路的信號(hào)損失，在電路中起到緩沖的作用。傳感器輸出電壓幅度為0.2～1 V，故對(duì)其放大到三倍左右，可增強(qiáng)A/D轉(zhuǎn)換的效果。電壓跟隨器及放大濾波電路如圖3所示。

圖3 放大電路電路圖Fig.3 Schematic diagram of the amplifying circuit

人體的脈搏數(shù)一般為30-250次/分鐘，即頻率范圍為0.5～4.1 Hz，而干擾信號(hào)主要是50 Hz的工頻信號(hào)，心電信號(hào)的頻率比干擾波的頻率要低，因而采用了簡(jiǎn)單實(shí)用的二階低通濾波器來(lái)做濾波模塊，如圖4所示。R選擇220 kΩ的電阻，C選擇0.1 μF的電容，截止頻率fH=7.5 Hz。

圖4 二階低通濾波器電路圖Fig.4 Schematic diagram of low pass filter

濾波后對(duì)它進(jìn)行整形，由于該紅外傳感器是通過(guò)夾在手指尾端將血液容積的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓漭敵鲭妷悍炔环€(wěn)定，采用滯回比較器進(jìn)行整形。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換采用的是ADC0809芯片。ADC0809是價(jià)格便宜的逐次比較式8位CMOS AD轉(zhuǎn)換器，有8個(gè)通道，可輸入8路模擬信號(hào)[5]。AD轉(zhuǎn)換模塊的電路原理圖如圖5所示。

2.4 無(wú)線收發(fā)模塊

USR-WIFI232-B模塊工作環(huán)境范圍廣，核心采用Marvell專業(yè)領(lǐng)先的高品質(zhì)WIFI模塊，高速ARM內(nèi)核，保證處理能力和穩(wěn)定性[6]。其該模塊與單片機(jī)的硬件連接圖如圖6所示。

圖5 AD轉(zhuǎn)換模塊的電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of AD

3 LABVIEW采集顯示存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

PC機(jī)端接收到心率圖形由LABVIEW[7]采集并顯示，并可以選擇存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)度，其程序運(yùn)行界面如圖7所示。

圖6 WIFI模塊連接圖Fig.6 Schematic diagram of WIFI

圖7 運(yùn)行界面Fig.7 Interface chart of system

4 測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)通電后經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)工作情況如圖8所示。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，LED顯示的心跳和PC機(jī)端顯示的心率誤差較小。

圖8 系統(tǒng)工作圖形Fig.8 The physical map

5 結(jié)論

系統(tǒng)以51單片機(jī)[8]為控制核心，采用華科的HDG-07B紅外傳感器作為心率采集傳感器，采用USR-WIFI232-B WIFI無(wú)線收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)心率的測(cè)量和顯示。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠，體積小，可用于家庭或社區(qū)保健用心率監(jiān)測(cè)。參考文獻(xiàn)：

[1]陳天華,王倩．基于MSP430和壓電傳感器的人體心率檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．制造業(yè)自動(dòng)化，2013，35(8)：88-89,108．CHEN Tian-hua，WANG Qian．Design of human heart rate detection system based on MSP430 and piezoelectric sensor [J]．Manufacturing Automation，2013，35（8）：88-89,108．

[2]韓文波,曹維國(guó),張精慧．光電式脈搏波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]．長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，22（4）：30-34．HAN Wen-bo，CAO Wei-guo，ZHANG Jing-hui．Opticalelectric detecting system for detecting pulse wave[J]．Journal of Changchun University of Science and Technology:Natural Science Edition,1999，22（4）：30-34．

[3]華科．版本號(hào)20100624.華科醫(yī)用傳感器選型目錄[S].合肥：合肥華科電子技術(shù)研究所，2010.

[4]侯海良,成運(yùn),陳潔,等．便攜式遠(yuǎn)程脈搏采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20（2）：544-547．HOU Hai-liang，CHENG Yun，CHEN Jie，et al．Design of portable remote pulse wave acquisition system[J]．Computer Measurement&Control，2012，20（2）：544-547．

[5]馬淼,姜傳寶．ADC0809芯片的應(yīng)用[J]．現(xiàn)代通信，1997（1）：22-23．MA Miao,JIANG Chuan-bao．Application of ADC0809[J]．Communications Today，1997（1）：22-23．

[6]梁明珅，陳關(guān)君，楊熠,等．基于WiFi的體溫監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì)[J]．應(yīng)用科技，2011，38(6)：25-29．LIANG Ming-shen，CHEN Guan-jun,YANG Yi,et al．Design of body temperature monitoring sensor based on WiFi[J]．Applied Science and Technology，2011，38(6)：25-29．

[7]程力.基于LabVIEW的智能車無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子科技,2013(10):40-43,52. CHENG Li.Intelligent vehicle wireless real-time monitoring system based on LabVIEW [J].Electronic Science and Technology,2013(10):40-43,52.

[8]張糧雨.基于51單片機(jī)的高頻頻率計(jì)的設(shè)計(jì)[J].電子科技, 2014(2):82-84. ZHANG Liang-yu.The design of high frequency frequency meter based on 51 single chip microcomputer[J].Electronic Science and Technology,2014(2):82-84.

Design of w ireless heart rate measuring instrument based on LabVIEW

HU Yi-ding，OU Jin-fa，ZHONG Tao
（School of information engineering,Wuyi University,Jiangmen 529020,China）

A wireless heart rate measuring instrument is designed and implemented.Heart rate signal acquired by infrared pulse sensor HKG-07B is amplified,filtered,shaped,AD converted,and then displayed through LED and sented to the PC via wireless modular.The wireless signals are acquired,displayed,stored by LabVIEW.Heart rate is detected real-time,and heart rate waveforms can be called at any time.The wireless heart rate measuring instrument is small,accurate and suitable for the health care of families and community.

heart rate measurement;wireless monitor;microcontroller unit;LabVIEW

TN274

A

1674-6236（2015）07-0043-03

2014-07-18 稿件編號(hào)：201407146

2013年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目--教高司函[2013]102號(hào)(201311349030)

胡異丁(1974—)，男，湖北武漢人，碩士，講師。研究方向：工業(yè)自動(dòng)化控制、故障診斷。