周岳斌1,2，楊凱1，陳家順2,3

　　（1. 湖北文理學院 機械與汽車工程學院，湖北 襄陽 441053；2. 汽車零部件制造裝備數字化湖北省協同創新中心，湖北 襄陽 441053；3. 武漢科技大學 機械自動化學院，湖北 武漢 430081）

       摘要：心率是衡量人體健康的重要生理指標。為了快捷有效地檢測心率數據，設計了一種基于低功耗STC15L2K60S2單片機的腕帶式無線心率檢測儀。采用反射式光電傳感器SON1303檢測心率信號，通過硬件電路進行模擬信號處理后，單片機運行軟件程序完成心率計算和數據處理，并借助CC2540藍牙模塊實現與上位機的無線通信。上位機軟件基于LabVIEW編寫，可進行心率數據的監控和管理。腕帶式佩戴方式和可充電鋰電池供電對于心率檢測更具便攜性和實用性。樣機測試表明，該設計具有良好的響應速度和準確性，適合在家庭和辦公場所使用。

　　關鍵詞：心率；藍牙；傳感器；無線

　　中圖分類號：TP212.3文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.04.030

　　引用格式：周岳斌，楊凱，陳家順.腕帶式無線心率檢測儀設計［J］.微型機與應用，2017,36（4）：99-102.

0引言

　　*基金項目：襄陽市研究與開發計劃項目（襄科計［2014］12號/14）；汽車零部件制造裝備數字化湖北省協同創新中心開放課題項目（hbuascic2014017）；湖北文理學院博士科研基金資助項目目前，心血管疾病已成為城鄉居民死亡的首要病因［1］。作為人體最重要的器官之一，心臟一旦出現問題就會危及生命。心率是衡量心臟健康的重要生理指標，具有重要的臨床診斷價值和實用意義。專業的醫療監護儀可以實時監測患者心率、血壓等各項數據，但其線纜和輔助器械較多，使用復雜，費用昂貴，不適于日常普及使用。目前市場也有一些手環類智能產品具備心率檢測功能，但加入過多與智能手機重復功能，使用復雜，實用性不強，成本也較高。為此，本文設計了一種便于攜帶、具有良好的靈敏度和響應速度的腕帶式心率檢測儀，內置藍牙模塊無線傳輸數據，可與PC或其他藍牙設備互連，適合在家庭和辦公場所使用。

1系統總體設計

　　系統總體設計如圖1所示。心率傳感器采集心率信號，經光電轉換輸出為電信號，再由信號處理電路對該電信號進行濾波整形，轉換為可供微處理器識別的脈沖電平信號；微處理器讀取外設信號，進行數字信號處理和運算；按鍵電路向微處理器傳遞操作信號，顯示電路可實時顯示心率數據及時間等信息；藍牙模塊實現無線連接，系統可與上位機進行數據通信。上位機可對接收的數據進行處理、顯示和保存。電源電路為系統供電，采用可充電鋰電池，通過USB接口充電。

2系統硬件設計

　　2.1心率傳感器

　　用于心率檢測的傳感器較多，對心率測試部位有不同要求［2］。如圖2所示，本設計采用SON1303反射式光電傳感器檢測心率信號，其內部有兩對LED發光管和接收管，由發光管提供綠色光源，可照射人體皮膚，接收管接收人體皮膚反射回來的光。SON1303采用570 nm波長的綠光，與紅外光相比反射率更高，測量感度更高，同時也可提高信噪比。其內部集成納米涂層環境光檢測傳感器，過濾不需要的光源，可減少由其他光源干擾的誤判動作。人體組織充血時的透明度減小，接收管接收到的光強度減弱，人體組織缺血時的透明度減大，接收管接收到的光強度增強［3］。SON1303接收的反光信號后經內部電路放大，由VOUT引腳輸出電壓信號。電阻R2、R3起限流保護作用，電阻R4用于VOUT引腳的下拉鉗位。SON1303可輸出與心跳頻率一致的電壓信號。

　　2.2信號處理電路

　　通常情況下，心率信號近似成周期性，但不是確定的周期性信號，信號頻率較低，容易引入干擾［4］。心率傳感器輸出是毫伏級信號，需要通過信號處理電路轉換為可供微處理器識別的脈沖信號。

　　信號處理電路采用3個SON221運算放大器構成整形放大電路。心率傳感器輸出的信號先由前級運放U5放大，再經中級運放U6構成的電壓跟隨器送到電阻R10和電容C7組成的低通濾波器，濾除高頻雜波，作為后級運放U7的反向輸入電壓，U5的輸出電壓經電阻R9接入U7同相輸入端，構成比較器電路，使輸出波形整形成TTL電平輸出。

　　2.3微處理器

　　如圖3所示，微處理器采用STC15L2K60S2單片機，其工作電壓為3.3 V，無需外部晶振和復位，片內有大容量程序存儲器，并集成有兩個獨立串口和8通道高速ADC。其P3.5引腳為定時器1外部計數輸入引腳，與信號處理電路的輸出信號OUT1連接，OUT1每產生一個低電平到高電平的跳變信號，微處理器就會觸發定時器1中斷，記為一次心跳。微處理器的P1.7引腳連接信號處理電路的信號OUT2，通過內部ADC通道可直接讀取OUT2的電壓數據。

　　2.4顯示與按鍵電路

　　顯示電路采用分辨率為128×32的OLED顯示屏，采用內部升壓方式供電，工作電壓兼容3.3 V和5 V。OLED顯示屏無需背光，功耗小，對比度高，在待機模式下不顯示，按鍵時顯示時間或相關操作信息，與微處理器采用3線SPI方式連接。

　　按鍵電路采用三鍵式設計，一個功能建，兩個方向鍵：左鍵和右鍵。長按功能鍵可進入功能選擇菜單，兩個方向鍵可進行功能選擇和參數調整，再次長按功能鍵退出。

　　2.5藍牙模塊

　　藍牙模塊采用以TI公司CC2540芯片為基礎開發的藍牙4.0串口透傳模塊，具有傳輸距離遠、穩定性高等特點。微處理器與CC2540相連，作為藍牙通信的主機，CC2540的P0.2和P0.3引腳為串口數據的接收和發送引腳，分別連到微處理器的P1.1和P1.0引腳。CC2540的P1.0為工作狀態輸出引腳，P1.1為連接狀態輸出引腳，分別連到微處理器的P3.3和P3.4引腳，微處理器讀取這兩個引腳的狀態就可獲取CC2540的工作狀態與連接狀態。

　　PC或其他藍牙設備都可作為上位機與心率檢測儀進行通信，PC需要提供藍牙接口作為藍牙通信的從機。如果PC沒有藍牙接口，可采用圖4所示方案，將USB總線轉換芯片CH340G的串口與CC2540全雙工連接，就可實現PC的USB接口與藍牙接口轉換［5］。

　　2.6電源電路

　　為降低功耗，系統采用可充電鋰電池加3.3 V穩壓輸出供電，如圖5所示，鋰電池通過MiniUSB接口充電，利用恒流/恒壓線性充電芯片CH4054進行充電管理。CH4054內部采用防倒充電路，可對充電電流自動調節并自動控制充電過程［6］。鋰電池輸出電壓采用DC/DC芯片MIC5207保持電壓穩定為3.3 V。

3系統軟件設計

　　3.1主程序設計

　　系統主程序流程如圖6所示，首先進行系統初始化，包括OLED顯示屏、定時器、計數器、ADC、串口等初始化。系統進入連續測量狀態有兩種方式，一種是按鍵選擇進入測量功能菜單；另一種是在串口中斷服務程序中，由微控制器識別上位機通過藍牙發送的連續測量指令。顯示屏初始顯示時間，長按功能鍵時顯示功能菜單，通過方向鍵選擇不同功能，使用功能鍵進行確認，再調用按鍵處理子程序完成相應的功能和設置，如時間調整、心率電壓顯示、藍牙數據發送等?！?/p>

　　3.2顯示程序設計

　　OLED顯示屏內置一塊驅動芯片SSD1306，根據其數據手冊提供的驅動流程和指令參數可編寫OLED顯示屏的初始化程序。OLED屏的顯示是以點為基礎，屏幕畫點需要確定點的坐標。由于分辨率為128×32，因此以0為起點，X軸最大值不超過127，Y軸最大值不超過32，可定義一個靜態數組存儲點的位置信息，當所有需要顯示的數據位置信息存儲后，將其通過微處理器SPI接口寫入SSD1306，就可更新OLED屏的顯示內容。

　　3.3藍牙通信程序設計

　　由于程序調試和下載占用了串口1，因此微處理器與藍牙模塊CC2540的連接選擇串口2。串口初始化首先需要選定串口號為2，然后設置工作方式，最后設定波特率并使能串口2中斷。

　　當串口2產生中斷時，系統執行串口中斷服務子程序，判斷接收或者發送標志并通過軟件清零標志位。如果接收標志位置1，則讀出串口緩存器中數據，再對讀取的數據進行判斷分析，執行相應操作。如果發送標志位置1，則準備發送數據。微處理器通過串口2與CC2540進行數據傳輸，借助CC2540可實現與上位機或其他藍牙設備的無線通信。

　　3.4中斷程序設計

　　定時器T0設為16位自動重裝的定時方式，時鐘源選擇內部11.059 2 MHz晶振，中斷周期為50 ms。在T0的中斷服務子程序中進行時、分、秒計時，用于時間顯示和心率計時。定時器T1設為8位自動重裝初值的計數方式，T1的中斷服務子程序對信號處理電路輸出的脈沖信號OUT1計數，用于計算心率。

　　3.5上位機程序設計

　　上位機程序采用LabVIEW編寫，可實時顯示、存儲心率數據和波形。設計采用while循環來使程序連續執行，在前面板設有停止開關連接while循環的停止接口可實現程序停止。虛擬儀器軟件體系結構（Virtual Instruments Software Architecture, VISA）是LabVIEW提供的標準I/O應用程序接口，利用VISA可進行串行通信編程。LabVIEW將VISA節點單獨組成一個子模塊，共包含8個節點，分別實現初始化串口、串口寫、串口讀、中斷以及關閉串口等功能［7］。在while循環內部，用一個10 ms的定時器作為循環定時，避免影響串口數據的傳送。由于串口數據為十六進制字符，需要一個十六進制字符轉數值的程序塊來完成串口數據轉換，供波形顯示器顯示時調用。

4仿真與測試

　　信號處理電路是本設計的關鍵，為驗證其正確性，利用Multisim軟件對電路進行仿真分析［8］。仿真結果表明，信號處理電路的后級輸出可將心率信號轉換為標準的TTL電平輸出，適合微處理器讀取外部計數I/O電平，能夠滿足設計需求。隨后完成樣機制作，并進行了系統測試。通過數字示波器觀測信號處理電路前級濾波放大輸出的波形比較規整，雖有一定雜波干擾，但不影響數據的準確性。經過后級整形放大，輸出的波形比較理想，完全滿足微處理器讀取外部計數I/O的TTL電平要求。

　　在確認心率傳感器和信號處理電路工作正常后，逐步測試了系統的OLED顯示、按鍵處理、藍牙通信、上位機監測等功能，測試結果表明上述功能均能有效運行。上位機與系統通過藍牙連接后，可準確測量心率，實時顯示心率走勢圖，并可將心率數據以Excel或圖形文件形式輸出保存。

5結論

　　本文設計了一種腕帶式心率檢測儀，硬件設計以STC15L2K60S2單片機為核心，心率信號檢測采用反射式光電傳感器SON1303，準確度高，測量方式自由。采用與目前主流便攜設備一致的可充電鋰電池供電方式，內置CC2540藍牙模塊，可與其他藍牙設備進行無線通信，便于上位機進行心率數據監控和管理。設計具有良好的靈敏度和響應速度，對于人體心率的監測十分便利和有效，可推廣應用于其他可佩戴式電子產品和測量儀器，具有較好的實用價值。

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