基于MSP430和壓電傳感器的人體心率檢測系統設計

陳天華，王 倩

（北京工商大學 計算機與信息工程學院，北京 100048）

0 引言

心率是描述心動周期的專業術語,指心臟每分鐘跳動的次數,以第一聲音為準。心率測量是常用的醫學檢查項目之一，實時準確的心率測量在臨床醫學、老年人體征監測和競技體育等方面具有重要意義和廣泛應用。正常情況下，成年人心率有顯著的個體差異,一般安靜時為60～100次/分，平均約75次/分。心率可因年齡、性別及其他生理情況而改變。同一個人，在安靜或睡眠時心率慢，運動、情緒激動或突發病情時心率加快。心動過速和過緩都會影響健康，尤其對老人和心臟有問題的人，心率是一個非常重要的參數。因此，心率的精確檢測具有重要意義，本文采用基于壓電陶瓷傳感器和超低功耗的MSP430單片機的小型便攜式心率采集系統。

圖1 系統結構圖

1 系統結構

心率是人體非常重要的生理參數，而傳統的脈診由于其非定量和主觀性影響了心率測試的精度，為了提高對心率監測的精度和監測的方便性，本系統采用壓電陶瓷傳感器和MSP430芯片組成測試系統，系統硬件結構如圖1所示。通過ADC10片上溫度傳感器采集溫度，就可以在數碼管上顯示。同時SC0073壓電陶瓷傳感器采集的信號經濾波和放大后與設定壓力閾值進行比較，對脈搏波信號進行處理，并根據處理結果進行精確計數和顯示。

1.1 心率檢測傳感器

目前用于檢測心率的儀器比較多,常見的有基于壓力傳感器、電容傳感器、光電傳感器和電聲傳感器等類型的測試系統，但不同傳感器對心率測試部位的要求不一。常見的基于紅外原理的傳感器，主要依靠紅外檢測血流壓力波動信號，即當血液輸送到人體組織時，組織的半透明度會減小，當血液流回心臟時半透明度會增加，這種現象在指尖最為明顯，紅外檢測雖然是一種較好的檢測方法，但由于平時需要洗手以及勞動等因素，不便于長時間攜帶，無法長時間檢測。

為便于長時間攜帶，本系統腕式結構設計。為滿足這一要求，本文采用壓電陶瓷片采集脈搏信號，由于心臟的搏動，人體腕部的脈壓波動相對明顯，當脈搏跳動時，壓電陶瓷片檢測到相應的信號。若傳感器放置腕部，傳感器檢測壓力波信號和進行預處理，再進行整形轉換為脈沖信號，然后計數和顯示，從而實現實時檢測心率次數。

1.2 MSP430芯片

本心率檢測系統由于面向家庭和醫院，而目前空巢老人較多，因此，芯片選擇上采用超小型壓、超低功耗MSP430g2553單片機，結合壓電陶瓷片采集壓力信號，從而達到整個系統的尺寸小型化，手腕式佩戴設計，從而實現一天24小實時心率監測。MSP430系列單片機是美國TI公司1996年推向市場的16位單片機，該單片機是一款具有精簡指令集和超低功耗的混合型單片機，具有極低功耗、豐富的片內外設備和方便靈活的開發手段，成為許多高精度設備電子產品設計的首選。

2 系統硬件設計

信號經過前置差動放大，低通濾波等處理，放大至合適的幅值送入AD轉換成數字信號。采集系統在MSP430控制下進行，為保證采集系統穩定可靠工作，內部各模塊電路均配置穩壓器件，具有啟動快、方便、安全等特點。

根據心率信號特點，系統主要包括傳感器接口電路、信號采集、放大和濾波電路，信號前置級應滿足如下要求：1)高輸入阻抗。通過傳感器檢測的脈搏信號是不穩定的微弱信號，為了減小信號源內阻的影響，必須提高放大器的輸入阻抗；2)高共模抑制比CMRR。人體所產生的干擾以及測量參數以外的干擾，一般為共模干擾；3)低噪聲、低漂移；4)高安全性，以確保人體絕對安全。

圖2 前置放大電路

2.1 放大集電路設計

前置放大電路對于脈搏波信號采集來至關重要，考慮到脈搏信號的特點，心率信號采集屬于強噪聲環境下的微弱生理信號檢測，要求放大器具有高共模和差模輸入阻抗；低輸出阻抗、精確和穩定的增益、高共模抑制比。基于以上分析，選用ANALOG DEVICES退出的低功耗、高精度儀表放大器AD 620作為前置放大的核心器件。放大電路設計如圖2所示。AD620由三個放大器組成，內部采用三運放典型電路，可實現1～1000增益任意調節，其調節是通過引腳1和8的連接阻抗R3實現。

2.2 濾波電路設計

脈搏波檢測屬于強噪聲環境下的弱信號檢測，因此濾波電路設計非常關鍵。根據脈搏波心率信號特點，本系統采用帶通濾波器對傳感器采集的信號進行濾波處理。考慮到電路設計的簡潔、可靠，帶通濾波器可由低通濾波器和高通濾波器串聯而成。濾波電路結構如圖3所示，LM 358是雙運放集成電路，它內部包括有兩個獨立的高增益和具有內部頻率補償的雙運算放大器，具有短路保護輸出、內部補償、真差動輸入級、低輸入偏置電流。

帶通濾波器的通帶頻率范圍0.8～3Hz，R1、R2可在3～5K范圍內選取，選定阻值以后，電容C1和C2應根據阻值和濾波器截止頻率確定，進而確定其他電阻、電容參數。由示波器顯示的帶通濾波電路輸出脈波形如圖4所示。

圖3 濾波電路

圖4 脈搏波的示波器輸出信號

2.3 二級放大電路

目的是將信號放大到適合A/D轉換的要求，從而使前置放大器的放大倍數不太高，提高信號質量。經前置放大后信號約50 mV，因此后級放大倍數為100。二級放大電路如圖5所示。

圖5 二級放大電路

3 心率計數軟件設計

程序主流程如圖6所示，包括CPU初始化、LCD初始化、時鐘初始化、溫度傳感器18b20初始化、軟硬件自檢、讀取溫度和時間、按鍵掃描與控制等。由于心率檢測需24小時持續進行，因此，系統應循環檢測，直到用戶按停止鍵。

圖6 心率測試程序主流程

4 結束語

本文主要介紹了心率監測系統的硬件設計原理和軟件流程，硬件電路主要包括心率傳感器電路、信號放大和濾波電路等，能十分方便地計算出實時心率，本系統采用高性能、低功耗430系列單片機實現，具有體積小、成本低、可靠性高、結構簡單、功耗低，實現了對心率和溫度的實時測量、實時顯示，超限報警等功能，大量實驗和應用表明，本心率檢測系統數據準確可靠，可用于檢測如心臟病患者和老年人的心率參數，并可以幫助醫護人員對特定人群進行健康監測和防護。

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