基于Arduino和LabVIEW的脉搏心率检测仪

王慧媛,蒋敏兰

(浙江师范大学 数理与信息工程学院，浙江 金华 321004)



基于Arduino和LabVIEW的脉搏心率检测仪

王慧媛,蒋敏兰

(浙江师范大学 数理与信息工程学院，浙江 金华 321004)

针对目前心血管疾病严重威胁人类健康,且在我国的发病率与死亡率居高不下的现状，设计了基于Arduino和LabVIEW的脉搏心率检测仪。下位机选用Arduino为主控芯片，将脉搏心率检测模块检测到的脉搏信息通过串口发送给LabVIEW上位机，上位机对接收到的数据进行处理并显示动态脉搏曲线，同时将脉搏测量结果显示在上位机前面板。该检测仪可实现对脉搏和心率信号的采集、显示、波形回放和存储，与物联网技术结合可以实现远程监测。测试结果表明，该检测仪测量误差不超过1%，利用该仪器可及时了解被测者的身体状况。

LabVIEW；Arduino；脉搏检测；心率检测；串口通信

引用格式：王慧媛,蒋敏兰. 基于Arduino和LabVIEW的脉搏心率检测仪[J].微型机与应用，2016,35(17)：94-96.

0　引言

人体脉搏系统是心血管系统的重要组成部分，脉搏波所呈现出的形态、强度、速率、节律等方面的综合信息，反映了人体心血管系统中的许多生理病理特征，是临床诊断和治疗的重要依据[1]。数据显示，我国心血管疾病的发病率和死亡率持续上升，约300万患者每年死于心血管病，几乎每3个死亡的人中就有1人是心血管病，心血管疾病已成为人类健康的头号杀手[2]。

目前，国内外在脉搏检测方面已经开展了大量工作，脉搏测量技术也越来越先进。过去医院临床监护和老年保健中常用便携式电子血压计，但其在利用气泵加减压过程中会使患者不适，且存在体积庞大、检测精度低等缺点；而近来研发的多种无创非接触式仪器能够自动消除系统误差、测量精度高且能够实时显示病人脉搏信息，但此类仪器多用于大型医院且价格昂贵，不适合广大消费者的使用[2]。本文提出的基于Arduino和LabVIEW的脉搏心率检测仪利用美国NI公司开发的LabVIEW图形化编程开发平台[3]，设计了简明、直观、易用的上位机显示界面，精度高，使用方便，具有广阔的应用前景。

1　系统方案设计

系统由上、下位机组成。下位机由单片机系统进行数据采集、信号调理[4]。上位机(PC)基于虚拟仪器图形编程软件LabVIEW8.0 编制软件程序,实现脉搏信号的数据读取、滤波、脉搏频率计算、波形显示等功能[5]。上、下位机通过RS232串口通信。系统框图如图1所示。

图1　系统设计框图

2　下位机设计

2.1传感器选型

传统的脉搏测量方法主要包括三种：一是从心电信号中提取脉搏信号；二是利用测量血压时压力传感器测到的波动来计算脉率；三是光电容积法测量[6]。前两种方法提取信号都会限制病人的活动，如果长时间使用会增加病人生理和心理上的不舒适感。本设计选用集成化脉搏传感器A27pulsesensor，它是利用人体组织在血管搏动时造成透光率的不同即光容积法来进行脉搏的测量，具有方法简单、可靠性高且佩戴方便的特点。当光束透过人体外周血管，由于动脉搏动充血容积变化导致这束光的透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是脉搏率。图2右为A72脉搏心率检测模块。

图2　底层硬件结构

2.2Arduino单片机

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。Arduino能够通过AD对传感器信号采样处理，并将数据通过串口发送至LabVIEW平台。其与脉搏心率检测模块一起构成了本设计的底层硬件。图2为底层硬件结构。

2.3基于Arduino的硬件程序设计

由于心率检测模块的输出信号为0～5 V的电压信号，因此只需要利用Arduino的一个模拟信号输入端口将0～5 V的模拟信号转化为0～255的数字信号，即可实现对脉搏信息的采集，同时通过RS232串口协议将信号传送到LabVIEW上位机。

3　上位机设计

3.1基于LabVIEW的算法设计

LabVIEW通过串口接收到下位机发送的脉搏数据，为了得到准确的心跳频率，把接收到的值与前两个数据进行比较，分别获得数据流中最大值时间tmax和最小值时间tmin，因此心脏实际的跳动周期为：

T=|tmax-tmin|

如图3所示为脉搏心率检测流程图。

图3　脉搏心率检测流程图

3.2基于LabVIEW的上位机设计

上位机设计采用LabVIEW8.0进行图形编程。LabVIEW软件提供了有关串口设计的VI[7]，可以实现串口的配置、读写和中断等功能。同时充分利用其强大的数据处理能力，实现对脉搏波的采集、滤波、显示、波形回放、存储等功能，如图4所示为上位机软件界面，图5所示为LabVIEW后面板图形编程。

图4　LabVIEW界面设计

图5　LabVIEW后面板程序

4　测量结果及误差

表1为6例检测心率的样本结果与采用购买的标准仪器测量结果的对比及误差，样本来自无疾病、无精神障碍的大学生。其中：

测量误差=|实测值-标准值|/标准值

由表1可知，本设计误差不超过标准值的1%。

表1　心率检测结果及误差

5　结论

本文利用脉搏心率传感器、Arduino单片机和LabVIEW平台设计了一款低成本、低功耗、操作简单、界面美观的脉搏心率检测仪，实现了以下功能：

(1)下位机数据采集处理以及数据发送；

(2)LabVIEW上位机接收数据并实现心电图显示、数据存储及波形回放；

(3)定时计算心跳频率并显示；

(4)绘制心形曲线。

在当前互联网+的模式下，尤其是网络技术高速发展推动虚拟仪器及其相关领域快速发展的情势下，本设计更加符合社会消费理念和广大消费者的生活需要。

[1] 罗志昌，张松，杨益明．脉搏波工程分析与临床应用[M]．北京：科学出版社，2006．

[2] 许雪楠，梁晋涛，黄邦宇. 基于STM32 的健康一体机控制系统的设计[J].微机型与应用， 2013，32(16)：20-22，25.

[3] 李能禾，成谢锋. 基于LabVIEW和MATLAB的心音检测与小波去噪[J].微机型与应用, 2010,29(1):6-9.

[4] 韩军. 基于LabVIEW的脉搏信号检测系统[J].微计算机信息,2011,27(5):58-59.

[5] 姚峰,乔晓艳，董有尔. 基于LabVIEW的无创脉搏血氧检测系统设计[J].山西大学学报(自然科学版)，2010，33(1)：92-96.

[6] 吴素花.张永寿. 基于虚拟仪器的心率检测[J].中国医学装备，2015(4)：47-48.

[7] 杨丹，丁梦晓，郑磊，等.便携式脉搏血氧饱和度测量仪的研制[J].微型机与应用，2015，34(22):92-95.

王慧媛(1995-)，通信作者，女，本科，主要研究方向：电子与系统。E-mial:1975917761@qq.com。

蒋敏兰(1976-)女，副教授，硕士生导师，主要研究方向：传感器技术及应用。

A pulse and heart rate inspection tester based on Arduino and LabVIEW

Wang Huiyuan, Jiang Minlan

(School of Mathematical and Information Engineering, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China)

Aiming at the current sitution that cardiovascular diseases pose grave threats to human health, and the morbidity rate and death rate in China staying at a high level, a pulse and heart rate inspection tester based on Arduino and LabVIEW is designed in this paper. The lower computer uses Arduino as control chip sends pulse information acquired by pulse sensor to the LabVIEW upper computer, and the upper computer receives the data then processes and displays the dynamic curve of the pulse, meanwhile,displays the pulse measurement results in the front panel of upper computer. This detector can achieve the collection, display, wave shape playback and storage of pulse and heart rate signal, and can realize remote control combined with Internet of things. Test results show that the measurement error is less than 1%. The physical condition of the subjects can be known in time through this inspection tester.

LabVIEW; Arduino; pulse detection; heart rate detection; serial port communication

TH776

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.17.028

2016-05-15)