基于MSP430单片机的便携式手指脉搏测试仪

邱治金 蓝慧雪

摘要：心血管疾病一直是人类健康的重大威脅，早发现早治疗是控制死亡率的关键，普及家用心血管疾病的检测仪器显得尤为重要。该文介绍一种便携式手指脉搏测试仪的设计与实现。系统采用MSP430F149单片机作为控制器，采用光电脉搏传感器检测脉搏信号，利用单片机内置12位A/D转换器跟踪脉搏信号，由程序算法计算脉搏及脉动强弱。脉搏数据存储在AT24C02存储器中，在LCD液晶上显示。经过反复测试验证，系统工作稳定，反应速度快，能在误差范围正确测量手指脉搏、超限报警、查看历史数据、显示实时时间等。

关键词：脉搏;便携式;单片机;光电传感器

中图分类号：TP3        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）34-0236-02

心血管疾病已经成为世界上发病率和死亡率第一的疾病，对人类的身体健康构成强大的威胁。在我国，每年近300万人死于心脑血管病，平均每10秒钟就有一人死亡。即使应用最先进的治疗手段，仍有50%以上的患者生活不能自理。心血管疾病是可预防可控的，除了合理的饮食调节，日常监测更为重要，提早发现异常，能让患者得到及时有效的治疗。人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，是血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波成为脉搏波。脉搏波的形态、强度、速率和节律等，能反映出人体心血管的健康状况。因此，本文介绍一种便携式手指脉搏测试仪得设计与实现，该测试仪成本低，使用方便，可有效监测使用者的脉搏数据信息，并能进行脉搏异常情况报警。

1 系统整体设计

系统由脉搏传感器对脉搏进行检测，输出脉搏电压模拟信号，由MSP430F149单片机内置的12位A/D转换器对脉搏信号进行采样、转换。然后由处理器对ADC采回的数据进行处理、计算心率、存储数据，送液晶显示器显示。系统框图如图1所示。

本系统采用MSP430F149单片机作为主控制器。MSP430F149单片机是一种16位精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）[6] [7] ，具有低电压，超低功耗，处理能力强，高性能模拟技术及片上外围模块丰富，内含基本时钟模块、看门狗、内部温度传感器、比较器、硬件乘法器、12位A/D转换器、2个16位定时器、2个串口、6个8位并行端口，其中P1和P2口有中断能力，系统工作稳定，开发环境方便灵活，适合于本系统的设计需求。

脉搏波的特征、参数对心血管疾病病理的研究有着重要的意义，目前常见的脉搏采集方法有：压力传感器法、超声脉图法、光电容积法、电容传感器法、电声传感器法等。其中，超声脉图法和光电传感器法在目前临床应用中比较普遍。电容、电声和压力传感器法多用于无创血压测量中的脉搏测量。相比于压力传感器，光电脉搏传感器让人体的感觉更加舒适，测量的方式简单，可靠性也高于压力传感器。光电脉搏传感器根据光电容积法原理，通过对手指末端透光度的监测，脉搏搏动时血管血容量变化，透光度随着改变，接收器接收到的光强度不同，因此接收器输出的电压也是随脉搏搏动而改变。将不易测量、采集的生物信息脉搏信号转化成了易于采集、处理的模拟电信号。本系统采用的Pulse Sensor传感器利用光电容积法原理，结构简单、无损伤、精度高、可重复使用。

人体的脉搏频率范围大约在0.5Hz～4Hz。根据脉搏功率谱能量分析，健康人脉搏能量绝大多数分布于1Hz～5Hz之间，有些病人的脉搏则可能达到10Hz以上，一般不超过30Hz，远小于工频信号50Hz，且脉搏信号幅度非常微弱，光电接收器输出的电压信号幅度只有几毫伏。为得到单片机能识别的模拟电压信号，先将光接收器输出信号通过滤波电路，进行滤波，滤除干扰，之后再放大。光电脉搏传感器的结构框图如图2所示，实物图及脉搏信号图如图3所示。

2 系统软件设计

系统软件采用C语言编写程序，便于实现设计要求的复杂运算和数据处理，解决系统实时性问题，系统软件主要由脉搏测量及控制、人机交互界面、数据存储显示、系统实时时钟等程序模块组成。系统软件流程图如图4所示。

2.1 脉搏信号的采集及数据处理

脉搏信号的采集和数据的处理是手指脉搏测试系统能否实现的关键。利用单片机内置的ADC转换器和定时器，确定脉搏波上的相邻周期相同电压点的时间差，计算得到每分钟脉搏搏动次数。系统在定时器每次定时2ms时对ADC采集到的数据进行处理。根据两个相邻脉搏波上升沿的中间值来确定两次心跳的间隔时间，再通过两次心跳的间隔时间来计算心率，为了较小误差，采用多次测量中值算法处理。脉搏数据的处理在定时器中断服务程序中执行。检测到脉搏信号后，待稍稳定后，为滤除脉搏波在动脉中反射产生的重波，超过3/5个脉动时间间隔后，再比较A/D采样转换的脉搏信号电压数字量与上述确定的阈值，跟踪脉搏波上升沿，确定是上升沿的中间值后，记录时间与上次记录的时间相减，得到两次心跳的间隔时间IBI，单位为毫秒，则脉搏速率BPM=60000/IBI。脉搏波信号的电压幅值数字量用作判断脉搏强弱的依据。根据脉搏信号波峰波谷差电压幅值大小，用以判定脉搏的强弱。

2.2 人机交互界面

现代仪器的开发中，人机交互的设计不可缺少的，人机交互界面的合理设计使得仪器的使用更加便捷，提高仪器的工作效率。本系统的人机交互包括按键输入和液晶显示。按键处理软件采用轮询法依次读取I/O口的电平状态，对按键进行查询和识别。分别实现工作模式选择、脉搏数据的存储、报警阈值设置、历史数据回显控制等功能。液晶显示可直观输出脉搏测量的结果和设置信息。对于心率过于缓慢或者过快的情况，液晶将显示文字提示进行报警。测得的心率在正常的范围则显示心动正常，非正常状态用红色字体显示，正常状态用黑色字体显示，达到醒目报警的目的。

2.3 数据存儲

该部分软件程序实现将脉搏和时间等数据存到AT24C02存储器的功能，并能从存储器读取数据记录送液晶显示。根据功能需求，一个记录包括心率BPM及心率测试存储时的时间（月、日、时）共四个数据，使用存储器的四个地址来存储。AT24C02有256个存储地址，每个地址能存储的一个字节数。首次存储选择地址为0的字节单元存储数据，每次存储完数据之后，保存地址，在每次存储数据之前读回上次存储进去的地址，从下一个地址开始存储数据。存储数据的地址范围为4～255，每四个地址存一个记录，最多可存储63个记录。当超过62记录，则将前面的数据覆盖。每次测量之后，由按键START是否按下决定要不要存储数据。START按下，取将要存储数据的首地址，并显示存储的是第几个记录的。存一次数据。每存一次数据，读一次存储器所有的数据进行平均、最大值的运算，并显示在液晶上。

2.4 系统实时时钟

该部分软件程序对日历芯片PCF8563进行初始化，读取时间寄存器的时间数据在并在液晶上进行显示。在存储心率数据时，读取当时时间，取月和日存储。程序读日历芯片时间，首先给一个开始信号，给PCF8563写写地址字节，然后写入要读的寄存器的首地址，再写读地址字节，然后读时间寄存器中的时间值，读的地址由PCF8563内部计数器自增1，在读完时间寄存器后给出一个停止信号。给芯片写入最初始时间后，芯片运行正常，之后的操作则不需要给时间寄存器写最初始时间。日历芯片的初始化和读取时间作为子程序供主函数调用。

3 结论

经反复测试校验，该便携式手指脉搏测试仪可有效地实现脉搏的测量和显示，具有成人及婴幼儿脉搏异常报警功能，脉搏强弱指示功能，脉搏数据平均值、最高值统计功能。系统工作稳定，实时快速，使用方便，测量误差小。通过该手指脉搏测试仪，可帮助使用者及其家人及时了解脉搏和心率异常情况，对心血管患者可以起到预警和早发现早治疗的作用。

参考文献：

[1]  我国心脑血管病现状亟待扭转[N].光明日报，2012-4-22（6）.

[2] 杨琳，王薇薇，宋娟，等.指脉脉搏波自动识别及自动采集控制方法[J].北京工业大学学报，2013，39（8）：1261-1263.

[3] 杨金红，林咏海.指夹式光电脉搏传感器[J].科技信息，2009（36）：87，90.

[4] 张珣，周杰.光电脉搏传感器的设计与改进[J].中国医疗器械杂志，2009，33（5）：344-346.

[5] 焦洋.指端脉搏信号测试系统研究[D].长春：长春理工大学，2007.

[6] 李晋华，杜宇慧.光电脉搏仪的设计[J].自动化技术与应用，2008，27（8）：99-100，103.

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