汪澤睿+文青勇

摘要：近年來，心血管類疾病發(fā)病率日益增高，對脈搏信號的檢測變得日益重要，本文設(shè)計(jì)了一種低功耗，便攜式脈搏監(jiān)測系統(tǒng)，通過PulseSensor傳感器檢測脈搏信號，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過單片機(jī)進(jìn)行分析處理，由OLED進(jìn)行顯示。

關(guān)鍵詞：脈搏檢測；PulseSensor；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP368.12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0147-01

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

1.1 脈搏信號參數(shù)簡介

心率：描述心動(dòng)周期，指心臟跳動(dòng)的頻率，在單位時(shí)間內(nèi)心臟跳動(dòng)的次數(shù)就是我們平時(shí)所說的心率，心率的快慢會(huì)反應(yīng)人心血管是否健康，心率表現(xiàn)在血管脈動(dòng)上就是脈搏。

脈搏：人體主動(dòng)脈的收縮與舒張來自于人體心室的變化，心室的收縮和舒張會(huì)使血壓在血管內(nèi)以波的形式傳播，通常所說的脈搏波就是指的這個(gè)波。脈搏波所表現(xiàn)的情況可以很大部分的反應(yīng)人體心血管情況。正常人每分鐘脈搏次數(shù)為60到80次，嬰兒的則為每分鐘90到100次，老人的脈搏數(shù)是每分鐘100到150次。

心率與脈搏的聯(lián)系：因?yàn)樾穆时憩F(xiàn)在血管脈動(dòng)上是脈搏，所以一般情況下心率與脈搏數(shù)值上是相等的，所以對于心率大小的測量就可以轉(zhuǎn)換為對脈搏的測量，而對于脈搏的測量一般比較簡單，所以這種心率的測量方式應(yīng)用也比較廣泛。

1.2 脈搏波檢測原理

對于脈搏信號的監(jiān)測有很多方法，本系統(tǒng)采用的是光電容積法，人體組織在血管波動(dòng)時(shí)對光的透光率會(huì)有所不同，光電容積法恰恰是利用這種不同來監(jiān)測脈搏波，通過傳感器上的光源和光接收器，就可以將脈搏波通過光電轉(zhuǎn)換監(jiān)測出來。當(dāng)光通過血管時(shí)，血管的脈動(dòng)會(huì)使透光率發(fā)生變化，光接收器接收到不同強(qiáng)度的光，再由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為不同電壓的電信號，進(jìn)一步通過濾波和放大即可進(jìn)行數(shù)字化處理。血管透光率的變化是隨心臟搏動(dòng)而變化，所以通過監(jiān)測血管的透光率即可監(jiān)測到脈搏波的變化。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單片機(jī)使用STC12C5A60S2芯片作為結(jié)構(gòu)計(jì)算核心，負(fù)責(zé)接收傳感器模塊的數(shù)據(jù)并通過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，得出的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過OLED顯示。晶振電路為單片機(jī)提供時(shí)鐘頻率信號，復(fù)位電路用于手動(dòng)復(fù)位整個(gè)系統(tǒng)。其他電路可以做為一些警報(bào)電路或者提示電路的補(bǔ)充。脈搏傳感器選取單片機(jī)的任意ADC輸入口進(jìn)行連接，OLED選取單片機(jī)的任意兩個(gè)I/O口進(jìn)行IIC總線進(jìn)行軟件的模擬[1]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)及單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

STC12C5A60S2是增強(qiáng)型8051，單片機(jī)內(nèi)部集成的存儲(chǔ)器采用的是FLASH工藝制成，使用者可以輕松的用電信號完成數(shù)據(jù)的擦出和重寫，對于寫入單片機(jī)的程序還支持加密處理。工作頻率0～35MHz，相當(dāng)于普通8051的0～420MHz，速度是普通8051的8～12倍，片上集成了1280字節(jié)的RAM，存儲(chǔ)空間大，I/O口驅(qū)動(dòng)能力達(dá)20mA，無需專用編程器和專用仿真器，可以通過串口直接下載用戶程序，并且該單片機(jī)對開發(fā)設(shè)備要求很低，開發(fā)時(shí)間大大縮短內(nèi)部自帶EEPROM，帶4個(gè)16位定時(shí)器，有7路外部中斷。

單片機(jī)最小系統(tǒng)就是能使單片機(jī)正常工作的最小硬件單元電路。單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：晶振電路、復(fù)位電路、電源。晶振電路為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號，其大小由單片機(jī)時(shí)鐘周期要求而決定。復(fù)位電路用于系統(tǒng)復(fù)位。

2.2 PulseSensor傳感器介紹

PulseSensor傳感器采用的綠光LED，它的峰值波長為515nm，使用AODS-9008作為光接收器，這款光接收器接收的光的波長為565NM，因?yàn)長ED發(fā)出的光和光接收器接收的光的波長十分相近，所以傳感器的靈敏度也比較高。另外，因?yàn)槊}搏信號比較微弱，為避免被其他信號干擾，所以傳感器集成了信號放大器，脈搏信號先通過低通濾波器濾波處理，再通過MCP6001組成的信號放大器，就可以將脈搏信號放大330倍，滿足單片機(jī)的信號處理要求。

2.3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

便攜式脈搏監(jiān)測系統(tǒng)由STC12C5A60S2單片機(jī)，晶振電路，復(fù)位電路，PulseSensor傳感器模塊，OLED顯示屏模塊組成。晶振電路為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號，由PulseSensor傳感器模塊接收脈搏信號后，經(jīng)由濾波電路濾除雜波干擾，再通過放大電路將微弱的脈搏信號放大后輸出給STC12C5A60S2單片機(jī)，通過ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后顯示到OLED顯示屏上。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)思路

程序設(shè)計(jì)需要與硬件相結(jié)合，例如OLED顯示程序需要考慮OLED的控制接口，由于OLED采用的是IIC接口，STC12C5A60S2沒有自帶的IIC接口，那么，程序就需要模擬IIC總線時(shí)序，才能控制OLED顯示屏。此外，在本次設(shè)計(jì)的程序中，還有一個(gè)比較重要的部分就是脈搏信號的處理上，由于脈搏傳感器模塊傳回的脈搏信號是模擬信號，就必須要對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后對得出的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算才能用于顯示和上傳。

3.2 脈搏檢測軟件設(shè)計(jì)思路

脈搏傳感器的軟件設(shè)計(jì)首先要進(jìn)行脈搏模擬信號的采集，將采集到的脈搏信號傳回單片機(jī)，再由單片機(jī)的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對型號進(jìn)行采樣處理，得出相應(yīng)的數(shù)字型號，一方面將數(shù)字型號通過串口傳送到上位機(jī)，另一方面將數(shù)字信號通過OLED顯示屏顯示。OLED顯示屏的控制需要通過程序模擬IIC總線時(shí)序，可以將這些程序封裝成函數(shù)，使用時(shí)只需要調(diào)用需要的函數(shù)即可。脈搏監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要包括IIC時(shí)序模擬函數(shù)，顯示函數(shù)，ADC數(shù)據(jù)處理函數(shù)，串口數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)，定時(shí)器0中斷子函數(shù)和主函數(shù)幾部分組成[2]。

3.3 IIC介紹endprint

IIC總線是一種串行總線，它由SDA和SCL構(gòu)成，其中SDA是數(shù)據(jù)線，SCL是時(shí)鐘線，與其他總線相同，它也具有發(fā)送和接受數(shù)據(jù)的功能。它可以介于CPU和IC之間，也可以介于IC和IC之間，并且能夠?qū)崿F(xiàn)雙向傳輸，它的最高傳送速率可達(dá)100kbps。

3.4 脈搏信號數(shù)據(jù)處理函數(shù)

PulseSensor傳感器接收到脈搏信號后以模擬信號的形式傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過ADC模塊對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用數(shù)字信號得出脈搏信號的波峰波谷，得出單個(gè)脈沖的周期，得出信號的平均值并記錄，最終計(jì)算出心率，然后對心率數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出能夠上傳和顯示的數(shù)組數(shù)據(jù)，中斷子函數(shù)結(jié)束。

4 結(jié)語

本文針對便攜式脈搏檢測設(shè)備在個(gè)人，家庭應(yīng)用中的重要意義，提出并研究設(shè)計(jì)了一種低功耗的便攜式脈搏監(jiān)護(hù)儀。該系統(tǒng)能夠完成脈搏信號的采集和變換，以及脈搏自動(dòng)分析軟件等工作。系統(tǒng)測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定，具有較強(qiáng)實(shí)時(shí)性，使用安全，方便二次開發(fā)，耗能低，體積輕便等特點(diǎn)，適合個(gè)人脈搏監(jiān)護(hù)使用。

參考文獻(xiàn)

[1]陳汝全.實(shí)用微機(jī)與單片機(jī)控制技術(shù)[M].電子科技大學(xué)出版社，1995.

[2]黃元偉.心血管病診療手冊[M].浙江科學(xué)技術(shù)出版社，1982.

Abstract：In recent years， the increasing incidence of cardiovascular disease， to detect the pulse signal becomes more and more important， this paper designed a low-power， portable pulse monitoring system， through the PulseSensor sensor to detect the pulse signal， the optical signals are converted to electrical signals through the SCM for analysis and processing， displayed by the OLED.

Key Words：pulse detection； PulseSensor； system designendprint