基于智能手機與藍牙的無線數(shù)字血壓計

尹曉琦, 錢建生, 楊玉東, 皇甫立群

(1. 淮陰工學院 電子信息工程學院, 江蘇 淮安 223003；2. 中國礦業(yè)大學 信息與電氣工程學院, 江蘇 徐州 221008)

伴隨著醫(yī)療器械的現(xiàn)代化、智能化的發(fā)展,人們對血壓計的選擇也越來越多樣化。血壓是人體非常關鍵的生理指標,反映了人體心臟與血管的健康狀態(tài),在臨床上通常被作為檢查疾病與判斷醫(yī)療成效的依據(jù)之一。如果能夠對人體的血壓進行實時測量,就可以實時監(jiān)測人體的心血管健康狀況。傳統(tǒng)的水銀血壓計不但體積較大、不方便隨身攜帶,而且它是基于心音進行測量[1],需要專業(yè)醫(yī)護人員的操作。由于易受測量者主觀因素或者環(huán)境噪音的干擾,水銀血壓計的測量精度較低[2]。

基于壓力的袖帶示波測量法被廣泛地運用于人體血壓測量當中。通過檢測血液由受阻狀態(tài)緩慢變?yōu)榱魍顟B(tài)時,袖帶內(nèi)產(chǎn)生的脈搏振蕩波被檢測出來用于計算出血壓[3-4]。采用這種方法制造的血壓計一般體積較大,不便于攜帶且實時監(jiān)測效果也較差,而且必須在被測試者平靜時進行測量,否則會大大降低檢測結果的準確性。本文設計的具有無線傳輸功能的數(shù)字血壓計，是在數(shù)字血壓計原有功能的基礎上添加了無線傳輸模塊,能夠實現(xiàn)血壓的實時監(jiān)測,并能將血壓值通過藍牙端口傳輸至手機APP中存儲,以供長期監(jiān)測和生理分析用,有利于對病人進行及時有效的治療。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)為外接式的結構,以STC89C52單片機為核心,采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式,系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由血壓信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、充放氣控制模塊、液晶顯示模塊、按鍵控制模塊以及藍牙模塊組成。在測量血壓過程中,通過壓力傳感器采集到人體血壓信號并送入微控制器(MCU)的內(nèi)置A/D轉換接口,經(jīng)過A/D采樣及計算獲得血壓值。血壓數(shù)據(jù)被傳送至LCD1602液晶顯示電路并將數(shù)據(jù)存儲,最后發(fā)送至藍牙模塊。藍牙模塊起到連接外部設備與數(shù)字血壓計的作用,來完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

2 硬件主要組成模塊

2.1 血壓信號采集模塊

血壓信號的采集是通過Sensor 101壓力傳感器和74HC02芯片來實現(xiàn)。Sensor 101是一款電容式的壓力傳感器,它的測量范圍為0～40 kPa。在薄膜感受到壓力的時候會產(chǎn)生變形,此時薄膜與固定的電極間所產(chǎn)生的電容量就會發(fā)生改變,測量電路則輸出與電壓形成一定的關系的電信號[5]。74HC02芯片是4組2輸入端或非門(正邏輯),是一款高速金屬-氧化物半導體型互補CMOS器件,遵循JEDEC標準no.7A,其引腳兼容低功耗肖特基TTL(LSTTL)系列。

血壓信號采集模塊原理如圖2所示。通過電容器自帶的敏感元件將測量出的壓力轉換成與之有一定關系的電信號輸出[6]。壓力傳感器Sensor 101有3個引腳:1腳為輸出電壓,2腳和3腳為參考電壓。

圖2 傳感器模塊圖

當壓力傳感器的1腳輸入高電平時,芯片的4腳輸出低電平,1腳輸出高電平,10腳輸出低電平,13腳輸出高電平；

當壓力傳感器的1腳輸入低電平時,74HC02芯片的4腳輸出高電平,1腳輸出低電平,10腳輸出高電平,13腳輸出低電平。

在這個電路中,前3個或非門相當于一個放大器與電阻R7、R8組成負反饋式的施密特觸發(fā)器,從而保證電路的輸出穩(wěn)定性[7]。

2.2 單片機主控電路模塊

STC89C52是STC公司生產(chǎn)的低功耗、高性能的CMOS 8位單片機(見圖3)。傳感器電路利用P35(T1)引腳的第2功能實現(xiàn)定時/計數(shù)器1的外部計數(shù),時鐘電路通過單片機的XTAL1和XTAL2晶振引腳外接定時元件來產(chǎn)生時鐘信號,氣泵充氣和放氣電路分別接單片機的P21和P20引腳來實現(xiàn)充、放氣功能,報警電路接單片機的P11引腳來實現(xiàn)蜂鳴器報警功能[8]。LCD1602液晶顯示電路接單片機的P0口和P2口,藍牙模塊的下載接口利用單片機的P30(RXD)串行通信數(shù)據(jù)接收端功能及P31(TXD)完成串行通信數(shù)據(jù)發(fā)送[9]。

圖3 STC89C52單片機模塊圖

2.3 氣泵充放氣控制電路模塊

在微控制器(MCU)的處理下,采用DC 6V微型充氣泵完成對袖帶的充氣過程。氣泵的工作電壓為3～6 V,額定電壓6 V,額定電流250 mA,可以使用的壓力范圍為0～450 mmHg,具有充氣速度快、噪聲小、使用壽命長等優(yōu)點。由單片機的P21腳輸出0.6 V左右的低電平信號給R4,Q2導通,輸出一個+6 V的電壓,使P3導通。D4為保護二極管,使P3能穩(wěn)定工作,如圖4所示。

氣泵放氣控制電路與充氣控制電路類似,泄氣速率以PWM方式控制,MCU依據(jù)壓力值之泄氣變化調(diào)整泄氣速率在規(guī)格范圍內(nèi)。當充氣到180 mmHg時,開始放氣,由單片機發(fā)出一個信號給單片機的P2.0腳,使相應的三極管導通,輸出電壓5 V,氣泵開始放氣。

圖4 氣泵充、放氣控制原理圖

2.4 藍牙模塊

本設計選用的藍牙模塊為HC-08。該模塊功耗較低,接收靈敏度較強,能夠實現(xiàn)較遠距離的無線通信[10],并且支持AT指令,具有主、從模式。HC-08的串口波特率、配對密碼等參數(shù)可以根據(jù)需要靈活修改,在AT指令的模式下可以改變參數(shù)和查詢信息[11]；具有穩(wěn)壓芯片,輸入電壓范圍為3.6～6 V。當藍牙配對成功后,工作電流大約10 mA。藍牙模塊電路如圖5所示。

圖5 藍牙模塊電路圖

HC-08是基于Bluetooth Specification V4.0 BLE藍牙協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸模塊,與支持藍牙V4.0的Android手機通過血壓計APP實現(xiàn)血壓值的傳輸與顯示[12]。當通過無線方式傳輸時頻段為2.4 GHz,使用GFSK的調(diào)制方式。HC-08藍牙模塊的最大發(fā)射功率為4 dBm,接收靈敏度一般為-93 dBm。藍牙模塊一般在室內(nèi)使用,可傳輸?shù)木嚯x小于10 m。

3 軟件設計

3.1 軟件工作主流程

系統(tǒng)的軟件包括血壓信號采集、信息數(shù)據(jù)處理、液晶顯示、按鍵控制等4部分,主程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

袖帶連接完畢后,接通電源即可開始測量人體血壓。單片機STC89C52發(fā)送控制信號給氣泵,充氣氣泵開始給袖帶充氣和采集血壓信號。采集到的血壓信號會經(jīng)過帶通濾波再次到達單片機的內(nèi)部,并進行放大、AD轉換等信號處理,檢測出相應的收縮壓和舒張壓。

血壓數(shù)值經(jīng)由藍牙配對后傳輸?shù)街悄苁謾C,由相應的APP進行存儲和顯示,同時測量得到的數(shù)據(jù)將會顯示MCU的LCD顯示屏上,然后系統(tǒng)執(zhí)行快速放氣的操作。若血壓監(jiān)測出來的數(shù)值超過正常的指標時,系統(tǒng)將會發(fā)出報警提醒。

3.2 藍牙傳輸軟件的實現(xiàn)

為了合理分配硬件資源,設計了簡易、便于更廣泛人群操作的人性化界面。藍牙傳輸軟件的終端是以Android操作系統(tǒng)為基礎的用戶界面。在Android操作系統(tǒng)基礎上,藍牙傳輸模塊不僅能對各個模塊進行管理,而且能進行模塊數(shù)據(jù)的接收、分析、存儲、發(fā)送及復雜的人機交互。藍牙模塊通信匹配過程如圖7所示。

圖7 藍牙模塊通信匹配過程圖

首先開啟藍牙,搜索設備,然后在設備列表中選擇要連接的設備并建立連接,以通過藍牙進行數(shù)據(jù)傳輸。Android智能手機的藍牙設備可以被其他的藍牙設備搜索到,一般情況下其他藍牙設備會在300 s內(nèi)搜索到該設備,程序會收到一個回調(diào)函數(shù)返回值。假如選“拒絕”或者運行過程中出現(xiàn)了錯誤,回調(diào)函數(shù)就會返回常量。查找的藍牙設備在允許之后會實現(xiàn)與藍牙的連接。當藍牙模塊與藍牙串口連接后,就可以將測量的血壓數(shù)據(jù)從檢測端無線發(fā)送至Android智能手機APP客戶端。APP界面會顯示出由單片機測量出的收縮壓、舒張壓以及每分鐘脈搏次數(shù)。

4 系統(tǒng)調(diào)試結果

將TTL線與單片機相連,通過STC下載軟件將程序下載至單片機進行硬件測試。

將袖帶接到氣泵接口處,接通電源。

打開手機“血壓計”APP,按下電源總開關給單片機供電。

通過手機APP搜索藍牙模塊,點擊“連接”。

將袖帶佩戴在手肘上處,佩戴過程中一定要保持手臂放松。

按下啟動開關,氣泵開始充氣。若壓力大于等于180 mmHg,氣泵接收到信號停止充氣,并且開始緩慢放氣。當氣壓振幅大于等于最大振幅的50%時,此時的壓力為收縮壓；在繼續(xù)緩慢放氣過程中,當氣壓振幅小于等于最大振幅的80%時,當前壓力為舒張壓。檢測完成后,LCD上面會顯示出SBP(高壓)、DBP(低壓)及心率的數(shù)值,這些數(shù)值會通過藍牙模塊傳送至手機APP。手機APP頁面上顯示出與藍牙模塊的連接狀態(tài)、收縮壓、舒張壓以及每分鐘脈搏的次數(shù)。藍牙接收端APP界面如圖8所示。每次測量出的數(shù)值會在APP上面有所保存,在下一次測量上傳數(shù)據(jù)至APP上。

圖8 測試手機藍牙接收端APP界面

5 結語

基于藍牙無線傳輸?shù)男滦蛿?shù)字血壓將目前主流的智能手機與單片機進行連接,通過藍牙這一無線傳輸方式將單片機測量的數(shù)據(jù)傳送至手機APP中顯示和存儲,也可以通過其他藍牙設備接收數(shù)據(jù),克服了傳統(tǒng)血壓計繁瑣、無法及時反饋數(shù)據(jù)的缺點,便于人們實時監(jiān)測自己的血壓狀況,便于將數(shù)據(jù)提供給醫(yī)護人員進行咨詢分析,有助于高血壓病人的及時就醫(yī)。

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