楊潞霞，劉昊楠

(山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院信息學(xué)院，山西 太原 030031)

0 引言

脈搏心率是指單位時(shí)間內(nèi)心臟搏動(dòng)的次數(shù)[1]，它直接關(guān)系著人們的身體健康情況，尤其對(duì)于老年人進(jìn)行實(shí)時(shí)心率監(jiān)測更是尤為重要。從古到今，國內(nèi)外醫(yī)學(xué)行業(yè)一直都是從脈搏波動(dòng)中來提取人體的生理信息，脈搏心率被公認(rèn)為是患者臨床診斷中的可靠依據(jù)，是讓醫(yī)生能夠快速對(duì)癥下藥的手段之一[2]。我國中醫(yī)一貫以摸脈象來發(fā)現(xiàn)身體內(nèi)臟腑之間的異常變化，他們?cè)诳床r(shí)首先將手指輕放在患者的手腕一側(cè)，心中默數(shù)脈搏跳動(dòng)次數(shù)，以此來分析患者病因。但是這種默數(shù)脈搏跳動(dòng)次數(shù)往往會(huì)受到環(huán)境、心情等外界因素的影響，而產(chǎn)生誤差，此外，由于脈搏的復(fù)雜性和跳動(dòng)快慢的不均勻性，使中醫(yī)如此記錄脈象存在片面性，缺乏客觀性。因此隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近現(xiàn)代出現(xiàn)了一些電子心率檢測儀器，希望能借助現(xiàn)代電子測量儀器來實(shí)現(xiàn)較客觀的脈診。

如今，越來越多的科學(xué)技術(shù)被運(yùn)用到量化電子測量脈搏中[3-5]且成為一種趨勢，我們現(xiàn)在經(jīng)常見到的醫(yī)院所使用的脈搏檢測基本都是以集成化的微控制單元(MCU)為核心，其具體方法有壓力式傳感、光電式傳感、超聲脈圖法、電容式傳感等等，實(shí)際臨床中常用的是超聲脈圖法和光電傳感器法，并以這些方法制造了不同的電子儀器。但是這些儀器雖然都有較高的精度，可往往都是有線檢測，設(shè)備比較大，這給用戶實(shí)時(shí)地、便攜式檢測帶來一定的局限。因此，本文利用日益發(fā)展的MCU、光電傳感器技術(shù)和GSM無線通信傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)一種操作簡單，成本低廉的便攜式脈搏心率監(jiān)測系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)可以使心率檢測不再受限于在醫(yī)院進(jìn)行，而是隨時(shí)隨地進(jìn)行，并在出現(xiàn)心率跳動(dòng)異常時(shí)向相應(yīng)手機(jī)發(fā)送警報(bào)短信，有利于人們對(duì)自身的健康狀況實(shí)時(shí)掌握。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為核心控制芯片，連接紅外檢測、報(bào)警、按鍵、顯示和GSM通信等功能模塊。系統(tǒng)計(jì)時(shí)利用單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部定時(shí)器來完成，其基本原理是當(dāng)用戶的手輕輕地觸摸光電傳感器時(shí)，紅外光電傳感器模塊可以根據(jù)人體血液流動(dòng)造成透光率不同，獲取到不同強(qiáng)弱的紅外光照射光信號(hào)，再將光信號(hào)經(jīng)由光電傳感器轉(zhuǎn)換之后產(chǎn)生電信號(hào)，并對(duì)傳回的信號(hào)利用外部中斷進(jìn)行計(jì)數(shù)，再通過計(jì)時(shí)器來累計(jì)時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖次數(shù)，并最終計(jì)算得到用戶每分鐘的脈搏跳動(dòng)次數(shù)[3]。LCD液晶顯示模塊將實(shí)時(shí)地顯示出測試得到的每分鐘脈沖跳動(dòng)次數(shù)?？紤]到合理的預(yù)警功能，測試前用戶可以根據(jù)個(gè)人實(shí)際情況設(shè)定脈搏心率的上下閾值，單片機(jī)將對(duì)采集到并計(jì)算好的脈搏心率與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較處理。如果測量值不在設(shè)定閾值范圍內(nèi)，系統(tǒng)將通過GSM模塊給預(yù)設(shè)手機(jī)發(fā)出警告短信，同時(shí)伴隨蜂鳴器聲音報(bào)警。脈搏心率監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 脈搏心率監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路主要采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)功能，主要選用了單片機(jī)模塊、紅外光電傳感器模塊、GSM模塊和顯示模塊。脈搏心率監(jiān)測系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

2.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)控制模塊是本設(shè)計(jì)用來控制整個(gè)脈搏心率監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)鍵所在，它要完成對(duì)各個(gè)功能模塊的控制。該控制模塊就是單片機(jī)最小系統(tǒng)，由STC89C52芯片、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成[6]。

采用STC系列單片機(jī)，具有可靠性高、成本低、性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。此外，STC89C52還具有丟電保護(hù)功能，如遇突然停電，單片機(jī)雖停止工作但會(huì)保存丟電前的數(shù)據(jù)內(nèi)容，為有電后繼續(xù)工作提供便利。因此選擇STC系列微控制器，操作簡單、物美價(jià)廉。

圖2 心率監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)電路圖

2.2 光電傳感器模塊

本設(shè)計(jì)采用紅外光電傳感器對(duì)人體脈搏的跳動(dòng)次數(shù)進(jìn)行檢測。該模塊的主要工作原理是：首先，通電后傳感器發(fā)出的紅外光會(huì)照射到用戶手指，隨著血液流動(dòng)人體手指部位的動(dòng)脈血流動(dòng)情況會(huì)造成紅外光的強(qiáng)弱變化；接著，光電二極管接收的信號(hào)就隨著用戶脈沖波動(dòng)的變化而變化，同時(shí)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)變化；最后，考慮到接收的脈沖信號(hào)十分微弱，并有噪聲干擾，需要添加一個(gè)放大和濾波效果的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用了以LM358為主體而搭建的放大及濾波電路，由于此放大濾波電路也會(huì)受到低頻干擾，設(shè)計(jì)中添加了整流電路，以此提高抗干擾能力。此外，LM358模塊連接有LED，用LED指示當(dāng)前脈沖狀態(tài)，這樣用戶可以直觀地觀察到自己脈搏跳動(dòng)。

2.3 GSM通信模塊

GSM通信模塊是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無線收發(fā)的功能模塊，接收單片機(jī)發(fā)出的指令，并將心率異常的信息通過短信的方式發(fā)送到預(yù)設(shè)的手機(jī)號(hào)上[7,8]。GSM通信模塊由外接SIM卡的TC35集成電路組成，其使用需要先進(jìn)行手機(jī)注冊(cè)，即為系統(tǒng)預(yù)設(shè)需發(fā)送短信的手機(jī)號(hào)。操作時(shí)，先打開集成板的開關(guān)按鈕，指示燈會(huì)均勻間隔閃爍，輸入預(yù)留手機(jī)號(hào)，當(dāng)LED燈快速的亮一下，接著暗幾秒，即意味著GSM通信模塊注冊(cè)成功。注冊(cè)成功后，預(yù)設(shè)的手機(jī)號(hào)會(huì)接收到短信。GSM通信模塊的引腳如圖3所示。

圖3 GSM通信模塊接口圖

GSM發(fā)送短信的方式有兩種，TEXT模式和PDU模式。文本模式無需編碼只能發(fā)送英文字母，如a、A等；PDU模式需要編碼但可以發(fā)送英文字母或中文漢字，即可以發(fā)送中文短信或英文短信。本設(shè)計(jì)選擇PDU模式，通過“AT+CMGF=0”指令來設(shè)置，其編碼方案有三種：7-bit、8-bit和UCS2編碼。當(dāng)測得心率值低于下限閾值時(shí)，發(fā)送中文短信“請(qǐng)注意！心率過低！”；當(dāng)心率值高于上限閾值時(shí)，發(fā)送中文“請(qǐng)注意！心率過高！”信息。

2.4 LCD顯示模塊

從性能、價(jià)格等方面比較，本設(shè)計(jì)采用了LCD1602液晶顯示屏來輸出顯示當(dāng)前檢測的脈搏心率等信息。LCD1602模塊可以同時(shí)輸出32個(gè)字符，有16個(gè)引腳，采用14腳的無背光標(biāo)準(zhǔn)連接。引腳電路連接好后，隨著傳感器傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)生變化，LCD顯示屏上顯示的信息也在變化。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要就是基于STC89C52硬件的編程，包括主程序和各個(gè)功能模塊的子程序，根據(jù)程序流圖使用C語言進(jìn)行模塊化編程。先對(duì)各模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，再啟動(dòng)定時(shí)器中斷和外部中斷，在中斷事件來之前，系統(tǒng)不斷刷新屏幕信息。當(dāng)按鍵輸入時(shí)，CPU接收到外部中斷命令，實(shí)現(xiàn)中斷，根據(jù)輸入修改一些要求設(shè)定參數(shù)，并存儲(chǔ)起來，例如先通過按鍵選擇來找到需要設(shè)置手機(jī)號(hào)的參數(shù)，然后再使用相應(yīng)按鍵進(jìn)行值設(shè)置，這樣就可以存儲(chǔ)下預(yù)留手機(jī)號(hào)。當(dāng)中斷事件出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)便積累時(shí)間，計(jì)算心率值，并對(duì)值與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行對(duì)比分析，判斷執(zhí)行過程。

系統(tǒng)程序流程如圖4所示，連接電源后，單片機(jī)首先是系統(tǒng)的初始化，一些參數(shù)初始值的恢復(fù)；接著進(jìn)入循環(huán)，循環(huán)中不斷判斷，比較用戶按下按鍵與相對(duì)應(yīng)的功能，進(jìn)行下一步操作。各按鍵功能分別是：按鍵1按下可進(jìn)行上限及下限的閾值設(shè)定；按鍵2功能可對(duì)當(dāng)前值加1；按鍵3功能可對(duì)當(dāng)前值減1；按鍵4按下可以測量當(dāng)前用戶的心率值。脈搏心率監(jiān)測系統(tǒng)定時(shí)器計(jì)時(shí)15 s后進(jìn)行一次計(jì)算，然后換算得到脈搏跳動(dòng)次數(shù)，同時(shí)將值顯示到LCD屏幕。

圖4 系統(tǒng)程序流程

3.2 計(jì)算脈搏心率程序設(shè)計(jì)

脈搏心率監(jiān)測系統(tǒng)計(jì)算脈搏值的子程序流程圖如圖5所示，以15 s作為時(shí)間間隔，先對(duì)脈搏次數(shù)計(jì)數(shù)，然后再計(jì)算出60 s的脈搏數(shù)，并將結(jié)果顯示到LCD屏幕上。

4 系統(tǒng)檢測結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，實(shí)物如圖6所示。STC89C52是本系統(tǒng)的核心控制芯片，當(dāng)手指放到光電傳感器上，LCD1602顯示屏有示數(shù)顯示。屏幕第一行為當(dāng)前的心率值，第二行為預(yù)設(shè)的上峰閾值和下限閾值，例如圖中所示的“H:090 L:050”。用戶可以通過下方的兩個(gè)按鍵對(duì)上下閾值進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。此外，第四個(gè)按鍵選擇后，可以對(duì)手機(jī)號(hào)進(jìn)行輸入設(shè)置，這樣心率檢測結(jié)果就可以發(fā)送到指定手機(jī)用戶，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測效果。

圖5 計(jì)算脈搏流程圖

圖6 脈搏心率監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)物圖

為進(jìn)行誤差測試，請(qǐng)三位同學(xué)使用本系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)檢測，并將系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)與醫(yī)用聽診器的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，如表1所示。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，二者的差值為0到7之內(nèi)，誤差為0到5%。

表1 測試結(jié)果表

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)以STC89C52為核心芯片，依靠可集成性的現(xiàn)代傳感器技術(shù)，通信技術(shù)以及單片機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了人類脈沖信息的實(shí)時(shí)檢測與監(jiān)控。經(jīng)初步測試，本設(shè)計(jì)成本低，精確度高，易上手操作，可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)一步可應(yīng)用于智能穿戴的產(chǎn)品中。