心率测量系统设计

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1、心率测量系统设计 摘要:针对传统心率测量受专业知识和工作环境的限制，设计一种低功耗心率测量智能穿戴系统。该设计以STC15W401AS单片机为控制核心，采用NJL5303集成收发光电传感采样脉搏信号，经二阶带通滤波放大处理后由微控制器处理得到心率值，通过蓝牙无线通信将结果发送到 端App软件显示。系统可开发为指套、手环、脚环和耳钉等产品，在不影响使用者日常活动的情况下，可以长时间对心率值进行实时测量，具有较高的实用性。关键词:智能穿戴;心率测量;光电传感器;蓝牙通信;单片机随着国民生活水平的不断提高，人们对健康的意识也不断加强。受专业知识、仪器设备和工作环境等条件的限制，在医院进行检测身体指标

2、的传统方式已经远远不能满足日常生活自我保健的需求。为此提出一种基于智能穿戴的心率测量系统设计方案，以STC15W401AS单片机为控制核心，采用反射式光电传感器为脉搏信号采集方法，通过将传感单元佩戴于手指、耳垂等处，在不影响使用者日常活动的情况下，实时测量心率，并通过蓝牙通信与智能 互联，将实时的数据结果显示在智能 上。1心率检测方法传统的心率测量方法有心电图信号法、压电法等，受使用条件的限制，这些方法一般只在医院临床方面应用。光电容积脉搏描记法PPG是一种新的测量方法，被广泛应用于智能穿戴设备上，传感部件由光电发射器、接收器组成。根据该传感部件与人体接触部位不同有透射式和反射式两种，其中透射

3、式适合安放在人体组织比拟薄的耳垂等位置，反射式那么无此要求，使用更为灵活。反射式光电积脉搏法的工作原理是当脉搏随心脏的搏动而呈现周期性变化时，动脉血管的容积也随之呈现周期性的变化，利用人体组织在血管搏动时造成吸光率的不同进行心率测量。依据朗伯-比尔定律Beer-Lambert,入射波长为λ、光强为I0的线垂直照射人体表皮动脉血管，通过血液的散射、吸收后接收管接收到的光强为1其中εa为动脉血液总吸收常数，ca为动脉血液浓度，va为动脉血液容积。当反射区动脉血管容积变化Δv时会引起接收管光强电流ΔI变化，并有2藉此可知，当动脉血液容积变化时会导

4、致接收光强成正比变化，从而将动脉容积变化率转化为电流强度变化率，对该变化电流信号拾取可实现心率信号的检测。2系统设计假设要在不影响使用者日常活动的情况下，能长时间实时测量心率，因此设计上要求结构巧、体积小、重量轻、携带方便，同时由于受使用环境的限制，应采用电池供电，故还要求系统耗电要低。考虑到使用人群的不确定性，操作上应简单明了，测试结果直观。系统设计框图如图1所示。系统通过反射式光电传感器感知人体脉搏信号的变化，并将其转换为电信号，经过后级电路滤波、放大后输入单片机内部进行A/D转换。在单片机内部通过算法计算出人体实时心率、平均心率，并将结果通过蓝牙通信传输智能 显示，实现人体脉搏心率实时监

5、测。3硬件设计使用反射式光电传感器采集人体的脉搏信号并转换成电信号。光电传感器分发射源、受光源两局部。研究说明500700nm光源光波对动脉血中氧红蛋白有较好的选择性，560nm波长光波能反映皮浅薄部的微动脉信号，适合用于提取脉搏信号。选用JRC公司NJL5303收发一体反射式光电传感器，其发射光源波长570nm，体积尺寸仅为1.9x2.6x0.8mm。NJL5303发射管工作电压设定为2V，工作电流设定为8mA，具体光电检测电路如图2所示。光电传感器感知输出的脉搏电信号非常微弱，且容易受到干扰，因此需进行滤波和放大。图3为脉搏信号放大、滤波电路，主要以运算放大器为核心的2级结构完全相同的带通

6、滤波、放大电路构成。选用型号为MCP602运算放大器，其为轨到轨输出的高精度运放，2.76V单电源供电，增益带宽为2.8MHz。经过C1、R1组成无源高通滤波器，滤除传感器输出信号VO中的直流分量，U1A、R2、C2组成有源低通滤波器滤除VO中包含50Hz在内的高频干扰并将其放大。该电路高通截止频率fH、低通截止频率fL、增益G分别为3U1B为核心组成第二级滤波放大电路，性能参数同U1A。两级放大电路总的增益可到达10201≈80db。光电传感器输出的毫伏以下的信号到图3电路后，经U1放大可输出伏特级信号送后级电路处理。该设备采用锂电池供电，通过USB口进行充电，设计由MCP738

7、31组成的USB充电电路如图4所示。MCP73831为单芯片锂、锂聚合物电池充电电路，SOT-23-55脚小尺寸封装可选，充电电压4.24.5V可选，充电电流通过外接电阻可在15mA500mA编程设定。主控制电路控制器选用STC15W401AS新型8051内核单片机，该单片机为增强型8051内核单片机，可在2.55.5V宽电压范围工作，功耗低。单片机内置512个字节SRAM数据存储器，2KB个FLASH程序存储器，8通道10bitA/D转换器，使用串口IAP在线下载程序，SOP16脚封装，体积小巧。设计主控电路如图5所示，传感器感知脉搏信号Vsensor输入到单片机的P1.0口，该口同时也是A

8、DC0输入引脚。本设备不带显示单元，测量结果通过蓝牙方式传输到智能 ，通过在智能 上运行App显示测量结果。为实现与智能 间的无线数据传输，主控电路设计蓝牙接口连接XM-15B蓝牙模块。该蓝牙模块支持蓝牙2.1协议，模块无需编程，控制器通过串口给模块发送AT命令直接配置即可使用。4软件设计心率有瞬时值测量和平均值测量。类似信号频率测量法，通过在单位时间内统计输入脉搏信号的个数并通过公式计算后即可得到心率瞬时值IHR4式中T为单位时间1秒，N为单位时间统计的脉搏脉冲个数，单位为bpm(beatperminute)。此法受元件特性及外界干扰较大，可靠性差，统计测量时响应差，故测量精度度和鲁棒性较差

9、。两相邻脉搏波R波之间的间隔时间为脉搏周期THR，假设f0为频率远大于IHR的脉冲，并以THR为闸门时间对f0进行计数，计数值为N，显然5可以得到IHR为6比照公式6、5可以发现，6式T0依照6式编写IHR测量程序，实现思路为启动单片机定时器定时分辨率1uS，Vsensor脉搏信号输入单片机内部比拟器，当输入信号幅度超过比拟器设置阀值后比拟器状态产生翻转，将其整形为矩形波。比拟器每次发生翻转触发中断，通过中断效劳读取定时器计数值，并与上一次读取到的计数值相减后得到N，代入6式即可得到瞬时心率值IHR，屡次累加除权后可得到其平均值，程序流程图如图6所示。5结语依据以上原理及电路设计实测模拟信号波

10、形如图7所示。本系统可以实时测量人体心率，结果及时显示在智能 上，数据信息读取方便。将系统应用于智能穿戴设备之上，可以制作成手环、脚环等产品，亦可以制成耳钉或植入耳塞，具有体积小、本钱低、实用价值高等特点。参考文献【1】徐礼胜,靳雁冰.多传感器融合的穿戴式心率监测系统.哈尔滨工业大学学报,2021,47(05):97-103.【2】靳雪斌.基于光电容积脉搏波形描记法的智能婴儿脚环设计.开封:河南大学,2021:5-6.【3】龚渝顺,吴宝明,高丹丹等.一种抗干扰穿戴式血氧饱和度监测仪的研制.传感技术学报,2021,25(01):6-10【4】华晨惠,王晓飞,邵海明等.纽扣式无线心率监测系统设计.实验室研究与探索,2021,36(01):65-68.