简易便携式脉搏心率监测系统设计*

2019-07-01杨潞霞刘昊楠

山西电子技术 2019年3期

杨潞霞，刘昊楠

(山西大学商务学院信息学院，山西太原 030031)

0 引言

脉搏心率是指单位时间内心脏搏动的次数[1]，它直接关系着人们的身体健康情况，尤其对于老年人进行实时心率监测更是尤为重要。从古到今，国内外医学行业一直都是从脉搏波动中来提取人体的生理信息，脉搏心率被公认为是患者临床诊断中的可靠依据，是让医生能够快速对症下药的手段之一[2]。我国中医一贯以摸脉象来发现身体内脏腑之间的异常变化，他们在看病时首先将手指轻放在患者的手腕一侧，心中默数脉搏跳动次数，以此来分析患者病因。但是这种默数脉搏跳动次数往往会受到环境、心情等外界因素的影响，而产生误差，此外，由于脉搏的复杂性和跳动快慢的不均匀性，使中医如此记录脉象存在片面性，缺乏客观性。因此随着科学技术的发展，近现代出现了一些电子心率检测仪器，希望能借助现代电子测量仪器来实现较客观的脉诊。

如今，越来越多的科学技术被运用到量化电子测量脉搏中[3-5]且成为一种趋势，我们现在经常见到的医院所使用的脉搏检测基本都是以集成化的微控制单元(MCU)为核心，其具体方法有压力式传感、光电式传感、超声脉图法、电容式传感等等，实际临床中常用的是超声脉图法和光电传感器法，并以这些方法制造了不同的电子仪器。但是这些仪器虽然都有较高的精度，可往往都是有线检测，设备比较大，这给用户实时地、便携式检测带来一定的局限。因此，本文利用日益发展的MCU、光电传感器技术和GSM无线通信传输技术，设计一种操作简单，成本低廉的便携式脉搏心率监测系统。该设计可以使心率检测不再受限于在医院进行，而是随时随地进行，并在出现心率跳动异常时向相应手机发送警报短信，有利于人们对自身的健康状况实时掌握。

1 系统总体设计方案

本系统采用STC89C52单片机作为核心控制芯片，连接红外检测、报警、按键、显示和GSM通信等功能模块。系统计时利用单片机系统内部定时器来完成，其基本原理是当用户的手轻轻地触摸光电传感器时，红外光电传感器模块可以根据人体血液流动造成透光率不同，获取到不同强弱的红外光照射光信号，再将光信号经由光电传感器转换之后产生电信号，并对传回的信号利用外部中断进行计数，再通过计时器来累计时间间隔内的脉冲次数，并最终计算得到用户每分钟的脉搏跳动次数[3]。LCD液晶显示模块将实时地显示出测试得到的每分钟脉冲跳动次数。考虑到合理的预警功能，测试前用户可以根据个人实际情况设定脉搏心率的上下阈值，单片机将对采集到并计算好的脉搏心率与预设的阈值进行比较处理。如果测量值不在设定阈值范围内，系统将通过GSM模块给预设手机发出警告短信，同时伴随蜂鸣器声音报警。脉搏心率监测系统的总体设计如图1所示。

图1 脉搏心率监测系统的总体设计图

2 系统硬件设计

本系统的硬件电路主要采用模块化设计，根据系统功能，主要选用了单片机模块、红外光电传感器模块、GSM模块和显示模块。脉搏心率监测系统的整体设计电路如图2所示。

2.1 单片机模块

单片机控制模块是本设计用来控制整个脉搏心率监测系统实现功能的关键所在，它要完成对各个功能模块的控制。该控制模块就是单片机最小系统，由STC89C52芯片、时钟电路和复位电路组成[6]。

采用STC系列单片机，具有可靠性高、成本低、性能强等优点。此外，STC89C52还具有丢电保护功能，如遇突然停电，单片机虽停止工作但会保存丢电前的数据内容，为有电后继续工作提供便利。因此选择STC系列微控制器，操作简单、物美价廉。

图2 心率监测系统总体设计电路图

2.2 光电传感器模块

本设计采用红外光电传感器对人体脉搏的跳动次数进行检测。该模块的主要工作原理是：首先，通电后传感器发出的红外光会照射到用户手指，随着血液流动人体手指部位的动脉血流动情况会造成红外光的强弱变化；接着，光电二极管接收的信号就随着用户脉冲波动的变化而变化，同时转换为电信号变化；最后，考虑到接收的脉冲信号十分微弱，并有噪声干扰，需要添加一个放大和滤波效果的设计。本设计采用了以LM358为主体而搭建的放大及滤波电路，由于此放大滤波电路也会受到低频干扰，设计中添加了整流电路，以此提高抗干扰能力。此外，LM358模块连接有LED，用LED指示当前脉冲状态，这样用户可以直观地观察到自己脉搏跳动。

2.3 GSM通信模块

GSM通信模块是实现系统无线收发的功能模块，接收单片机发出的指令，并将心率异常的信息通过短信的方式发送到预设的手机号上[7,8]。GSM通信模块由外接SIM卡的TC35集成电路组成，其使用需要先进行手机注册，即为系统预设需发送短信的手机号。操作时，先打开集成板的开关按钮，指示灯会均匀间隔闪烁，输入预留手机号，当LED灯快速的亮一下，接着暗几秒，即意味着GSM通信模块注册成功。注册成功后，预设的手机号会接收到短信。GSM通信模块的引脚如图3所示。

图3 GSM通信模块接口图

GSM发送短信的方式有两种，TEXT模式和PDU模式。文本模式无需编码只能发送英文字母，如a、A等；PDU模式需要编码但可以发送英文字母或中文汉字，即可以发送中文短信或英文短信。本设计选择PDU模式，通过“AT+CMGF=0”指令来设置，其编码方案有三种：7-bit、8-bit和UCS2编码。当测得心率值低于下限阈值时，发送中文短信“请注意！心率过低！”；当心率值高于上限阈值时，发送中文“请注意！心率过高！”信息。

2.4 LCD显示模块

从性能、价格等方面比较，本设计采用了LCD1602液晶显示屏来输出显示当前检测的脉搏心率等信息。LCD1602模块可以同时输出32个字符，有16个引脚，采用14脚的无背光标准连接。引脚电路连接好后，随着传感器传输的信号发生变化，LCD显示屏上显示的信息也在变化。

3 系统软件设计

3.1 系统总体程序设计

系统软件设计主要就是基于STC89C52硬件的编程，包括主程序和各个功能模块的子程序，根据程序流图使用C语言进行模块化编程。先对各模块进行初始化设置，再启动定时器中断和外部中断，在中断事件来之前，系统不断刷新屏幕信息。当按键输入时，CPU接收到外部中断命令，实现中断，根据输入修改一些要求设定参数，并存储起来，例如先通过按键选择来找到需要设置手机号的参数，然后再使用相应按键进行值设置，这样就可以存储下预留手机号。当中断事件出现时，系统便积累时间，计算心率值，并对值与预设阈值进行对比分析，判断执行过程。

系统程序流程如图4所示，连接电源后，单片机首先是系统的初始化，一些参数初始值的恢复；接着进入循环，循环中不断判断，比较用户按下按键与相对应的功能，进行下一步操作。各按键功能分别是：按键1按下可进行上限及下限的阈值设定；按键2功能可对当前值加1；按键3功能可对当前值减1；按键4按下可以测量当前用户的心率值。脉搏心率监测系统定时器计时15 s后进行一次计算，然后换算得到脉搏跳动次数，同时将值显示到LCD屏幕。

图4 系统程序流程

3.2 计算脉搏心率程序设计

脉搏心率监测系统计算脉搏值的子程序流程图如图5所示，以15 s作为时间间隔，先对脉搏次数计数，然后再计算出60 s的脉搏数，并将结果显示到LCD屏幕上。

4 系统检测结果

系统设计完成后，实物如图6所示。STC89C52是本系统的核心控制芯片，当手指放到光电传感器上，LCD1602显示屏有示数显示。屏幕第一行为当前的心率值，第二行为预设的上峰阈值和下限阈值，例如图中所示的“H:090 L:050”。用户可以通过下方的两个按键对上下阈值进行适当的调整。此外，第四个按键选择后，可以对手机号进行输入设置，这样心率检测结果就可以发送到指定手机用户，达到实时监测效果。