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摘要:

針對(duì)傳統(tǒng)心率測(cè)量受專(zhuān)業(yè)知識(shí)和工作環(huán)境的限制，設(shè)計(jì)一種低功耗心率測(cè)量智能穿戴系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)以STC15W401AS單片機(jī)為控制核心，采用NJL5303集成收發(fā)光電傳感采樣脈搏信號(hào)，經(jīng)二階帶通濾波放大處理后由微控制器處理得到心率值，通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)通信將結(jié)果發(fā)送到手機(jī)端App軟件顯示。系統(tǒng)可開(kāi)發(fā)為指套、手環(huán)、腳環(huán)和耳釘?shù)犬a(chǎn)品，在不影響使用者日常活動(dòng)的情況下，可以長(zhǎng)時(shí)間對(duì)心率值進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，具有較高的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞:

智能穿戴;心率測(cè)量;光電傳感器;藍(lán)牙通信;單片機(jī)

隨著國(guó)民生活水平的不斷提高，人們對(duì)健康的意識(shí)也不斷加強(qiáng)。受專(zhuān)業(yè)知識(shí)、儀器設(shè)備和工作環(huán)境等條件的限制，在醫(yī)院進(jìn)行檢測(cè)身體指標(biāo)的傳統(tǒng)方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足日常生活自我保健的需求。為此提出一種基于智能穿戴的心率測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以STC15W401AS單片機(jī)為控制核心，采用反射式光電傳感器為脈搏信號(hào)采集方法，通過(guò)將傳感單元佩戴于手指、耳垂等處，在不影響使用者日常活動(dòng)的情況下，實(shí)時(shí)測(cè)量心率，并通過(guò)藍(lán)牙通信與智能手機(jī)互聯(lián)，將實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在智能手機(jī)上。

1心率檢測(cè)方法

傳統(tǒng)的心率測(cè)量方法有心電圖信號(hào)法、壓電法等，受使用條件的限制，這些方法一般只在醫(yī)院臨床方面應(yīng)用。光電容積脈搏描記法（PPG）是一種新的測(cè)量方法，被廣泛應(yīng)用于智能穿戴設(shè)備上，傳感部件由光電發(fā)射器、接收器組成。根據(jù)該傳感部件與人體接觸部位不同有透射式和反射式兩種，其中透射式適合安放在人體組織比較薄的耳垂等位置，反射式則無(wú)此要求，使用更為靈活。反射式光電積脈搏法的工作原理是當(dāng)脈搏隨心臟的搏動(dòng)而呈現(xiàn)周期性變化時(shí)，動(dòng)脈血管的容積也隨之呈現(xiàn)周期性的變化，利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成吸光率的不同進(jìn)行心率測(cè)量。依據(jù)朗伯-比爾定律（Beer-Lambert）,入射波長(zhǎng)為λ、光強(qiáng)為I0的線(xiàn)垂直照射人體表皮動(dòng)脈血管，通過(guò)血液的散射、吸收后接收管接收到的光強(qiáng)為（1）其中εa為動(dòng)脈血液總吸收常數(shù)，ca為動(dòng)脈血液濃度，va為動(dòng)脈血液容積。當(dāng)反射區(qū)動(dòng)脈血管容積變化Δv時(shí)會(huì)引起接收管光強(qiáng)電流ΔI變化，并有（2）藉此可知，當(dāng)動(dòng)脈血液容積變化時(shí)會(huì)導(dǎo)致接收光強(qiáng)成正比變化，從而將動(dòng)脈容積變化率轉(zhuǎn)化為電流強(qiáng)度變化率，對(duì)該變化電流信號(hào)拾取可實(shí)現(xiàn)心率信號(hào)的檢測(cè)。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

若要在不影響使用者日常活動(dòng)的情況下，能長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)測(cè)量心率，因此設(shè)計(jì)上要求結(jié)構(gòu)巧、體積小、重量輕、攜帶方便，同時(shí)由于受使用環(huán)境的限制，應(yīng)采用電池供電，故還要求系統(tǒng)耗電要低。考慮到使用人群的不確定性，操作上應(yīng)簡(jiǎn)單明了，測(cè)試結(jié)果直觀(guān)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)通過(guò)反射式光電傳感器感知人體脈搏信號(hào)的變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)后級(jí)電路濾波、放大后輸入單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。在單片機(jī)內(nèi)部通過(guò)算法計(jì)算出人體實(shí)時(shí)心率、平均心率，并將結(jié)果通過(guò)藍(lán)牙通信傳輸智能手機(jī)顯示，實(shí)現(xiàn)人體脈搏心率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3硬件設(shè)計(jì)

3.1光電傳感器

使用反射式光電傳感器采集人體的脈搏信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器分發(fā)射源、受光源兩部分。研究表明500~700nm光源光波對(duì)動(dòng)脈血中氧紅蛋白有較好的選擇性，560nm波長(zhǎng)光波能反映皮膚淺部的微動(dòng)脈信號(hào)，適合用于提取脈搏信號(hào)。選用JRC公司NJL5303收發(fā)一體反射式光電傳感器，其發(fā)射光源波長(zhǎng)570nm，體積尺寸僅為1.9×2.6×0.8mm。NJL5303發(fā)射管工作電壓設(shè)定為2V，工作電流設(shè)定為8mA，具體光電檢測(cè)電路如圖2所示。

3.2信號(hào)處理電路

光電傳感器感知輸出的脈搏電信號(hào)非常微弱，且容易受到干擾，因此需進(jìn)行濾波和放大。圖3為脈搏信號(hào)放大、濾波電路，主要以運(yùn)算放大器為核心的2級(jí)結(jié)構(gòu)完全相同的帶通濾波、放大電路構(gòu)成。選用型號(hào)為MCP602運(yùn)算放大器，其為軌到軌輸出的高精度運(yùn)放，2.7~6V單電源供電，增益帶寬為2.8MHz。經(jīng)過(guò)C1、R1組成無(wú)源高通濾波器，濾除傳感器輸出信號(hào)VO中的直流分量，U1A、R2、C2組成有源低通濾波器濾除VO中包含50Hz在內(nèi)的高頻干擾并將其放大。該電路高通截止頻率fH、低通截止頻率fL、增益G分別為（3）U1B為核心組成第二級(jí)濾波放大電路，性能參數(shù)同U1A。兩級(jí)放大電路總的增益可達(dá)到10201（≈80db）。光電傳感器輸出的毫伏以下的信號(hào)到圖3電路后，經(jīng)U1放大可輸出伏特級(jí)信號(hào)送后級(jí)電路處理。

3.3USB充電電路

該設(shè)備采用鋰電池供電，通過(guò)USB口進(jìn)行充電，設(shè)計(jì)由MCP73831組成的USB充電電路如圖4所示。MCP73831為單芯片鋰、鋰聚合物電池充電電路，SOT-23-55腳小尺寸封裝可選，充電電壓4.2~4.5V可選，充電電流通過(guò)外接電阻可在15mA~500mA編程設(shè)定。

3.4主控電路

主控制電路控制器選用STC15W401AS新型8051內(nèi)核單片機(jī)，該單片機(jī)為增強(qiáng)型8051內(nèi)核單片機(jī)，可在2.5~5.5V寬電壓范圍工作，功耗低。單片機(jī)內(nèi)置512個(gè)字節(jié)SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，2KB個(gè)FLASH程序存儲(chǔ)器，8通道10bitA/D轉(zhuǎn)換器，使用串口IAP在線(xiàn)下載程序，SOP16腳封裝，體積小巧。設(shè)計(jì)主控電路如圖5所示，傳感器感知脈搏信號(hào)Vsensor輸入到單片機(jī)的P1.0口，該口同時(shí)也是ADC0輸入引腳。本設(shè)備不帶顯示單元，測(cè)量結(jié)果通過(guò)藍(lán)牙方式傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)，通過(guò)在智能手機(jī)上運(yùn)行App顯示測(cè)量結(jié)果。為實(shí)現(xiàn)與智能手機(jī)間的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，主控電路設(shè)計(jì)藍(lán)牙接口連接X(jué)M-15B藍(lán)牙模塊。該藍(lán)牙模塊支持藍(lán)牙2.1協(xié)議，模塊無(wú)需編程，控制器通過(guò)串口給模塊發(fā)送AT命令直接配置即可使用。

4軟件設(shè)計(jì)

4.1心率測(cè)算方法

心率有瞬時(shí)值測(cè)量和平均值測(cè)量。類(lèi)似信號(hào)頻率測(cè)量法，通過(guò)在單位時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)輸入脈搏信號(hào)的個(gè)數(shù)并通過(guò)公式計(jì)算后即可得到心率瞬時(shí)值IHR（4）式中T為單位時(shí)間1秒，N為單位時(shí)間統(tǒng)計(jì)的脈搏脈沖個(gè)數(shù)，單位為bpm(beatperminute)。此法受元件特性及外界干擾較大，可靠性差，統(tǒng)計(jì)測(cè)量時(shí)響應(yīng)差，故測(cè)量精度度和魯棒性較差。兩相鄰脈搏波（R波）之間的間隔時(shí)間為脈搏周期THR，若f0為頻率遠(yuǎn)大于IHR的脈沖，并以THR為閘門(mén)時(shí)間對(duì)f0進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為N，顯然（5）可以得到IHR為（6）對(duì)比公式（6）、（5）可以發(fā)現(xiàn)，（6）式T0<<T，因此具有更快的測(cè)量響應(yīng)速度，尤其是當(dāng)測(cè)量IHR平均值時(shí)。

4.2軟件設(shè)計(jì)思路

依照（6）式編寫(xiě)IHR測(cè)量程序，實(shí)現(xiàn)思路為啟動(dòng)單片機(jī)定時(shí)器定時(shí)（分辨率1uS），Vsensor脈搏信號(hào)輸入單片機(jī)內(nèi)部比較器，當(dāng)輸入信號(hào)幅度超過(guò)比較器設(shè)置閥值后比較器狀態(tài)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，將其整形為矩形波。比較器每次發(fā)生翻轉(zhuǎn)觸發(fā)中斷，通過(guò)中斷服務(wù)讀取定時(shí)器計(jì)數(shù)值，并與上一次讀取到的計(jì)數(shù)值相減后得到N，代入（6）式即可得到瞬時(shí)心率值IHR，多次累加除權(quán)后可得到其平均值，程序流程圖如圖6所示。

5結(jié)語(yǔ)

依據(jù)以上原理及電路設(shè)計(jì)實(shí)測(cè)模擬信號(hào)波形如圖7所示。本系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)測(cè)量人體心率，結(jié)果及時(shí)顯示在智能手機(jī)上，數(shù)據(jù)信息讀取方便。將系統(tǒng)應(yīng)用于智能穿戴設(shè)備之上，可以制作成手環(huán)、腳環(huán)等產(chǎn)品，亦可以制成耳釘或植入耳塞，具有體積小、成本低、實(shí)用價(jià)值高等特點(diǎn)。

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作者:朱海洋 單位:廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院