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智能心率檢測儀方案
來(lái)源:作者:日期:2020-08-21 11:03:49點(diǎn)擊:8759次

 

  前言:心率是指人體心臟每分鐘搏動(dòng)的次數。它是反映心臟是否正常工作的一個(gè)重要參數,同時(shí)心率值也是衡量體力勞動(dòng)強度和腦力勞動(dòng)強度的重要指標。因此心率的測量是一種評價(jià)病人生理狀況很好的方法。

  心率計是用于測量心率值的的醫療設備,它的應用在心血管疾病的研究和診斷方面也發(fā)揮出顯著(zhù)的作用,它們所記錄的心臟活動(dòng)時(shí)的生物電信號,已成為臨床診斷的重要依據。隨著(zhù)現代醫學(xué)的不斷發(fā)展和進(jìn)步, 人們對各種測量?jì)x器的要求必然越來(lái)越高,因此在前人研究的基礎上我們開(kāi)發(fā)并設計了一款性?xún)r(jià)比較高的電子心率計, 它有利于解決了傳統測量方法的不準確性和隨機性, 而且能夠準確的測量出人體的心率, 并隨時(shí)以數字的方式顯示測量結果。這樣可以使人體心率值直觀(guān)化

  第一章 方案設計

  光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成的透光率不同來(lái)進(jìn)行脈搏測量的,其使用的傳感器由光源和光電變感器兩部分組成,通過(guò)綁帶或者夾子固定在病人的手指或者耳垂上。光源一般采用對動(dòng)脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的一定波長(cháng)(500nm~700nm) 的發(fā)光二極管。當光束透過(guò)人體外周血管,由于動(dòng)脈搏動(dòng)充血容積變化導致這光束的透光率發(fā)生變化,此時(shí)由廣電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線(xiàn),轉變?yōu)殡娦盘柌⑵浞糯蠛洼敵?,由于脈搏是隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化的信號,動(dòng)脈血管容積也周期性變化,因此光電變化器的電信號變化周期就是脈搏率。

  整個(gè)心率傳感器的結構如下:
心率傳感器結構

  第二章 硬件電路的簡(jiǎn)單概述

  心率計設計的原理

  根據設計要求,該設計采用stm32f103zet6作為控制CPU,外圍器件包括數字溫度傳感器DS18820,光電對管,語(yǔ)音模塊,譯碼器,鎖存器,放大器等等。本作品采用總線(xiàn)控制方式,顯示采用三位靜態(tài)數碼顯示.

  3.2 Pulse Sensor 心率傳感器的原理

  PulseSensor 是一款用于心率測量的光電反射式模擬傳感器,將其佩戴在手指或者耳垂等處,通過(guò)導線(xiàn)連接可將采集到的模擬信號傳輸給stm32f103zet6單片機用來(lái)轉換為數字信號,再通過(guò)stm32的簡(jiǎn)單計算后就可以得到心率數值,此外還可以將脈搏波形通過(guò)串口傳輸到電腦顯示波形。

  原理圖如下:


心率傳感器原理

  由于脈搏的信號極弱,振動(dòng)幅度非常有限,不易進(jìn)行采集和獲取,會(huì )給收集脈搏信號者帶來(lái)不小的麻煩。在脈搏信號本身極弱的同時(shí),它還很容易受到信號的干擾,對于每一個(gè)生物體來(lái)說(shuō),其各個(gè)部分的生理信號都是相互干擾相互影響的。再者,每個(gè)生物體的情緒的不同,喜怒哀樂(lè )的變化,也會(huì )造成生理信號的變化。在這種情況下,脈搏信號就會(huì )受到噪聲的干擾,只要選擇一個(gè)恰當的脈搏測量傳感器才能夠獲得準確、高效、可靠的脈搏信號。脈搏信號的頻率是很低的,一分鐘的次數大致如下,且對不同個(gè)體也是有差別的:男性的是60到100次,女性的是70到90次,小孩大概是90次。

  引腳功能如下:

  S ——— 脈搏信號輸出(接單片機AD接口)

  ——— 5v(或)電源輸入

  ———- GND地

  3.3 ISD1820語(yǔ)音模塊

  應用原理圖如下:



心率傳感器芯片

  引腳功能介紹

  電源(VCC):芯片內部的模擬和數字電路使用的不同電源總線(xiàn)在此引腳匯合,這樣使得噪聲最小。去耦合電容應盡量靠近芯片。

  地線(xiàn)(VSSA,VSSD):芯片內部的模擬和數字電路的不同地線(xiàn)匯合在這個(gè)引腳。

  錄音(REC):高電平有效,只要REC變高(不管芯片處在節電狀態(tài)還是正在放音),芯片即開(kāi)始錄音。錄音期間,REC必須保持為高。REC變低或內存錄滿(mǎn)后,錄音周期結束,芯片自動(dòng)寫(xiě)入一個(gè)信息結束標志(EOM),使以后的重放操作可以及時(shí)停止。然后芯片自動(dòng)進(jìn)入節電狀態(tài)。

  邊沿觸發(fā)放音(PLAYE):此端出現上升沿時(shí),芯片開(kāi)始放音。放音持續到EOM標志或內存結束,芯片自動(dòng)進(jìn)入節電狀態(tài)。放音后,可以釋放PLAYE.

  電平觸發(fā)放音(PLAYL):此端從低變高時(shí),芯片開(kāi)始放音。持續至此端回到低電平或遇到EOM標志,或內存結束。放音結束后自動(dòng)進(jìn)入節電狀態(tài)。

  錄音指示(/RECLED):處于錄音狀態(tài)時(shí),此端為低,可驅動(dòng)LED.此外,放音遇到EOM標志時(shí),此端輸出一個(gè)低電平脈沖。此脈沖可用來(lái)觸發(fā)PLAYE,實(shí)現循環(huán)放音。

  話(huà)筒輸入(MIC):此端連至片內前置放大器。片內自動(dòng)增益控制電路(AGC)控制前置放大器的增益。外接話(huà)筒應通過(guò)串聯(lián)電容耦合到此端。耦合電容值和此端的10KΩ輸入阻抗決定了芯片頻帶的低頻截止點(diǎn)。

  話(huà)筒參考(MIC REF):此端是前置放大器的反向輸入。當以差分形式連接話(huà)筒時(shí),可減小噪聲,提高共模抑制比。

  喇叭輸出(SP+,SP-):輸出端可直接驅動(dòng)8Ω以上的喇叭。單端使用必須在輸出端和喇叭之間接耦合電容,而雙端輸出既不用電容又能將功率提高至4倍。SP+和SP-之間通過(guò)內部的50KΩ的電阻連接,不放音時(shí)為懸空狀態(tài)。

  振蕩電阻(ROSC):此端接振蕩電阻至VSS,由振蕩電阻的阻值決定錄放音的時(shí)間。

  直通模式(FT):此端允許接在MIC輸入端的外部語(yǔ)音信號經(jīng)過(guò)芯片內部的AGC電路、濾波器和喇叭驅動(dòng)器而直接到達喇叭輸出端。平時(shí)FT端為低,要實(shí)現直通功能,需將FT端接高電平,同時(shí)REC、PLAYE和PLAYL保持低。

  第三章 程序設計

  主程序設計

  程序的功能:可以通過(guò)對口的檢測其高低電平實(shí)現溫度數據和心電信號的采集,轉換和處理,最后用數碼管顯示心率值和溫度值;同時(shí)還可以調用語(yǔ)音播報子程序對溫度值和心率值進(jìn)行語(yǔ)音播報。同時(shí)一旦心率不在設定范圍之內,可以通過(guò)報警模塊來(lái)提示,提醒用戶(hù)注意自己身體。

  主程序流程圖的設計是整個(gè)設計的關(guān)鍵一步,它是我們設計思路的具體體現。有了主程序流程圖,我們就可以根據把一個(gè)復雜的軟件設計分解為若干個(gè)功能模塊,然后逐一設計各個(gè)模塊的功能。

  在主程序設計中我們先初始化,包括顯示模塊初始化等,然后通過(guò)判斷是高電平還是低電平來(lái)實(shí)現是測量體溫還是測量人體的心率值。

  .1 主程序流程圖

  /@@***************************************************************************

  下位機編程軟件:keil

  程序實(shí)現功能:

  1、 單片機采集脈搏信號,AD轉換并計算心率值;

  2、 將脈搏波形數據和心率值通過(guò)串口傳送到上位機;

  3、 使用LED模擬心臟跳動(dòng);

  4、 使用數碼管和ISD1820模塊實(shí)現數字顯示和語(yǔ)音播報

  5、 使用蜂鳴器模塊對心率不正常時(shí)進(jìn)行報警

  **************************************************************************/

  其主程序如下:

  int main(void)

  {

  HAL_Init();

  /@@* Configure the system clock */

  SystemClock_Config();

  /@@* Initialize all configured peripherals */

  MX_GPIO_Init();

  MX_ADC1_Init();

  MX_TIM3_Init();

  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);

  while (1)

  {

  sendDataToProcessing('S', Signal); // send Processing the raw Pulse Sensor data

  if (QS == true)

  {

  sendDataToProcessing('B',BPM); // send heart rate with a 'B' prefix

  sendDataToProcessing('Q',IBI); // send time between beats with a 'Q' prefix

  QS = false; // reset the Quantified Self flag for next time

  }

  HAL_Delay(20); //delay for 20ms

  }

  .2 語(yǔ)音模塊ISD1820功能簡(jiǎn)介

  ISD1820主要有三個(gè)功能:錄音、電平控制放音和脈沖觸發(fā)放音。

  錄音子程序

  控制錄音主要有兩個(gè)數據:1 、錄音的開(kāi)始地址;2 、錄音的時(shí)間。把這兩個(gè)數據都控制了就可以控制錄音時(shí)把聲音錄到哪幾段里頭。注意:REC 信號將被延遲50ms 防止開(kāi)關(guān)抖動(dòng)引起重復觸發(fā)。在調用錄音子程序時(shí)只要給出錄音的開(kāi)始地址和需要錄音的時(shí)間就可以了。

  電平控制放音子程序

  電平控制放音中,開(kāi)始地址和播放時(shí)間也是必不可少的,只要控制了這兩個(gè)參數就可以確定播出內容。不過(guò)需要注意的是播放的時(shí)候總是從一段的開(kāi)頭開(kāi)始播放的。當需要分段播放控制時(shí),錄音時(shí)每一個(gè)內容的開(kāi)頭必須從一個(gè)段的開(kāi)頭開(kāi)始。在調用電平控制放音子程序時(shí)只要給出放音的開(kāi)始地址和放音的時(shí)間就可以了

  脈沖觸發(fā)放音子程序

  脈沖觸發(fā)放音與電平控制放音有些不同 ,脈沖觸發(fā)放音不能夠由單片機來(lái)控制放音的時(shí)間,只能夠控制放音的開(kāi)始地址。脈沖觸發(fā)放音開(kāi)始后就一直播放到遇到結束符或語(yǔ)音芯片的盡頭,所以一般在分段語(yǔ)音控制里頭不常用脈沖觸發(fā)。 在調用脈沖觸發(fā)放音子程序時(shí)只要給出放音的開(kāi)始地址就可以了。

  心率測量的程序設計

  .1 心率測量程序設計

  心率測量程序設計由兩部分構成,前半段實(shí)現初始化,包括定時(shí)器/計數器的初始化、設置堆棧指針以及開(kāi)中斷等。程序的后半段則是啟動(dòng)兩個(gè)定時(shí)器/計數器以及調用顯示子程序和語(yǔ)音播報子程序來(lái)完成心率值的顯示和語(yǔ)音播報以及報警模塊。

  .2 中斷服務(wù)子程序設計

  void MX_TIM3_Init(void)

  {

  TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig;

  TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig;

  htim3.Instance = TIM3;

  htim3.Init.Prescaler = 7;

  htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;

  htim3.Init.Period = 1999;

  htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;

  HAL_TIM_Base_Init(&htim3);

  sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;

  HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim3, &sClockSourceConfig);

  sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;

  sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;

  HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim3, &sMasterConfig);

  }