基于MSP430的家用生理参数监测仪

卢贶宋霞

（1.武汉软件工程职业学院，湖北 武汉 430205； 2.武汉职业技术学院，湖北 武汉 430074）

基于MSP430的家用生理参数监测仪

卢贶1宋霞2

（1.武汉软件工程职业学院，湖北 武汉 430205； 2.武汉职业技术学院，湖北 武汉 430074）

本监测仪是基于MSP430F149处理器的家用生理参数检测设备，具有低功耗、体积小，偏于携带的特点，能够实时监测人体心电参数、血氧参数、体温参数三个重要的生理参数数据，并通过存储器和显示屏保存和显示三种生理参数数据。当检测到生理参数数据不在合理范围时，能自动通过GPRS模块连接网络平台，通知指定人员，同时将相应的生理参数数据发送出去。

MSP430；生理参数；监测仪

随着国民经济的不断发展，人们生活水平不断提高和完善，健康已成为人们关注的焦点和追求的目标，目前我国家庭中的疾病突发病率不断上升，许多人由于无法提前预知自身身体状况而无法得到及时的救护。另外，目前的心电监测仪大多数只能检测心电图，功能比较单一，而且基于计算机平台的监护设备，价格昂贵，体积庞大，不便于移动，主要集中在大医院，无法在日常实时监护患者的病情，给医生和病人都带来了很大的不便。因此，设计家用便携式生理参数监测仪能够有效地弥补医院以外的监护体系及救护体系的不足，挽回更多的生命。

本家用生理参数监测仪，可以实现对心电参数、血氧参数、体温参数等多项生理参数进行实时监测、处理和存储，此外，该监测仪能对各参数的综合分析并在紧急情况下实现自动报警，远程联系指定人员，发送监测数据，具有很高的应用价值和良好的市场前景。

1 总体设计

本系统包括多套家用生理参数监测仪、总控机、PC应用软件，通过GPRS网络，使各个设备有机结合起来，系统框图如图1所示。

图1 系统结构框图

总控机主要包括微处理器、GPRS模块和USB接口等几部分。USB接口与PC机相连，用于收发命令或数据，GPRS模块和家用生理参数监测仪进行通讯，微处理器负责解析PC机或家用生理参数监测仪传送的命令、数据等内容，控制与多个家用生理参数监测仪通讯时的地址匹配，设置急救指定人员联系方式等功能。

本文重点介绍家用生理参数监测仪的设计，该监测仪分布于各个用户处，借助GPRS网络接入Internet，通过总控机，与控制中心之间实现远程数据传输。

2 硬件设计

本设计采用超低功耗芯片MSP430F149为主处理器，从家用便携性角度考虑，需要实现对功率消耗尽可能的减到最小，这样可以减小芯片的发热和延长电池的使用时间。监测仪采用多个模块:心电参数检测电路、血氧参数检测电路、体温参数检测电路、LCD显示模块、按键模块、存储模块、GPRS模块和电源模块[1]。硬件电路结构框图如图2所示。

图2 硬件电路结构框图

采用MSP430F149为主处理器，MSP430是TI（德州仪器）公司设计的16位总线单片机，该单片机具有很好的性价比，内部的集成度也很高，得到了广泛应用。该单片机使用16位精简指令集MCU，命令周期125ns，内存与外围设备采用统一的编址方式，具有64KB的寻址空间，片内外围模块全面。低电压、超低功耗，工作电压3.6V～1.8V，正常工作模式280μA@1MHz，待机模式1.6μA，RAM数据保存的掉电模式下0.1μA，五级节电模式。快速苏醒，从待机模式下恢复工作，只需要不到6μS时间。可靠性能好，适应工业级的运行环境。图3为MSP430F149处理器引脚图。

图3 MSP430F149处理器引脚图

人体心电参数信号是很微弱的低频模拟信号，其幅值一般在3mv左右，甚至低至几十微伏，频谱分布在0.05～100Hz，主要频谱分量集中的5～20Hz，因此需要有针对性的对心电参数信号进行滤波放大再滤波电路处理后，再传送给高精度ADC做模数转换。主处理器将得到的转换数据进行分析、储存、显示和发送。

图4 心电参数检测电路框图

心电参数检测电路框图如图4所示，放大器是整个心电参数检测电路设计的关键，为了提高信噪比，选用高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移的ADI公司的仪表放大器AD620AN，符号图如图5所示，为DIP8封装，只需要在1脚和8脚之间跨接增益电阻RG就可改变放大器的增益。增益G为:

放大器电路图如图6所示。

图5 AD620AN符号图

图6 AD620放大器电路图

放大器输出的信号并不是纯粹的心电参数信号，其中除了夹杂着不少工频干扰外，还有很多直流或低频信号，使用前级和后级滤波器来滤除直流和低频信号。有些工频干扰是以差模形式进入放大器，在输出信号中会有较强的工频干扰，使用50Hz陷波器可滤掉工频干扰。然后将心电参数信号通过电平迁移电路，送入处理器的AD转换器进行模数转换。

血氧检测电路主要测量血氧饱和度，采用反射血氧传感器DCM05，该传感器有4个引脚，其内部电路如图7所示。

图7 血氧传感器DCM05内部电路图

使用时只需将血氧传感器贴近手指，传感器内部的双发射器（LED）分别发出波长为660nm红光和905nm红外光。传感器内部还有一个光电检测器，将穿透和反射的手指动脉血管红外光等光信号转换成电信号，传感器检测到的光电信号越弱，表示光信号穿透和反射探头传感器部分时，被里面的人体组织损耗得很多。而人体组织，比如血液、表皮、钙成分等对红外光的损耗比例是不变的，所以这些人体组织仅影响采集到的光信号中的直流部分。根据HbO2与Hb在两种光线区域的光谱特性，在600～700nm光谱区域，HbO2和Hb的损耗数值不同，静脉血的光线通过损耗系数和光线发散程度与血氧饱和度有很大的关系；而在800～1000nm光谱区域，损耗系数和光线发散程度的区别不大。因此，HbO2和Hb的溶度与光谱特性的关系是成比例的，通过大量相关实验发现，血氧饱和度在660nm和905nm波长附近的光线变化量最大，通过检测这些波长的变化数值，可得到无创方式检测血氧浓度的方法[2]。

血氧检测电路框图如图8所示，通过血氧传感器DCM05内部LED作为入射光源，内部接收器对透射和反射光进行检测，然后进行信号放大和电平迁移。得到的模拟信号传送给处理器进行ADC转换，并进行相应的数据分析和处理，得到无创测量血氧浓度参数数据[3]。

图8 血氧检测电路框图

由于MSP430处理器内部A/D转换器信号电压采集范围是0～3.3V，需要电平迁移电路将放大后的信号电压转换到A/D转换器输入电压范围中。电路图如图9所示，包含电压跟随器和加法器模块。

图9 电平迁移电路图

该电路输出电平电压如下式计算[4]:

体温检测采用DS18B20传感器，该器件传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内，支持“单总线”方式。其主要特点如下:1）电压范围:3.0～5.5V，可由数据线供电；2）单总线接口，与微处理器连接时仅需一根口线即能双向通讯；3）能够实现多点方式成网，几个DS18B20通过单数据总线，同时测量多个端点的温度；4）测量范围从-55℃～125℃，在-10℃～85℃时，测量精度是± 0.5℃；5）分辨率为从9～12位，对应能够检测的温度可辨数值是0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃；6）当分辨率设置为九位方式时，在93.75毫秒以内能将检测到的温度值变为二进制数据，当分辨率设置为十二位方式时，在750毫秒以内能将检测到的温度值变为二进制数据；7）得到的二进制数据形式的数字温度信号，通过单总线方式传递给主处理器，数据中包含校验码，具有很强的纠错能力和抗干扰性。体温检测电路框图如图10所示[5]。

图10 体温检测电路框图

3 软件设计

MSP430主处理器分别控制心电参数检测电路、血氧参数检测电路和体温参数检测电路，并在接收到相应的生理参数检测信号之后，将各生理参数检测信号进行AD转换、分析和处理，并将这些数字化的生理参数检测数据加上时间信息后，保存到存储模块中，同时输出到LCD显示模块上。得到的这些生理参数检测数据还要与正常值进行比较，如果数据在合理范围，则不给予警报，若是数据不在合理范围，将激活GPRS无线数据传送模块，把不合理的生理参数检测数据通过GPRS发送给控制中心，并转发给指定人员，实现自动报警呼救功能[6]。软件系统结构框图如图11所示。

图11 软件系统框图

4 测试结果分析

将传感器连接到手指部位，能得到图12所示的测量波形。

图12 液晶屏显示心电图波形

控制中心得到的某用户生理参数部分数据如表1所示。

表1 某用户生理参数部分数据

5 小结

本家用生理参数监测仪采用MSP430F149为主处理器，具有使用方便、便于携带、价格便宜的特点，并可实时不间断地对心电参数信号、血氧参数信号、体温参数信号等多项生理参数进行实时监测、处理、分析、储存和显示，且可通过GPRS将不在合理范围的生理参数数据发送给控制中心，并转发给指定人员，实现自动报警呼救功能，从而更好的保护人们的健康。

[1]陈轶炜，张永红，白净.基于蓝牙通讯的便携式心电监护仪的研制[J].北京生物医学工程，2008(2)：173-177

[2]张志清.光学传感血氧饱和度的检测[J].传感器世界，1999 (2)：19-20

[3]李龙飘，牛晓春，郭涛，等.基于铂电阻的数字温度测量系统设计[J].电子技术，2009(5)：48-50

[4]户艳，辛荣光.手持式超声测距仪的设计[J].科技咨询导报，2007(20)：24-25

[5]宋森森，赵丽娜,刘凤林.MSP430的低功耗人体生理参数综合测试仪[J].单片机与嵌入式系统应用，2015(4)：41-43

[6]曹峥,沈一凡,冯毅萍.基于虚拟仪器技术的家用心电仪的设计[J].电子技术，2014(9)：84-88

（责任编校：马余平）

Household Physiological Parameter Monitor Based on MSP430

Lu Kuang1Song Xia2
(1.Software and Engineering,Wuhan Vocational College,Wuhan,Hubei 430205;2.Wuhan Polytechnic,Wuhan,Hubei 430205)

The monitor is based on the MSP430F149 processor's home physiological parameter device,with low power consumption,small size,and partial to carry the characteristics.It can real-time monitoring of human ECG parameters,blood oxygen parameters,temperature parameters of three important physiological parameters data.It can storage and display of the three physiological parameters of the data.When the physiological parameters data is not reasonable,it can automatically notify the designated personnel through the GPRS module,and sends the corresponding physiological parameters data.

MSP430;physiological parameters;Monitor

TM 571.6

A

1672-738X(2015)05-0088-04

2015-08-05

2014年度湖北省职教学会科学研究课题重点课题“职业技能比赛对电子类专业领域课程的教学改革意义与实践研究”（鄂职教学会[2014]7号 ZJGA201424）。

卢贶（1973—），男，湖北武汉人，电子技术硕士、副教授、高级工程师。主要研究方向：电子技术及嵌入式系统技术。