基于MSP430單片機的便攜式指端脈搏測量儀設計

摘 要：人體脈搏測量儀在我們的日常生活中已經得到了非常廣泛的應用。為了提高脈搏測量儀的簡便性和精確度，文章設計一種基于MSP430單片機的指端脈搏波采集測量儀。系統以MSP430單片機為核心，以紅光二級管和光敏三極管作為脈搏傳感器，檢測的脈沖信號，經過處理和放大后，送至單片機處理，通過128*64液晶顯示屏顯示出脈搏跳動波形及心率動態顯示，并設有脈搏次數上下門限報警功能，可將測量儀設置為監護狀態或回放狀態。為保障續航能力，系統盡量降低功耗。經測試，系統工作正常，達到設計要求。

關鍵詞：脈搏測量儀；MSP430單片機；液晶顯示屏

1 引言

脈搏測量儀是用來測量人體脈搏跳動次數的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分，因此，在現代醫學上具有重要的作用。脈搏波所呈現出的形態（波形）、強度（波幅）、速率（波速）和節律（周期）等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統中許多生理病理的血流特征，因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫學價值和應用前景。

2 設計思路

隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變。當血液送到人體組織時，組織的半透明度減小；當血液流回心臟，組織的半透明度增大，這種現象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。利用波長600-1000nm的紅光或紅外發光二極管產生的光線照射到人體的手指尖、耳垂等部位，用裝在該部位另一側或同側旁邊的光電接收管來檢測機體組織的透明程度，即可將搏動信息轉換成電信號。但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻弱信號，脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號，必需經過放大和后級濾波以滿足采集的要求。

當檢測到的信號通過跟隨、放大濾波、整形等信號處理得到較好的波形，再送至單片機進行A/D轉換，將模擬信號轉換成數字信號，進行數據理合、運算、存儲，最后通過單片機端口串行輸出到液晶顯示屏實現脈搏跳動次數及動態波形的顯示以及驅動蜂鳴器報警提示。其中，為提高系統的集成度，減少電路成本與提高電路的可靠性，利用了Launch PadMSP430單片機系統的A/D轉換器、FLASH存儲器、比較器等內部資源。整個系統的結構如圖1所示。

3 硬件設計

3.1 單片機

MSP430系列單片機是美國Texas Instruments從1996年開始推向市場的一種16位RISC結構，超低功耗的混合信號處理器。系統設計人員能夠在保持獨一無二的低功耗的同時同步連接至模擬信號，傳感器和數字組件。MSP430G2553單片機支持低電壓供電（1.8V-3.6V），16MHz的主頻，五種低功耗模式，8輸入10Bit 200Kpsp ADC，兩個16Bit Timer A，USCI接口，支持Uart，IrDA，SPI和IIC功能，比較器，16KB FLASH，512B RAM。因Launch Pad MSP430單片機超低功耗、強大的處理能力并且自帶10位A＼D轉換器，所以本設計采用Launch Pad MSP430單片機。

3.2 傳感器電路

采用紅色發光二極管和光敏三極管充當傳感器（如圖2所示）的作用。紅光二極管處于被測部位的同一側，二極管所發射的光線經指尖組織的反射有一小部分可以透過指尖組織和血液照射到光敏元件所在的窗口中，再由光敏元件檢測出其變化，因此血液的脈動情況可以被描記，輸出相應的電信號。

3.3 信號處理及放大電路

將傳感器檢測到的脈搏信號轉化為信號送入電壓跟隨器，起到緩沖的作用。再通過放大濾波就能得到干擾小且清晰的信號。由于信號比較弱采用正向放大，提高輸入阻抗使其信號放大。由于放大電路輸出級的直流成分比較大，因此通過減法器，減掉直流成分。

3.4 顯示方案

FM12864M-12L液晶顯示器是128x64點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內置8192個16x16點陣的中文漢字、16x8點的128個字符、及64x256點陣顯示RAM，可與CPU直接接口，提供兩種界面來連接微處理機：4位/8位并行及串行兩種連接方式、低電壓低功耗、支持文本和圖形輸出方式、內置DC-DC轉換電路，無需外加電壓、無片選信號，簡化軟件設計。具有多種功能：光標顯示、畫面移位、睡眠模式等。本設計采用FM12864M-12L液晶顯示器顯示方案。

3.5 升壓電路

由于系統使用3.6V電池供電，但液晶顯示屏正常工作需要5V供電，所以就需要對3.6V電壓進行升壓，為液晶顯示屏提供電壓，使其能工作。電路中選用TPS61070DDCR高效同步升壓轉換器，紋波小，輸出電壓穩定。電路如圖3所示。

4 軟件設計

系統設為五種工作模式，1.正常測量模式（時長1分鐘）：實時顯示脈搏波形、每10秒更新的心率、工作時長；2.有數據休眠模式：正常測量模式只測量1分鐘，之后進入有數據休眠模式，此時關閉CPU、ADC、發光二極管，系統以最低功耗工作，僅檢測按鍵的外部中斷信號；3.無數據休眠模式：當檢測到一定時長內沒有脈搏信號，則進入此模式，液晶顯示“休眠中…將手指端放于紅光處將自動啟動測試”；4.監護模式：測量并存儲4分鐘內的脈搏波形和心率數據，存儲的數據是利用MSP430單片機內部的16KB FLASH進行存取；5.回放模式：回放在監護模式中存儲的一段時長的脈搏情況，此功能讓醫生更系統地診斷。

在正常測量和監護模式中，通過按鍵，設置上下門限，設置的范圍為20-150次，當脈搏頻率達到上下門限時自動驅動蜂鳴器報警。ADC和發光二極管在正常模式和監護模式下啟動頻率為640Hz，在有數據和無數據休眠模式中啟動頻率為15Hz，根據工作模式來決定ADC和LED的工作頻率可以很大程度上降低功耗。軟件設計中的難點在于利用FM12864M-12L液晶顯示器根據ADC轉換的結果來打點畫波形，脈搏次數的識別算法，定時器在不同定時下的多任務處理，監護模式和回放模式中FLASH的讀寫操作。

5 結束語

本系統由傳感器、跟隨、放大濾波、Launch Pad MSP430 單片機開發板、FM12864M-12L液晶顯示器組成。本設計采用性價比高、性能可靠的方案實現。具有脈搏跳動次數測試、波形動態顯示、脈搏次數上下告警門限報警、自動啟動、待機功能、還可將測量儀設置為監護狀態等功能，適用于便攜式指端脈搏的測量。

參考文獻

[1]歐陽俊，謝定等.基于BL-410 的指端脈搏波采集系統應用研究[J].實用預防醫學，2004，第11卷第2期，2-4.

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