无线可穿戴式心率仪的系统设计*

2021-01-24陆黎容严小黑

科技创新与应用 2021年4期

陆黎容，严小黑

（广西民族师范学院，广西崇左 532200）

引言

科学技术的不断发展，为各类电子产品的研发提供了基础。“可穿戴式智能设备”为近几年热门的设备，其思想、萌芽的形成可以追溯到20 世纪60年代[1]。我国的可穿戴式智能设备起步较晚，到了20 世纪90年代末才对其进行研发，但随着科技大浪潮的推动和国家政策大力扶持，我国在此方面的发展迅猛[2]。可穿戴式智能设备主要分为两大领域：一是健身、户外运动，另一个是医疗保健。无线可穿戴式心率仪在这两方面皆有应用，针对不同的使用群体其所达到的效果不尽相同，在年轻的用户中主要通过心率快慢来控制自身运动强度，制定合适自己的锻炼方法[3]。心脏的跳动是人生还的重要条件，而心率也是人体重要的生理性指标之一，所以对于老年人及有心脏疾病的使用者来说，加入了无线传输的部分，让心率仪的研发对人们监控身体健康、对疾病的及时治疗和预防疾病发生有重大意义[4]。

1 系统总体设计

系统的整体结构包括心率检测模块、单片机控制系统模块、显示模块、无线传输模块和报警模块。心率检测模块用于实时检测人的心率，显示模块用于实时显示人的心率值、心率阈值及报警信息，无线传输模块用于当检测心率超过阈值时及时通知相关联系人，报警模块用于当检测心率超过阈值时及时提醒使用人。

图1 系统总体框图

2 系统硬件设计

2.1 元器件的选择

单片机控制系统模块采用STC89C52 芯片，这是一种集成化很高的电路芯片，其功能十分强大，能够创造出各种不同的智能产品，它既可按照设计要求进行程序设计，其需要用到的电路很少，只需要在外接电源正负极进行供电、复位电路让单片机能初始化，晶振电路（时钟电路）为其提供时钟脉冲信号就可组成单片机正常工作的最小系统。

目前心率测量的方法主要有两种：（1）用微压力传感材料制成的压电式传感器；（2）用红外线传感器。前者在进行测量时脉搏产生的信号和自然抖动的信号对传感器都会产生压力，两者压力叠加会使得测量的数据偏高，造成不可避免的误差。而红外线传感器是利用了红外光的折射、反射、衍射、散射、吸收等物理特质来进行测量的一款传感器，在对人体脉搏的测量中，通过对人体血管内血液流动时光折射的程度来测量心率，将光折射出的程度转化为电信号输入到控制器内进行处理。使用该方案有很多优点，最主要的优点是它受到外界干扰较小，也是目前广泛使用的方法。本设计的心率检测模块采用ST188红外传感器及传感控制电路，其通过检测人体血管里血液流动的时候对光的透过程度或者折射程度等指标来检测心率。

显示模块采用LCD1602 液晶显示屏，其有2 行每行可以显示16 个字符一共可以显示32 个字符，这是一种用来显示字母、数字和符号的点阵型液晶模块。这种液晶块共16 个管脚，除去第15 的背光正极管脚和第16 背光负极管脚，剩余14 脚可分为电源、控制和数据管脚。

GSM 无线报警模块使用SIM800C 芯片，实现无线短消息报警功能，其在掌上电脑和移动电话上执行配套程序，以数字及直观的图形实时显示生命体征，根据预定程序将紧急情况下的生理数据即心率值通过短消息方式发送到指定联系人掌上电脑或移动电话上。

报警模块是由PN 三极管、蜂鸣器、电阻组成的报警电路，在心跳超过设定阀值时给予使用者提示。

2.2 电路原理图设计

心率仪中单片机最小系统如图2 所示。采用的是STC89C52 芯片作为主控元件，外接了两个电路：一是由12MHZ 晶体振荡器和瓷片电容组成的晶振电路为系统供应了工作频率，二是复位电路中则采取了两类方式——上电和按键。

使用红外传感器ST188 器件为脉冲信号处理电路的核心，将接收到的信号进行滤波后，通过放大处理，最终把信号传输到单片机中进行处理（见图3）。

液晶显示部分的电路中，并不是把显示器直接接入到STC89C52 中，而是外接了一个上拉电阻用来提高了单片机的驱动能力，如图4 所示。

心率仪设计了两个报警系统，分别为GSM 无线报警，利用SIM800C 发送短信来完成无线报警；另一个是蜂鸣器报警，在超出上限和低于下限时向使用者报警的装置。

图2 单片机最小系统

图3 脉冲信号处理电路图

图4 C52 外接上拉电阻及1602 液晶显示图

图5 GSM 无线传输报警电路图

3 系统软件设计

图6 蜂鸣器报警图

一个完整的单片机不仅要有硬件电路，其灵魂核心是程序的设计，只有程序才能够驱使单片机对输入的信号进行处理，再输出到各类显示器件中。单片机程序中必不可少的是主程序，根据本次设计的要求加入了中断、蜂鸣器、液晶显示、GSM 无线传输等子程序。

3.1 主程序介绍及其框图结构

主程序（main 函数打头）是整个程序里运行的核心，在单片机的软件编程中代码都是从检测到main 函数开始运行，而各类子程序在main 函数中得到调用。主程序里先进行的是数据初始化处理，将上一个运行的数据归零让程序回归原始状态，可以进行新一轮的心率测量，开始C52 的又一轮工作。现今人们的生活节奏很快，虽然心率仪检测的时间越久数据会越精准，但花费1 分钟时间来测量脉搏的时间成本较高，所以在程序设计时设定了6s 内收集完数据，并完成心率的计算。

图7 主程序框图

在主程序前还需要有头文件和定义各类变量、所需要调用的函数，程序才能够正常运行。main 函数内进行内数据初始化，GSM 模块，按键模块，液晶显示模块，脉搏信号模块等函数的调用，用来调用函数程序来实现心率仪的功能。

3.2 中断程序

中断程序系统在单片机程序中占据重要地位，单片机的控制器CPU 与外接的电路之间往往会存在速度不匹配的问题，而中断程序就可以解决这一问题，让单片机在运行的过程中能够快速处理程序中各种类的随机参数和不同的信息，与此同时，让单片机处理故障的能力得以提升。中断的类型也有很多，在此次心率仪的中断程序中采用了多种类型的中断实现对不同模块的定时、计数，有决定蜂鸣器是否启动报警的定时器0 中断，而定时器1中断和外部中断相配合一起测量计算心率的情况，GSM模块的中断则通过串口中断来实现。