基于STC15單片機的心率檢測系統(tǒng)設(shè)計

（南昌大學(xué)信息工程學(xué)院 江西 南昌 330000）

1.設(shè)計背景

隨著社會的發(fā)展，人們越來重視生活的質(zhì)量，也越來越關(guān)心自身的健康狀況。人體的脈搏心跳頻率及血樣濃度是生物醫(yī)學(xué)信號中非常重要的特征，可以反映出人的身體狀況。當(dāng)前，我國的心腦血管疾病仍呈逐年上升趨勢。它的發(fā)病率和死亡率均居各種疾病之首，是人類死亡的主要原因之一。因此，認識、預(yù)防及早期發(fā)現(xiàn)這些疾病是十分必要的，而人體內(nèi)部各個生理系統(tǒng)之間是相互耦合的。心率波顯示出的形態(tài)、強度等信息能間接的反映出人們當(dāng)前的身體狀況，因此對心率波的分析有很高的醫(yī)學(xué)價值和應(yīng)用前景。

隨著集成芯片的發(fā)展，電子產(chǎn)品的體積越來越小，各種可穿戴的電子產(chǎn)品應(yīng)運而生，尤其是智能手環(huán)的使用。人們可以通過記錄觀察數(shù)據(jù)來快速有效的獲取自己當(dāng)前的身體狀況。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，心率測量技術(shù)也越來越先進，對心率的測量精度也越來越高，國內(nèi)外先后研制了不同類型的心率測量儀，也在多個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 心率血氧傳感模塊。傳統(tǒng)的脈搏測量方法主要有三種：一是從心電信號中提?。欢菑臏y量血壓時壓力傳感器測到的波動來計算脈率；三是光電容積法。前兩種方法提取信號都會限制人的活動，如果長時間使用會增加病人生理和心理上的不舒適感。而光電容積法脈搏測量作為監(jiān)護測量中最普遍的方法之一，其具有方法簡單、佩戴方便、可靠性高等特點。光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進行脈搏和血氧飽和度測量的。其使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，光源一般采用對動脈血中氧合血紅蛋白（HbO2）和血紅蛋白（Hb）有選擇性的特定波長的發(fā)光二極管當(dāng)光束透過人體外周血管，由于動脈搏動充血容積變化導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變，此時由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑵浞糯蠛洼敵?。由于脈搏是隨心臟的搏動而周期性變化的信號，動脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏率。同時根據(jù)血氧飽和度的定義，其表示為：

本設(shè)計采用MAX30102心率血氧傳感器芯片。它集成了一個紅光LED、一個紅外光LED、光電檢測器以及帶環(huán)境光抑制的低噪聲的電子線路。它可以很便捷的佩戴于手指、耳垂和手腕等地方，通過標準的IIC通信即可將采集到的數(shù)據(jù)傳送給單片機進行數(shù)據(jù)處理。

2.2 溫濕度傳感模塊。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用于專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，有著極高的可靠性和穩(wěn)定性，抗干擾，響應(yīng)快等優(yōu)點。采用單線制串行接口，信號傳輸距離可達20M以上。供電電壓是3.3-5.5V直流電，輸出是單總線數(shù)字信號，溫度的測量范圍為0-50度，濕度的測量范圍是20-90%RH。

DHT11與MCU的連接圖

2.3 OLED顯示模塊。本系統(tǒng)通過STC15單片機模擬IIC通信驅(qū)動OLED屏顯示。OLED，即有機發(fā)光二極管，又稱為有機電激光顯示。OLED由于同時具備自發(fā)光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構(gòu)造及制程較簡單等優(yōu)異之特性，數(shù)據(jù)寫入時首先發(fā)送一個開始信號，接著發(fā)送從機地址，OLED的從機地址前7位為地址，最后一位表示讀（1）或者寫（0）。應(yīng)答ACK信號表示有這個從設(shè)備存在。在接收到應(yīng)答信號后，發(fā)送控制位，來區(qū)分之后所發(fā)送的數(shù)據(jù)是控制命令還是顯示相關(guān)的數(shù)據(jù)。在發(fā)送控制位后，等待應(yīng)答信號。然后發(fā)送相應(yīng)的控制命令或者數(shù)據(jù)。最后發(fā)送停止信號，表示數(shù)據(jù)傳輸完成。

3.系統(tǒng)功能實現(xiàn)

可以看到顯示屏上分別顯示心率和溫濕度。

4.小結(jié)

本次設(shè)計的主要內(nèi)容是以STC高性能單片機實驗箱為核心、以MAX30102，DHT11，OLED、arduino為模塊完成的一個心率檢測裝置，可顯示當(dāng)前的溫濕度和心率。本文只是一個很小的實踐，我們還可以擴展很多的功能進行不斷優(yōu)化。未來是屬于科技、現(xiàn)代化的時代，這需要我們大家一起為科技創(chuàng)新努力，科技能夠改變我們生活的方方面面，使我們的生活更加的豐富多彩。