無線可穿戴式心率儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

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摘要：本設(shè)計(jì)硬件主要以STC89C52單片機(jī)為控制處理單元，紅外線傳感器作為心率跳動(dòng)的感應(yīng)器，GSM模塊為無線通信模塊。通過紅外線傳感器進(jìn)行心率的信號(hào)輸入，經(jīng)過濾波放大后輸入單片機(jī)系統(tǒng)中，最后在LCD1602液晶顯示屏中顯示心跳次數(shù)，當(dāng)心跳數(shù)超過或低于閥值時(shí)通過蜂鳴器對(duì)使用者進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)通過GSM模塊發(fā)送短信告知他人。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以下兩個(gè)功能：一是做到了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示心率功能，讓使用者了解自身心率情況；二是做到了通過無線通信功能（以發(fā)送短信的方式），讓他人知道使用者現(xiàn)在的心率情況。

關(guān)鍵詞：心率測(cè)量；GSM無線傳輸；紅外線傳感器；STC89C52

引言

科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為各類電子產(chǎn)品的研發(fā)提供了基礎(chǔ)。“可穿戴式智能設(shè)備”為近幾年熱門的設(shè)備，其思想、萌芽的形成可以追溯到20世紀(jì)60年代[1]。我國(guó)的可穿戴式智能設(shè)備起步較晚，到了20世紀(jì)90年代末才對(duì)其進(jìn)行研發(fā)，但隨著科技大浪潮的推動(dòng)和國(guó)家政策大力扶持，我國(guó)在此方面的發(fā)展迅猛[2]?？纱┐魇街悄茉O(shè)備主要分為兩大領(lǐng)域：一是健身、戶外運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)是醫(yī)療保健。無線可穿戴式心率儀在這兩方面皆有應(yīng)用，針對(duì)不同的使用群體其所達(dá)到的效果不盡相同，在年輕的用戶中主要通過心率快慢來控制自身運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，制定合適自己的鍛煉方法[3]。心臟的跳動(dòng)是人生還的重要條件，而心率也是人體重要的生理性指標(biāo)之一，所以對(duì)于老年人及有心臟疾病的使用者來說，加入了無線傳輸?shù)牟糠郑屝穆蕛x的研發(fā)對(duì)人們監(jiān)控身體健康、對(duì)疾病的及時(shí)治療和預(yù)防疾病發(fā)生有重大意義[4]。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)包括心率檢測(cè)模塊、單片機(jī)控制系統(tǒng)模塊、顯示模塊、無線傳輸模塊和報(bào)警模塊。心率檢測(cè)模塊用于實(shí)時(shí)檢測(cè)人的心率，顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示人的心率值、心率閾值及報(bào)警信息，無線傳輸模塊用于當(dāng)檢測(cè)心率超過閾值時(shí)及時(shí)通知相關(guān)聯(lián)系人，報(bào)警模塊用于當(dāng)檢測(cè)心率超過閾值時(shí)及時(shí)提醒使用人。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1元器件的選擇

單片機(jī)控制系統(tǒng)模塊采用STC89C52芯片，這是一種集成化很高的電路芯片，其功能十分強(qiáng)大，能夠創(chuàng)造出各種不同的智能產(chǎn)品，它既可按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，其需要用到的電路很少，只需要在外接電源正負(fù)極進(jìn)行供電、復(fù)位電路讓單片機(jī)能初始化，晶振電路（時(shí)鐘電路）為其提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)就可組成單片機(jī)正常工作的最小系統(tǒng)。目前心率測(cè)量的方法主要有兩種：（1）用微壓力傳感材料制成的壓電式傳感器；（2）用紅外線傳感器。前者在進(jìn)行測(cè)量時(shí)脈搏產(chǎn)生的信號(hào)和自然抖動(dòng)的信號(hào)對(duì)傳感器都會(huì)產(chǎn)生壓力，兩者壓力疊加會(huì)使得測(cè)量的數(shù)據(jù)偏高，造成不可避免的誤差。而紅外線傳感器是利用了紅外光的折射、反射、衍射、散射、吸收等物理特質(zhì)來進(jìn)行測(cè)量的一款傳感器，在對(duì)人體脈搏的測(cè)量中，通過對(duì)人體血管內(nèi)血液流動(dòng)時(shí)光折射的程度來測(cè)量心率，將光折射出的程度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸入到控制器內(nèi)進(jìn)行處理。使用該方案有很多優(yōu)點(diǎn)，最主要的優(yōu)點(diǎn)是它受到外界干擾較小，也是目前廣泛使用的方法。本設(shè)計(jì)的心率檢測(cè)模塊采用ST188紅外傳感器及傳感控制電路，其通過檢測(cè)人體血管里血液流動(dòng)的時(shí)候?qū)獾耐高^程度或者折射程度等指標(biāo)來檢測(cè)心率。顯示模塊采用LCD1602液晶顯示屏，其有2行每行可以顯示16個(gè)字符一共可以顯示32個(gè)字符，這是一種用來顯示字母、數(shù)字和符號(hào)的點(diǎn)陣型液晶模塊。這種液晶塊共16個(gè)管腳，除去第15的背光正極管腳和第16背光負(fù)極管腳，剩余14腳可分為電源、控制和數(shù)據(jù)管腳。GSM無線報(bào)警模塊使用SIM800C芯片，實(shí)現(xiàn)無線短消息報(bào)警功能，其在掌上電腦和移動(dòng)電話上執(zhí)行配套程序，以數(shù)字及直觀的圖形實(shí)時(shí)顯示生命體征，根據(jù)預(yù)定程序?qū)⒕o急情況下的生理數(shù)據(jù)即心率值通過短消息方式發(fā)送到指定聯(lián)系人掌上電腦或移動(dòng)電話上。報(bào)警模塊是由PN三極管、蜂鳴器、電阻組成的報(bào)警電路，在心跳超過設(shè)定閥值時(shí)給予使用者提示。

2.2電路原理圖設(shè)計(jì)

心率儀中單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。采用的是STC89C52芯片作為主控元件，外接了兩個(gè)電路：一是由12MHZ晶體振蕩器和瓷片電容組成的晶振電路為系統(tǒng)供應(yīng)了工作頻率，二是復(fù)位電路中則采取了兩類方式———上電和按鍵。使用紅外傳感器ST188器件為脈沖信號(hào)處理電路的核心，將接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波后，通過放大處理，最終把信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行處理（見圖3）。液晶顯示部分的電路中，并不是把顯示器直接接入到STC89C52中，而是外接了一個(gè)上拉電阻用來提高了單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力，如圖4所示。心率儀設(shè)計(jì)了兩個(gè)報(bào)警系統(tǒng)，分別為GSM無線報(bào)警，利用SIM800C發(fā)送短信來完成無線報(bào)警；另一個(gè)是蜂鳴器報(bào)警，在超出上限和低于下限時(shí)向使用者報(bào)警的裝置。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的單片機(jī)不僅要有硬件電路，其靈魂核心是程序的設(shè)計(jì)，只有程序才能夠驅(qū)使單片機(jī)對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行處理，再輸出到各類顯示器件中。單片機(jī)程序中必不可少的是主程序，根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求加入了中斷、蜂鳴器、液晶顯示、GSM無線傳輸?shù)茸映绦颉?/p>

3.1主程序介紹及其框圖結(jié)構(gòu)

主程序（main函數(shù)打頭）是整個(gè)程序里運(yùn)行的核心，在單片機(jī)的軟件編程中代碼都是從檢測(cè)到main函數(shù)開始運(yùn)行，而各類子程序在main函數(shù)中得到調(diào)用。主程序里先進(jìn)行的是數(shù)據(jù)初始化處理，將上一個(gè)運(yùn)行的數(shù)據(jù)歸零讓程序回歸原始狀態(tài)，可以進(jìn)行新一輪的心率測(cè)量，開始C52的又一輪工作?，F(xiàn)今人們的生活節(jié)奏很快，雖然心率儀檢測(cè)的時(shí)間越久數(shù)據(jù)會(huì)越精準(zhǔn)，但花費(fèi)1分鐘時(shí)間來測(cè)量脈搏的時(shí)間成本較高，所以在程序設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定了6s內(nèi)收集完數(shù)據(jù)，并完成心率的計(jì)算。在主程序前還需要有頭文件和定義各類變量、所需要調(diào)用的函數(shù)，程序才能夠正常運(yùn)行。main函數(shù)內(nèi)進(jìn)行內(nèi)數(shù)據(jù)初始化，GSM模塊，按鍵模塊，液晶顯示模塊，脈搏信號(hào)模塊等函數(shù)的調(diào)用，用來調(diào)用函數(shù)程序來實(shí)現(xiàn)心率儀的功能。

3.2中斷程序

中斷程序系統(tǒng)在單片機(jī)程序中占據(jù)重要地位，單片機(jī)的控制器CPU與外接的電路之間往往會(huì)存在速度不匹配的問題，而中斷程序就可以解決這一問題，讓單片機(jī)在運(yùn)行的過程中能夠快速處理程序中各種類的隨機(jī)參數(shù)和不同的信息，與此同時(shí)，讓單片機(jī)處理故障的能力得以提升。中斷的類型也有很多，在此次心率儀的中斷程序中采用了多種類型的中斷實(shí)現(xiàn)對(duì)不同模塊的定時(shí)、計(jì)數(shù)，有決定蜂鳴器是否啟動(dòng)報(bào)警的定時(shí)器0中斷，而定時(shí)器1中斷和外部中斷相配合一起測(cè)量計(jì)算心率的情況，GSM模塊的中斷則通過串口中斷來實(shí)現(xiàn)。

4結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的無線可穿戴式心率儀，性價(jià)比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過對(duì)心率的監(jiān)控，可以讓使用者制定合適自己的健身方案，還能預(yù)防心理疾病的發(fā)生。蜂鳴器報(bào)警系統(tǒng)可及時(shí)告知使用者自身的心率異常情況，無線模塊的報(bào)警系統(tǒng)可及時(shí)告知使用者的監(jiān)護(hù)人，對(duì)突發(fā)心理疾病的預(yù)防和即時(shí)搶救有重大意義。

參考文獻(xiàn)：

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[4]孫超，王游司，盧宇，等.智能手環(huán)心率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2018（08）：149-150.

作者：陸黎容 嚴(yán)小黑 單位：廣西民族師范學(xué)院