一種簡易體征信號監控電路設計

陳 誠，張仁均，李 琪

（火箭軍工程大學，陜西 西安 710025）

目前，人體體征信號監控需要穿戴人體體征信號監控的儀器設備，使用電極或傳感器直接接觸人體。現階段，普遍采用的測量心率的方法是，使用電極或傳感器直接接觸人體，但這會對人體造成一定的約束，給受試者造成一定的心理負擔[1]。例如，在評測教學質量時，測量學生上課時的體征信號，可以對教學質量進行評估。這時，不能讓參與評測者知道自己參與評估，否則會因為心理因素而影響評價結果。因此，要想監控人體體征信號，可以將設計的系統嵌于其他物品內，例如椅子、沙發、床等物品，這樣使用起來十分方便，而且不易被發現，從而在不影響人們正常活動的情況下監控到需要的體征信號。該系統是基于單片機控制技術、數據采集技術、無線模塊通信技術和計算機上位機管理，將不同的設備連接在一起，構成一個人體體征信號監控模塊網絡。每個子系統獨立供電，通過PVDF壓電傳感器和稱重傳感器獲取數據，并對數據進行分析，從而得到人體體征信號，然后通過WIFI無線通信將信息傳送至電腦客戶端。

1 系統原理和總體設計

1.1 監控原理

1.1.1 （PVDF）壓電薄膜傳感器測量心率

PVDF壓電薄膜即聚偏氟乙烯壓電薄膜，是一種新型的高分子聚合物型傳感材料。PVDF壓電薄膜具有高的壓電常數，且具有質量輕、柔性好、加工性能好、頻率響應寬等優點[2]。PVDF壓電薄膜的輸出電壓與其所受外力呈線性關系，而且輸出電壓與被測結構的應變同樣呈線性關系[3]，如圖1所示。正常人的脈象信號在低頻頻率范圍內，且大多數能量集中在0～2 Hz左右。心臟跳動對人體產生的微弱震動信號即體震信號，通過（PVDF）壓電薄膜傳感器將這種震動測量出來，就可以達到測量心率的目的。振動可以在緊密接觸的物體之間傳播，因此，將傳感器嵌于物體內也可以測量出體震信號，從而得到心率。壓電薄膜傳感器采集數據后，經信號調理電路，由于心率的頻率比較低，使用單片機自帶的A/D采集模塊即可滿足采集要求。

圖1 PVDF在靜力作用下的響應

1.1.2 稱重傳感器測量活動狀態

在正常活動狀態下，在一段時間內，會因為一些動作而導致身體某一部分具有加速度，測得的示重與睡眠狀態靜止時所測示重不一致，據此可以判斷人體是處于活動狀態或者睡眠狀態。測試者的體重是65 kg，將傳感器嵌于椅子內部，用于測量被測者正常活動時的幾種行為。被測者首先靜坐于搭載有該套系統的椅子上，禁止做多余動作，結果顯示在54 kg左右測量結果上下有稍許波動。然后進行第二個實驗，讓被測者坐在椅子上看書、寫字或做一些其他的活動，然后對其進行測量。測量結果如圖2所示。利用這個原理可以檢測被測者的睡眠狀態。當被測者睡眠時，幾乎處于靜止狀態，體重示數會基本保持不變，也會得到與靜坐相似的情況。

1.2 系統總體設計

系統由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分包括單片機控制模塊、稱重傳感器模塊、壓電薄膜傳感器模塊、A/D轉換模塊、無線傳輸模塊，軟件部分是電腦客戶端。

該系統主要完成數據采集、A/D信號轉換、數據處理、數據發送和客戶端人機交互等功能。系統框圖詳見圖3.利用人睡覺狀態下的稱重示數與正常活動狀態下的稱重示數之間的區別來區分人體睡眠情況，并對其狀態進行測量。

圖2 測量結果

圖3 系統框圖

2 硬件設計

2.1 單片機控制模塊

STC12C5A60S2系列單片機是宏晶科技生產的高性能、低功耗的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍。該模塊有多達60 K字節系統可編程Flash存儲器，1 280字節RAM，40個通用I/O 口，4個16位定時器，并且支持通用全雙工異步串行口（UART），外部中斷等[4]。STC12C5A60S2系列單片機采購價格與普通單片機價格近乎相同，性價比非常高。STC12C5A60S2單片機的P0.0、P1.5端口用于與高精度A/D轉換芯片HX711管腳PD_SCK、DOUT連接，接收經過轉換的數字信號。單片機P3.0、P3.1端口與ESP8266芯片的UTXD、URXD相連，驅動WIFI進行數據傳輸。P1.0與壓電薄膜傳感器的調理電路輸出相連，對輸出進行A/D數模轉換。

2.2 壓電薄膜傳感器電路

壓電薄膜傳感器通過前置放大器完成信號提取，運放A0設計為負反饋模式，并在負反饋回路中加入電容，抑制噪聲進入下一級電路；第二級放大電路A1設計為低通濾波加放大模式，進一步放大信號，實現信號的可測性，隨后輸出給單片機采集測量。壓電薄膜傳感器調理電路如圖4所示。

圖4 壓電薄膜傳感器調理電路

2.3 稱重傳感器

2.4 A/D轉換器

HX711采用了海芯科技集成電路專利技術，它是一款高精度的24位A/D轉換器芯片。與同類型其他芯片相比，該芯片集成了包括穩壓電源、片內時鐘振蕩器等其他同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優點[7]。壓力傳感器檢測質量以后會輸出一個模擬量，但是，單片機無法直接讀取，所以，要經過A/D模塊轉化為數字量。在不超過量程的范圍內，傳感器輸出的模擬值的大小與壓力大小成正比，因此，可以用單片機計算來獲取來自傳感器的壓力值。HX711芯片電路原理如圖5所示，其主要通過long ReadAD（void）這個函數讀取稱重傳感器信息。

2.5 無線傳輸模塊

ESP8266是樂鑫公司生產的低功耗WIFI芯片，內置32位CPU，能夠獨立運行，也可以作為從機搭載于其他主機MCU運行[8]。ESP8266系列芯片擁有超高的集成度、超低的功耗，成本低、體積小，非常適用于無線控制領域。ESP8266支持3種模式，即串口無線 AP（COM-AP）、串口無線 STA（COM-STA）和串口無AP＋STA（COM-AP+STA）。波特率設置成9 600，因為51單片機直接初始化定時器最高只能得到9 600的波特率。AT＋UART＝9 600，8，1，0，0 ，設置波特率為9 600，8位數據位，1位停止位，無校驗碼。配置指令為：AT+CWMODE=1 ,

3 軟件設計

電腦客戶端使用Visual Studio進行編寫，Visual Studio是微軟公司推出的開發環境，是最流行的Windows平臺應用程序開發環境。在軟件設計方面，首先系統初始化，然后開啟數據采集，將PVDF壓電薄膜傳感器數據和稱重傳感器的數據傳輸至客戶端，而后進行處理。電腦客戶端對2種數據進行綜合處理：①對稱重示數進行處理，判斷人體的活動狀態；②對測量心率進行處理，判斷活動輕緩等狀態。例如，在醫療情景下，將相關設備安裝在病床上，當稱重示數趨于平穩，心率下降到睡眠時的心跳頻率，可以知道患者處于睡眠狀態；當稱重示數變化劇烈，心率也處于異常狀態，則可以知道患者發生了意外，通過電腦客戶端進行處理后給出處理結果。軟件設計流程如圖6所示。

圖5 HX71電路原理圖

圖6 軟件設計流程

4 結束語

為了解決目前人體體征信號檢測儀笨重、束縛感強、使用不方便等問題，本文提出將稱重傳感器與壓電薄膜傳感器嵌入物體內使用，具有使用方便、無束縛的優點。該系統使用無線通信將測得的數據通過WIFI傳送至電腦進行分析，可對多個系統同時進行監測、分析，經過分析，發現其適用于醫療、教育等場合。

參考文獻：

［1］王旭，金晶晶.基于體震信號的心率檢測裝置的設計與實現［J］.傳感器與微系統，2008，27（11）：81-83，86.

［2］孟仁俊.PVDF壓電薄膜傳感器的研制［D］.上海：東華大學，2009.

［3］萬建國，石立華，朱紀軍，等.PVDF壓電薄膜在結構監測中的應用初探［J］.傳感技術學報，1998（01）：18-24.

［4］宋鳳娟，付侃，薛雅麗.STC12C5A60S2單片機高速A/D轉換方法［J］.煤礦機械，2010，31（06）：219-221.

［5］劉美娟，張琦，穆遠威.基于HX711的高精度電子秤的設計［J］.信息通信，2017（1）：142-144.

［6］徐倫，鄧濤.一種基于STM32的多功能精密電子秤［J］.數字技術與應用，2016（10）：148-149.

［7］汪顯衛.基于HX711自動計價數顯電子秤設計［J］.硅谷，2012（05）：68.

［8］范興隆.ESP8266在智能家居監控系統中的應用［J］.單片機與嵌入式系統應用，2016，16（09）：52-56.