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智能心率檢測儀方案
來源:深圳市賽億科技開發有限公司作者:日期:2020-08-21 11:03:49點擊:569次

 

  前言:心率是指人體心臟每分鐘搏動的次數。它是反映心臟是否正常工作的一個重要參數,同時心率值也是衡量體力勞動強度和腦力勞動強度的重要指標。因此心率的測量是一種評價病人生理狀況很好的方法。

  心率計是用于測量心率值的的醫療設備,它的應用在心血管疾病的研究和診斷方面也發揮出顯著的作用,它們所記錄的心臟活動時的生物電信號,已成為臨床診斷的重要依據。隨著現代醫學的不斷發展和進步, 人們對各種測量儀器的要求必然越來越高,因此在前人研究的基礎上我們開發并設計了一款性價比較高的電子心率計, 它有利于解決了傳統測量方法的不準確性和隨機性, 而且能夠準確的測量出人體的心率, 并隨時以數字的方式顯示測量結果。這樣可以使人體心率值直觀化

  第一章 方案設計

  光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動時造成的透光率不同來進行脈搏測量的,其使用的傳感器由光源和光電變感器兩部分組成,通過綁帶或者夾子固定在病人的手指或者耳垂上。光源一般采用對動脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的一定波長(500nm~700nm) 的發光二極管。當光束透過人體外周血管,由于動脈搏動充血容積變化導致這光束的透光率發生變化,此時由廣電變換器接收經人體組織反射的光線,轉變為電信號并將其放大和輸出,由于脈搏是隨心臟的搏動而周期性變化的信號,動脈血管容積也周期性變化,因此光電變化器的電信號變化周期就是脈搏率。

  整個心率傳感器的結構如下:
心率傳感器結構

  第二章 硬件電路的簡單概述

  心率計設計的原理

  根據設計要求,該設計采用stm32f103zet6作為控制CPU,外圍器件包括數字溫度傳感器DS18820,光電對管,語音模塊,譯碼器,鎖存器,放大器等等。本作品采用總線控制方式,顯示采用三位靜態數碼顯示.

  3.2 Pulse Sensor 心率傳感器的原理

  PulseSensor 是一款用于心率測量的光電反射式模擬傳感器,將其佩戴在手指或者耳垂等處,通過導線連接可將采集到的模擬信號傳輸給stm32f103zet6單片機用來轉換為數字信號,再通過stm32的簡單計算后就可以得到心率數值,此外還可以將脈搏波形通過串口傳輸到電腦顯示波形。

  原理圖如下:


心率傳感器原理

  由于脈搏的信號極弱,振動幅度非常有限,不易進行采集和獲取,會給收集脈搏信號者帶來不小的麻煩。在脈搏信號本身極弱的同時,它還很容易受到信號的干擾,對于每一個生物體來說,其各個部分的生理信號都是相互干擾相互影響的。再者,每個生物體的情緒的不同,喜怒哀樂的變化,也會造成生理信號的變化。在這種情況下,脈搏信號就會受到噪聲的干擾,只要選擇一個恰當的脈搏測量傳感器才能夠獲得準確、高效、可靠的脈搏信號。脈搏信號的頻率是很低的,一分鐘的次數大致如下,且對不同個體也是有差別的:男性的是60到100次,女性的是70到90次,小孩大概是90次。

  引腳功能如下:

  S ——— 脈搏信號輸出(接單片機AD接口)

  ——— 5v(或)電源輸入

  ———- GND地

  3.3 ISD1820語音模塊

  應用原理圖如下:



心率傳感器芯片

  引腳功能介紹

  電源(VCC):芯片內部的模擬和數字電路使用的不同電源總線在此引腳匯合,這樣使得噪聲最小。去耦合電容應盡量靠近芯片。

  地線(VSSA,VSSD):芯片內部的模擬和數字電路的不同地線匯合在這個引腳。

  錄音(REC):高電平有效,只要REC變高(不管芯片處在節電狀態還是正在放音),芯片即開始錄音。錄音期間,REC必須保持為高。REC變低或內存錄滿后,錄音周期結束,芯片自動寫入一個信息結束標志(EOM),使以后的重放操作可以及時停止。然后芯片自動進入節電狀態。

  邊沿觸發放音(PLAYE):此端出現上升沿時,芯片開始放音。放音持續到EOM標志或內存結束,芯片自動進入節電狀態。放音后,可以釋放PLAYE.

  電平觸發放音(PLAYL):此端從低變高時,芯片開始放音。持續至此端回到低電平或遇到EOM標志,或內存結束。放音結束后自動進入節電狀態。

  錄音指示(/RECLED):處于錄音狀態時,此端為低,可驅動LED.此外,放音遇到EOM標志時,此端輸出一個低電平脈沖。此脈沖可用來觸發PLAYE,實現循環放音。

  話筒輸入(MIC):此端連至片內前置放大器。片內自動增益控制電路(AGC)控制前置放大器的增益。外接話筒應通過串聯電容耦合到此端。耦合電容值和此端的10KΩ輸入阻抗決定了芯片頻帶的低頻截止點。

  話筒參考(MIC REF):此端是前置放大器的反向輸入。當以差分形式連接話筒時,可減小噪聲,提高共模抑制比。

  喇叭輸出(SP+,SP-):輸出端可直接驅動8Ω以上的喇叭。單端使用必須在輸出端和喇叭之間接耦合電容,而雙端輸出既不用電容又能將功率提高至4倍。SP+和SP-之間通過內部的50KΩ的電阻連接,不放音時為懸空狀態。

  振蕩電阻(ROSC):此端接振蕩電阻至VSS,由振蕩電阻的阻值決定錄放音的時間。

  直通模式(FT):此端允許接在MIC輸入端的外部語音信號經過芯片內部的AGC電路、濾波器和喇叭驅動器而直接到達喇叭輸出端。平時FT端為低,要實現直通功能,需將FT端接高電平,同時REC、PLAYE和PLAYL保持低。

  第三章 程序設計

  主程序設計

  程序的功能:可以通過對口的檢測其高低電平實現溫度數據和心電信號的采集,轉換和處理,最后用數碼管顯示心率值和溫度值;同時還可以調用語音播報子程序對溫度值和心率值進行語音播報。同時一旦心率不在設定范圍之內,可以通過報警模塊來提示,提醒用戶注意自己身體。

  主程序流程圖的設計是整個設計的關鍵一步,它是我們設計思路的具體體現。有了主程序流程圖,我們就可以根據把一個復雜的軟件設計分解為若干個功能模塊,然后逐一設計各個模塊的功能。

  在主程序設計中我們先初始化,包括顯示模塊初始化等,然后通過判斷是高電平還是低電平來實現是測量體溫還是測量人體的心率值。

  .1 主程序流程圖

  /@@***************************************************************************

  下位機編程軟件:keil

  程序實現功能:

  1、 單片機采集脈搏信號,AD轉換并計算心率值;

  2、 將脈搏波形數據和心率值通過串口傳送到上位機;

  3、 使用LED模擬心臟跳動;

  4、 使用數碼管和ISD1820模塊實現數字顯示和語音播報

  5、 使用蜂鳴器模塊對心率不正常時進行報警

  **************************************************************************/

  其主程序如下:

  int main(void)

  {

  HAL_Init();

  /@@* Configure the system clock */

  SystemClock_Config();

  /@@* Initialize all configured peripherals */

  MX_GPIO_Init();

  MX_ADC1_Init();

  MX_TIM3_Init();

  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);

  while (1)

  {

  sendDataToProcessing('S', Signal); // send Processing the raw Pulse Sensor data

  if (QS == true)

  {

  sendDataToProcessing('B',BPM); // send heart rate with a 'B' prefix

  sendDataToProcessing('Q',IBI); // send time between beats with a 'Q' prefix

  QS = false; // reset the Quantified Self flag for next time

  }

  HAL_Delay(20); //delay for 20ms

  }

  .2 語音模塊ISD1820功能簡介

  ISD1820主要有三個功能:錄音、電平控制放音和脈沖觸發放音。

  錄音子程序

  控制錄音主要有兩個數據:1 、錄音的開始地址;2 、錄音的時間。把這兩個數據都控制了就可以控制錄音時把聲音錄到哪幾段里頭。注意:REC 信號將被延遲50ms 防止開關抖動引起重復觸發。在調用錄音子程序時只要給出錄音的開始地址和需要錄音的時間就可以了。

  電平控制放音子程序

  電平控制放音中,開始地址和播放時間也是必不可少的,只要控制了這兩個參數就可以確定播出內容。不過需要注意的是播放的時候總是從一段的開頭開始播放的。當需要分段播放控制時,錄音時每一個內容的開頭必須從一個段的開頭開始。在調用電平控制放音子程序時只要給出放音的開始地址和放音的時間就可以了

  脈沖觸發放音子程序

  脈沖觸發放音與電平控制放音有些不同 ,脈沖觸發放音不能夠由單片機來控制放音的時間,只能夠控制放音的開始地址。脈沖觸發放音開始后就一直播放到遇到結束符或語音芯片的盡頭,所以一般在分段語音控制里頭不常用脈沖觸發。 在調用脈沖觸發放音子程序時只要給出放音的開始地址就可以了。

  心率測量的程序設計

  .1 心率測量程序設計

  心率測量程序設計由兩部分構成,前半段實現初始化,包括定時器/計數器的初始化、設置堆棧指針以及開中斷等。程序的后半段則是啟動兩個定時器/計數器以及調用顯示子程序和語音播報子程序來完成心率值的顯示和語音播報以及報警模塊。

  .2 中斷服務子程序設計

  void MX_TIM3_Init(void)

  {

  TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig;

  TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig;

  htim3.Instance = TIM3;

  htim3.Init.Prescaler = 7;

  htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;

  htim3.Init.Period = 1999;

  htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;

  HAL_TIM_Base_Init(&htim3);

  sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;

  HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim3, &sClockSourceConfig);

  sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;

  sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;

  HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim3, &sMasterConfig);

  }