基于LabVIEW的無線心率測量系統(tǒng)的設計

胡異丁，歐進發(fā)，鐘滔

（五邑大學 信息工程學院，廣東 江門 529020）

基于LabVIEW的無線心率測量系統(tǒng)的設計

胡異丁，歐進發(fā)，鐘滔

（五邑大學 信息工程學院，廣東 江門 529020）

設計并實現(xiàn)一種無線心率測量系統(tǒng)，采用HKG-07B紅外脈搏傳感器采集心電信號，信號經(jīng)放大、濾波、整形、AD轉(zhuǎn)換后通過LED顯示心率，并通過無線發(fā)送到PC終端，在終端信號經(jīng)LabVIEW采集、顯示、存儲心率波形。系統(tǒng)能實時檢測、顯示心率，并可以隨時調(diào)用心率波形。系統(tǒng)體積小，測量準確，適用于家庭以及社區(qū)的醫(yī)療保健。

心率測量；無線監(jiān)測；單片機；LabVIEW

隨著社會發(fā)展，獨居老人越來越多，很多老年人在家中去世多日才被發(fā)現(xiàn)，雖然很多社區(qū)已經(jīng)啟用“呼叫器”等工具報警，但是這些都是需要獨居老人主動實施，不利于緊急情況下的救治，心率測量是常用的醫(yī)學檢查項目之一[1]，是人體健康監(jiān)測的一項重要指標，因此實施心率的在線監(jiān)測和報警是非常有意義的。

系統(tǒng)采用紅外傳感器HKG-07B采集心率信號，經(jīng)放大濾波后及A/D轉(zhuǎn)換后通過MCU進行數(shù)據(jù)計算并用LED顯示，并將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過WIFI發(fā)送到PC終端，在PC終端上用LabVIEW顯示波形，存儲數(shù)據(jù)并可通過網(wǎng)絡報警。

1 系統(tǒng)構(gòu)成和原理

系統(tǒng)主要分為5個模塊，包括：信號采集放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、信號的處理顯示模塊、無線收發(fā)模塊、上位機軟件處理及顯示報警模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)采用紅外傳感器HKG-07B采集心率信號，心率信號經(jīng)LM358放大及二階低通濾波器濾波后送至A/D轉(zhuǎn)換器AD0809，最后通過單片機進行數(shù)據(jù)計算并用LED顯示，同時，A/D轉(zhuǎn)換后的信號通過WIFI無線收發(fā)模塊發(fā)送到PC終端，用LabVIEW顯示實際心率波形，并對波形數(shù)據(jù)存儲、分析、處理并可通過網(wǎng)絡報警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of measuring instrument

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 心率采集傳感器

采集心率信號的傳感器一般是用紅外傳感器或者壓電傳感器。近年來光電檢測技術(shù)在臨床醫(yī)學應用中發(fā)展很快，這主要是由于光能避開強烈的電磁干擾，具有很高的絕緣性[2]。其弊端就是檢測是要安靜固定，否則可能導致抖動引起變化。本設計選擇了華科醫(yī)用傳感器紅外脈搏傳感器HKG-07B。它的工作電壓輸入典型值為5 V，工作環(huán)境溫度為-40到80，其輸出的幅度為0.2～1 V[3]。傳感器如圖2所示。該傳感器是一種軟接觸式的無創(chuàng)傷脈搏傳感器，通過紅外線檢測手指指尖血容積變化，輸出與指尖血容積變化線性關(guān)系的電壓形式的脈搏波信號[4]。

圖2 HKG-07B傳感器Fig.2 HKG-07B sensor

2.2 心率信號放大濾波整形電路

HKG-07B傳感器輸出的電壓其幅度略小，需要對其放大，為了減少信號的損失以及信號失真，就需要在電路中接入電壓跟隨器。電壓跟隨器具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，很好地減少放大電路的信號損失，在電路中起到緩沖的作用。傳感器輸出電壓幅度為0.2～1 V，故對其放大到三倍左右，可增強A/D轉(zhuǎn)換的效果。電壓跟隨器及放大濾波電路如圖3所示。

圖3 放大電路電路圖Fig.3 Schematic diagram of the amplifying circuit

人體的脈搏數(shù)一般為30-250次/分鐘，即頻率范圍為0.5～4.1 Hz，而干擾信號主要是50 Hz的工頻信號，心電信號的頻率比干擾波的頻率要低，因而采用了簡單實用的二階低通濾波器來做濾波模塊，如圖4所示。R選擇220 kΩ的電阻，C選擇0.1 μF的電容，截止頻率fH=7.5 Hz。

圖4 二階低通濾波器電路圖Fig.4 Schematic diagram of low pass filter

濾波后對它進行整形，由于該紅外傳感器是通過夾在手指尾端將血液容積的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓漭敵鲭妷悍炔环€(wěn)定，采用滯回比較器進行整形。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換采用的是ADC0809芯片。ADC0809是價格便宜的逐次比較式8位CMOS AD轉(zhuǎn)換器，有8個通道，可輸入8路模擬信號[5]。AD轉(zhuǎn)換模塊的電路原理圖如圖5所示。

2.4 無線收發(fā)模塊

USR-WIFI232-B模塊工作環(huán)境范圍廣，核心采用Marvell專業(yè)領(lǐng)先的高品質(zhì)WIFI模塊，高速ARM內(nèi)核，保證處理能力和穩(wěn)定性[6]。其該模塊與單片機的硬件連接圖如圖6所示。

圖5 AD轉(zhuǎn)換模塊的電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of AD

3 LABVIEW采集顯示存儲模塊設計

PC機端接收到心率圖形由LABVIEW[7]采集并顯示，并可以選擇存儲時間長度，其程序運行界面如圖7所示。

圖6 WIFI模塊連接圖Fig.6 Schematic diagram of WIFI

圖7 運行界面Fig.7 Interface chart of system

4 測試結(jié)果

系統(tǒng)通電后經(jīng)過測試，系統(tǒng)工作情況如圖8所示。從測試結(jié)果來看，LED顯示的心跳和PC機端顯示的心率誤差較小。

圖8 系統(tǒng)工作圖形Fig.8 The physical map

5 結(jié)論

系統(tǒng)以51單片機[8]為控制核心，采用華科的HDG-07B紅外傳感器作為心率采集傳感器，采用USR-WIFI232-B WIFI無線收發(fā)模塊，實現(xiàn)心率的測量和顯示。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠，體積小，可用于家庭或社區(qū)保健用心率監(jiān)測。參考文獻：

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[8]張糧雨.基于51單片機的高頻頻率計的設計[J].電子科技, 2014(2):82-84. ZHANG Liang-yu.The design of high frequency frequency meter based on 51 single chip microcomputer[J].Electronic Science and Technology,2014(2):82-84.

Design of w ireless heart rate measuring instrument based on LabVIEW

HU Yi-ding，OU Jin-fa，ZHONG Tao
（School of information engineering,Wuyi University,Jiangmen 529020,China）

A wireless heart rate measuring instrument is designed and implemented.Heart rate signal acquired by infrared pulse sensor HKG-07B is amplified,filtered,shaped,AD converted,and then displayed through LED and sented to the PC via wireless modular.The wireless signals are acquired,displayed,stored by LabVIEW.Heart rate is detected real-time,and heart rate waveforms can be called at any time.The wireless heart rate measuring instrument is small,accurate and suitable for the health care of families and community.

heart rate measurement;wireless monitor;microcontroller unit;LabVIEW

TN274

A

1674-6236（2015）07-0043-03

2014-07-18 稿件編號：201407146

2013年國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目--教高司函[2013]102號(201311349030)

胡異丁(1974—)，男，湖北武漢人，碩士，講師。研究方向：工業(yè)自動化控制、故障診斷。