無線可穿戴式心率儀的系統設計*

陸黎容，嚴小黑

（廣西民族師范學院，廣西 崇左 532200）

引言

科學技術的不斷發展，為各類電子產品的研發提供了基礎。“可穿戴式智能設備”為近幾年熱門的設備，其思想、萌芽的形成可以追溯到20 世紀60年代[1]。我國的可穿戴式智能設備起步較晚，到了20 世紀90年代末才對其進行研發，但隨著科技大浪潮的推動和國家政策大力扶持，我國在此方面的發展迅猛[2]。可穿戴式智能設備主要分為兩大領域：一是健身、戶外運動，另一個是醫療保健。無線可穿戴式心率儀在這兩方面皆有應用，針對不同的使用群體其所達到的效果不盡相同，在年輕的用戶中主要通過心率快慢來控制自身運動強度，制定合適自己的鍛煉方法[3]。心臟的跳動是人生還的重要條件，而心率也是人體重要的生理性指標之一，所以對于老年人及有心臟疾病的使用者來說，加入了無線傳輸的部分，讓心率儀的研發對人們監控身體健康、對疾病的及時治療和預防疾病發生有重大意義[4]。

1 系統總體設計

系統的整體結構包括心率檢測模塊、單片機控制系統模塊、顯示模塊、無線傳輸模塊和報警模塊。心率檢測模塊用于實時檢測人的心率，顯示模塊用于實時顯示人的心率值、心率閾值及報警信息，無線傳輸模塊用于當檢測心率超過閾值時及時通知相關聯系人，報警模塊用于當檢測心率超過閾值時及時提醒使用人。

圖1 系統總體框圖

2 系統硬件設計

2.1 元器件的選擇

單片機控制系統模塊采用STC89C52 芯片，這是一種集成化很高的電路芯片，其功能十分強大，能夠創造出各種不同的智能產品，它既可按照設計要求進行程序設計，其需要用到的電路很少，只需要在外接電源正負極進行供電、復位電路讓單片機能初始化，晶振電路（時鐘電路）為其提供時鐘脈沖信號就可組成單片機正常工作的最小系統。

目前心率測量的方法主要有兩種：（1）用微壓力傳感材料制成的壓電式傳感器；（2）用紅外線傳感器。前者在進行測量時脈搏產生的信號和自然抖動的信號對傳感器都會產生壓力，兩者壓力疊加會使得測量的數據偏高，造成不可避免的誤差。而紅外線傳感器是利用了紅外光的折射、反射、衍射、散射、吸收等物理特質來進行測量的一款傳感器，在對人體脈搏的測量中，通過對人體血管內血液流動時光折射的程度來測量心率，將光折射出的程度轉化為電信號輸入到控制器內進行處理。使用該方案有很多優點，最主要的優點是它受到外界干擾較小，也是目前廣泛使用的方法。本設計的心率檢測模塊采用ST188紅外傳感器及傳感控制電路，其通過檢測人體血管里血液流動的時候對光的透過程度或者折射程度等指標來檢測心率。

顯示模塊采用LCD1602 液晶顯示屏，其有2 行每行可以顯示16 個字符一共可以顯示32 個字符，這是一種用來顯示字母、數字和符號的點陣型液晶模塊。這種液晶塊共16 個管腳，除去第15 的背光正極管腳和第16 背光負極管腳，剩余14 腳可分為電源、控制和數據管腳。

GSM 無線報警模塊使用SIM800C 芯片，實現無線短消息報警功能，其在掌上電腦和移動電話上執行配套程序，以數字及直觀的圖形實時顯示生命體征，根據預定程序將緊急情況下的生理數據即心率值通過短消息方式發送到指定聯系人掌上電腦或移動電話上。

報警模塊是由PN 三極管、蜂鳴器、電阻組成的報警電路，在心跳超過設定閥值時給予使用者提示。

2.2 電路原理圖設計

心率儀中單片機最小系統如圖2 所示。采用的是STC89C52 芯片作為主控元件，外接了兩個電路：一是由12MHZ 晶體振蕩器和瓷片電容組成的晶振電路為系統供應了工作頻率，二是復位電路中則采取了兩類方式——上電和按鍵。

使用紅外傳感器ST188 器件為脈沖信號處理電路的核心，將接收到的信號進行濾波后，通過放大處理，最終把信號傳輸到單片機中進行處理（見圖3）。

液晶顯示部分的電路中，并不是把顯示器直接接入到STC89C52 中，而是外接了一個上拉電阻用來提高了單片機的驅動能力，如圖4 所示。

心率儀設計了兩個報警系統，分別為GSM 無線報警，利用SIM800C 發送短信來完成無線報警；另一個是蜂鳴器報警，在超出上限和低于下限時向使用者報警的裝置。

圖2 單片機最小系統

圖3 脈沖信號處理電路圖

圖4 C52 外接上拉電阻及1602 液晶顯示圖

圖5 GSM 無線傳輸報警電路圖

3 系統軟件設計

圖6 蜂鳴器報警圖

一個完整的單片機不僅要有硬件電路，其靈魂核心是程序的設計，只有程序才能夠驅使單片機對輸入的信號進行處理，再輸出到各類顯示器件中。單片機程序中必不可少的是主程序，根據本次設計的要求加入了中斷、蜂鳴器、液晶顯示、GSM 無線傳輸等子程序。

3.1 主程序介紹及其框圖結構

主程序（main 函數打頭）是整個程序里運行的核心，在單片機的軟件編程中代碼都是從檢測到main 函數開始運行，而各類子程序在main 函數中得到調用。主程序里先進行的是數據初始化處理，將上一個運行的數據歸零讓程序回歸原始狀態，可以進行新一輪的心率測量，開始C52 的又一輪工作。現今人們的生活節奏很快，雖然心率儀檢測的時間越久數據會越精準，但花費1 分鐘時間來測量脈搏的時間成本較高，所以在程序設計時設定了6s 內收集完數據，并完成心率的計算。

圖7 主程序框圖

在主程序前還需要有頭文件和定義各類變量、所需要調用的函數，程序才能夠正常運行。main 函數內進行內數據初始化，GSM 模塊，按鍵模塊，液晶顯示模塊，脈搏信號模塊等函數的調用，用來調用函數程序來實現心率儀的功能。

3.2 中斷程序

中斷程序系統在單片機程序中占據重要地位，單片機的控制器CPU 與外接的電路之間往往會存在速度不匹配的問題，而中斷程序就可以解決這一問題，讓單片機在運行的過程中能夠快速處理程序中各種類的隨機參數和不同的信息，與此同時，讓單片機處理故障的能力得以提升。中斷的類型也有很多，在此次心率儀的中斷程序中采用了多種類型的中斷實現對不同模塊的定時、計數，有決定蜂鳴器是否啟動報警的定時器0 中斷，而定時器1中斷和外部中斷相配合一起測量計算心率的情況，GSM模塊的中斷則通過串口中斷來實現。

圖8 定時器0 中斷

4 結束語

本文設計的無線可穿戴式心率儀，性價比高、結構簡單，通過對心率的監控，可以讓使用者制定合適自己的健身方案，還能預防心理疾病的發生。蜂鳴器報警系統可及時告知使用者自身的心率異常情況，無線模塊的報警系統可及時告知使用者的監護人，對突發心理疾病的預防和即時搶救有重大意義。