基于單片機的便攜式脈搏監測系統的設計

汪澤睿+文青勇

摘要：近年來，心血管類疾病發病率日益增高，對脈搏信號的檢測變得日益重要，本文設計了一種低功耗，便攜式脈搏監測系統，通過PulseSensor傳感器檢測脈搏信號，將光信號轉換為電信號，通過單片機進行分析處理，由OLED進行顯示。

關鍵詞：脈搏檢測；PulseSensor；系統設計

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

1 系統設計思路

1.1 脈搏信號參數簡介

心率：描述心動周期，指心臟跳動的頻率，在單位時間內心臟跳動的次數就是我們平時所說的心率，心率的快慢會反應人心血管是否健康，心率表現在血管脈動上就是脈搏。

脈搏：人體主動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使血壓在血管內以波的形式傳播，通常所說的脈搏波就是指的這個波。脈搏波所表現的情況可以很大部分的反應人體心血管情況。正常人每分鐘脈搏次數為60到80次，嬰兒的則為每分鐘90到100次，老人的脈搏數是每分鐘100到150次。

心率與脈搏的聯系：因為心率表現在血管脈動上是脈搏，所以一般情況下心率與脈搏數值上是相等的，所以對于心率大小的測量就可以轉換為對脈搏的測量，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用也比較廣泛。

1.2 脈搏波檢測原理

對于脈搏信號的監測有很多方法，本系統采用的是光電容積法，人體組織在血管波動時對光的透光率會有所不同，光電容積法恰恰是利用這種不同來監測脈搏波，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換監測出來。當光通過血管時，血管的脈動會使透光率發生變化，光接收器接收到不同強度的光，再由光電轉換器轉換為不同電壓的電信號，進一步通過濾波和放大即可進行數字化處理。血管透光率的變化是隨心臟搏動而變化，所以通過監測血管的透光率即可監測到脈搏波的變化。

1.3 系統結構設計

單片機使用STC12C5A60S2芯片作為結構計算核心，負責接收傳感器模塊的數據并通過ADC模數轉換進行數據處理和計算，得出的數字數據通過OLED顯示。晶振電路為單片機提供時鐘頻率信號，復位電路用于手動復位整個系統。其他電路可以做為一些警報電路或者提示電路的補充。脈搏傳感器選取單片機的任意ADC輸入口進行連接，OLED選取單片機的任意兩個I/O口進行IIC總線進行軟件的模擬[1]。

2 系統硬件設計

2.1 單片機及單片機最小系統設計

STC12C5A60S2是增強型8051，單片機內部集成的存儲器采用的是FLASH工藝制成，使用者可以輕松的用電信號完成數據的擦出和重寫，對于寫入單片機的程序還支持加密處理。工作頻率0～35MHz，相當于普通8051的0～420MHz，速度是普通8051的8～12倍，片上集成了1280字節的RAM，存儲空間大，I/O口驅動能力達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，并且該單片機對開發設備要求很低，開發時間大大縮短內部自帶EEPROM，帶4個16位定時器，有7路外部中斷。

單片機最小系統就是能使單片機正常工作的最小硬件單元電路。單片機最小系統主要由三個部分組成：晶振電路、復位電路、電源。晶振電路為單片機提供時鐘信號，其大小由單片機時鐘周期要求而決定。復位電路用于系統復位。

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，因為LED發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，因為脈搏信號比較微弱，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，滿足單片機的信號處理要求。

2.3 硬件系統設計

便攜式脈搏監測系統由STC12C5A60S2單片機，晶振電路，復位電路，PulseSensor傳感器模塊，OLED顯示屏模塊組成。晶振電路為單片機提供時鐘信號，由PulseSensor傳感器模塊接收脈搏信號后，經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，通過ADC進行模數轉換，通過單片機進行數據處理后顯示到OLED顯示屏上。

3 系統軟件設計

3.1 程序設計思路

程序設計需要與硬件相結合，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總線時序，才能控制OLED顯示屏。此外，在本次設計的程序中，還有一個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，就必須要對信號進行模數轉換，然后對得出的數字數據進行處理和計算才能用于顯示和上傳。

3.2 脈搏檢測軟件設計思路

脈搏傳感器的軟件設計首先要進行脈搏模擬信號的采集，將采集到的脈搏信號傳回單片機，再由單片機的ADC模數轉換模塊對型號進行采樣處理，得出相應的數字型號，一方面將數字型號通過串口傳送到上位機，另一方面將數字信號通過OLED顯示屏顯示。OLED顯示屏的控制需要通過程序模擬IIC總線時序，可以將這些程序封裝成函數，使用時只需要調用需要的函數即可。脈搏監測系統軟件主要包括IIC時序模擬函數，顯示函數，ADC數據處理函數，串口數據傳輸函數，定時器0中斷子函數和主函數幾部分組成[2]。

3.3 IIC介紹endprint

IIC總線是一種串行總線，它由SDA和SCL構成，其中SDA是數據線，SCL是時鐘線，與其他總線相同，它也具有發送和接受數據的功能。它可以介于CPU和IC之間，也可以介于IC和IC之間，并且能夠實現雙向傳輸，它的最高傳送速率可達100kbps。

3.4 脈搏信號數據處理函數

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，單片機通過ADC模塊對信號進行模數轉換，利用數字信號得出脈搏信號的波峰波谷，得出單個脈沖的周期，得出信號的平均值并記錄，最終計算出心率，然后對心率數據進行處理，得出能夠上傳和顯示的數組數據，中斷子函數結束。

4 結語

本文針對便攜式脈搏檢測設備在個人，家庭應用中的重要意義，提出并研究設計了一種低功耗的便攜式脈搏監護儀。該系統能夠完成脈搏信號的采集和變換，以及脈搏自動分析軟件等工作。系統測試結果表明：該系統具有運行穩定，具有較強實時性，使用安全，方便二次開發，耗能低，體積輕便等特點，適合個人脈搏監護使用。

參考文獻

[1]陳汝全.實用微機與單片機控制技術[M].電子科技大學出版社，1995.

[2]黃元偉.心血管病診療手冊[M].浙江科學技術出版社，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