基于单片机的心率监测和分析系统设计

2021-04-20周宇阳酒衷豪

无线互联科技 2021年4期

周宇阳，酒衷豪

（东南大学吴健雄学院，江苏南京 210096）

0 引言

脉搏是由心脏搏动而引起的，经动脉和血流传至远端的桡动脉处，它携带着人体丰富的健康状况及信息。中医一直是靠手指加经验获取脉搏信息，这种切脉技巧普通人很难掌握。基于此，本文拟通过单片机与传感器对脉搏心率信号进行检测、采集和处理，对脉搏信号进一步分析将是一项重要且有意义的基础工作，它是对心脏及动脉血管系统疾病预报和诊断的前提[1]。

1 系统总体设计方案

本文设计的心率监测与分析系统能够实现人体心率信号的采集和保存，能够实时显示心率波形，并且实时更新心率值，并对心率信号进行时域和频域的分析。整个系统由STC12C5A60S2单片机采集PusleSensor的模拟信号，并数据信号通过串口送入上位机LabVIEW进行分析、显示等[2-3]。

2 下位机硬件设计

2.1 STC12C5A60S2的最小系统部分

2.1.1 电源电路

电源电路如图1所示，USB电源线输出的5V直流电J1，经过switch开关K_PW1选择通断电，再经过电容C2，C3滤波后送给单片机40引脚电源端，其中LED1为供电指示灯。通过人为控制K_PW1，当电源接通时，LED1发光，断开时，则熄灭。

2.1.2 复位电路

单片机在上电瞬间会自动复位，以便中央处理器CPU及其他功能部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。RST引脚是复位信号的输入端，高电平实现复位且高电平的持续时间需要两个机器周期以上[4]。复位电路一般是RC构成的微分电路，只要保证微分脉冲宽度足够大，即RC时间常数大于2个机器周期。一般取10uF电容、10K欧姆电阻。另外也可通过在电容两端并联一个外接按键实现手动复位。如本设计中复位电路采用的上电复位和按键复位两种方式，当给单片机上电时，电容与电阻组合构成上电复位，当单片机运行的过程中出现故障或程序跑飞时，则可人为控制，按键开关与电阻组合则构成按键复位。

图1 电源电路

2.1.3 晶振电路

STC12C5A60S2单片机内有一增益反相放大器，振荡频率取决于石英晶体的振荡频率。一般取用11.059 2 M 和12 M（有串口通信，建议采用11.059 2 M；如需要精准时间定时，建议采用12 M）。与晶振并联到GND的30 pF小电容是为了稳定晶振频率，也可以微调晶振频率。一般取值在20～33 pF范围内，都可以正常工作[5]。

由于使用串口通信，为了减少通信误差，晶振频率未选择12 MHz，而选择11.059 2 MHz，C4，C5，Y1组合构成晶振电路，XTAL1，XTAL2分别接单片机的19，18引脚。

2.2 传感器与单片机的接口电路

主控芯片STC12C5A60S2 芯片内用8路10bit ADC，本文主要利用ADC0来采集PulseSensor传感器的模拟值，只需要将PulseSensor的1引脚接单片机的P1.0引脚，PulseSensor的2引脚和3引脚分别接5V电源和地，单片机将10bit数位信号通过串口传送给上位机。串口电路如图2所示，其中R4电阻起上拉作用。

图2 串口电路

本节中介绍的硬件电路连同上述的STC12C5A60S2最小系统电路，构成了下位机系统的硬件电路总图。

3 上位机功能设计

上位机总共有四大模块，由4个按钮组成，除退出按钮以外，其余3个按钮可以分别调用3个子模块。采用动态调用，每个功能模块是独立的，方便日后扩展新的模块。

心率信号采集和保存模块界面如图3所示，一个波形图表显示心率信号，另一个波形图显示脉冲尖峰之间的时间差，也就是RR interval。通过函数运算，可以计算出脉冲个数，以及脉冲峰值差的平均值，以及脉冲个数。同时本模块程序还可以读出已经保存好的心率文件，进行同样的分析。HRV心率变异分析本模块先读取心率波形数据，通过波形图表显示出来，然后计算出RR interval，将RR interval数组通过函数运算，可以进行心率变异分析。ECG特征值提取统计模块先读取心率波形数据，通过波形图表显示出来，然后调用库函数，进行统计分析，可以提取ECG特征值的结果，此结果可以作为心率分析的一个重要依据。