（南昌大學(xué)信息工程學(xué)院 江西 南昌 330000）

1.設(shè)計(jì)背景

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)重視生活的質(zhì)量，也越來(lái)越關(guān)心自身的健康狀況。人體的脈搏心跳頻率及血樣濃度是生物醫(yī)學(xué)信號(hào)中非常重要的特征，可以反映出人的身體狀況。當(dāng)前，我國(guó)的心腦血管疾病仍呈逐年上升趨勢(shì)。它的發(fā)病率和死亡率均居各種疾病之首，是人類死亡的主要原因之一。因此，認(rèn)識(shí)、預(yù)防及早期發(fā)現(xiàn)這些疾病是十分必要的，而人體內(nèi)部各個(gè)生理系統(tǒng)之間是相互耦合的。心率波顯示出的形態(tài)、強(qiáng)度等信息能間接的反映出人們當(dāng)前的身體狀況，因此對(duì)心率波的分析有很高的醫(yī)學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景。

隨著集成芯片的發(fā)展，電子產(chǎn)品的體積越來(lái)越小，各種可穿戴的電子產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，尤其是智能手環(huán)的使用。人們可以通過記錄觀察數(shù)據(jù)來(lái)快速有效的獲取自己當(dāng)前的身體狀況。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，心率測(cè)量技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)，對(duì)心率的測(cè)量精度也越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)外先后研制了不同類型的心率測(cè)量?jī)x，也在多個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 心率血氧傳感模塊。傳統(tǒng)的脈搏測(cè)量方法主要有三種：一是從心電信號(hào)中提取；二是從測(cè)量血壓時(shí)壓力傳感器測(cè)到的波動(dòng)來(lái)計(jì)算脈率；三是光電容積法。前兩種方法提取信號(hào)都會(huì)限制人的活動(dòng)，如果長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)增加病人生理和心理上的不舒適感。而光電容積法脈搏測(cè)量作為監(jiān)護(hù)測(cè)量中最普遍的方法之一，其具有方法簡(jiǎn)單、佩戴方便、可靠性高等特點(diǎn)。光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成透光率不同來(lái)進(jìn)行脈搏和血氧飽和度測(cè)量的。其使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，光源一般采用對(duì)動(dòng)脈血中氧合血紅蛋白（HbO2）和血紅蛋白（Hb）有選擇性的特定波長(zhǎng)的發(fā)光二極管當(dāng)光束透過人體外周血管，由于動(dòng)脈搏動(dòng)充血容積變化導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變，此時(shí)由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并將其放大和輸出。由于脈搏是隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化的信號(hào)，動(dòng)脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號(hào)變化周期就是脈搏率。同時(shí)根據(jù)血氧飽和度的定義，其表示為：

本設(shè)計(jì)采用MAX30102心率血氧傳感器芯片。它集成了一個(gè)紅光LED、一個(gè)紅外光LED、光電檢測(cè)器以及帶環(huán)境光抑制的低噪聲的電子線路。它可以很便捷的佩戴于手指、耳垂和手腕等地方，通過標(biāo)準(zhǔn)的IIC通信即可將采集到的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.2 溫濕度傳感模塊。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用于專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，有著極高的可靠性和穩(wěn)定性，抗干擾，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。采用單線制串行接口，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20M以上。供電電壓是3.3-5.5V直流電，輸出是單總線數(shù)字信號(hào)，溫度的測(cè)量范圍為0-50度，濕度的測(cè)量范圍是20-90%RH。

DHT11與MCU的連接圖

2.3 OLED顯示模塊。本系統(tǒng)通過STC15單片機(jī)模擬IIC通信驅(qū)動(dòng)OLED屏顯示。OLED，即有機(jī)發(fā)光二極管，又稱為有機(jī)電激光顯示。OLED由于同時(shí)具備自發(fā)光，不需背光源、對(duì)比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構(gòu)造及制程較簡(jiǎn)單等優(yōu)異之特性，數(shù)據(jù)寫入時(shí)首先發(fā)送一個(gè)開始信號(hào)，接著發(fā)送從機(jī)地址，OLED的從機(jī)地址前7位為地址，最后一位表示讀（1）或者寫（0）。應(yīng)答ACK信號(hào)表示有這個(gè)從設(shè)備存在。在接收到應(yīng)答信號(hào)后，發(fā)送控制位，來(lái)區(qū)分之后所發(fā)送的數(shù)據(jù)是控制命令還是顯示相關(guān)的數(shù)據(jù)。在發(fā)送控制位后，等待應(yīng)答信號(hào)。然后發(fā)送相應(yīng)的控制命令或者數(shù)據(jù)。最后發(fā)送停止信號(hào)，表示數(shù)據(jù)傳輸完成。

3.系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

可以看到顯示屏上分別顯示心率和溫濕度。

4.小結(jié)

本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是以STC高性能單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱為核心、以MAX30102，DHT11，OLED、arduino為模塊完成的一個(gè)心率檢測(cè)裝置，可顯示當(dāng)前的溫濕度和心率。本文只是一個(gè)很小的實(shí)踐，我們還可以擴(kuò)展很多的功能進(jìn)行不斷優(yōu)化。未來(lái)是屬于科技、現(xiàn)代化的時(shí)代，這需要我們大家一起為科技創(chuàng)新努力，科技能夠改變我們生活的方方面面，使我們的生活更加的豐富多彩。