基于单片机的便携式脉搏监测系统的设计

汪泽睿+文青勇

摘要：近年来，心血管类疾病发病率日益增高，对脉搏信号的检测变得日益重要，本文设计了一种低功耗，便携式脉搏监测系统，通过PulseSensor传感器检测脉搏信号，将光信号转换为电信号，通过单片机进行分析处理，由OLED进行显示。

关键词：脉搏检测；PulseSensor；系统设计

中图分类号：TP368.12 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）11-0147-01

1 系统设计思路

1.1 脉搏信号参数简介

心率：描述心动周期，指心脏跳动的频率，在单位时间内心脏跳动的次数就是我们平时所说的心率，心率的快慢会反应人心血管是否健康，心率表现在血管脉动上就是脉搏。

脉搏：人体主动脉的收缩与舒张来自于人体心室的变化，心室的收缩和舒张会使血压在血管内以波的形式传播，通常所说的脉搏波就是指的这个波。脉搏波所表现的情况可以很大部分的反应人体心血管情况。正常人每分钟脉搏次数为60到80次，婴儿的则为每分钟90到100次，老人的脉搏数是每分钟100到150次。

心率与脉搏的联系：因为心率表现在血管脉动上是脉搏，所以一般情况下心率与脉搏数值上是相等的，所以对于心率大小的测量就可以转换为对脉搏的测量，而对于脉搏的测量一般比较简单，所以这种心率的测量方式应用也比较广泛。

1.2 脉搏波检测原理

对于脉搏信号的监测有很多方法，本系统采用的是光电容积法，人体组织在血管波动时对光的透光率会有所不同，光电容积法恰恰是利用这种不同来监测脉搏波，通过传感器上的光源和光接收器，就可以将脉搏波通过光电转换监测出来。当光通过血管时，血管的脉动会使透光率发生变化，光接收器接收到不同强度的光，再由光电转换器转换为不同电压的电信号，进一步通过滤波和放大即可进行数字化处理。血管透光率的变化是随心脏搏动而变化，所以通过监测血管的透光率即可监测到脉搏波的变化。

1.3 系统结构设计

单片机使用STC12C5A60S2芯片作为结构计算核心，负责接收传感器模块的数据并通过ADC模数转换进行数据处理和计算，得出的数字数据通过OLED显示。晶振电路为单片机提供时钟频率信号，复位电路用于手动复位整个系统。其他电路可以做为一些警报电路或者提示电路的补充。脉搏传感器选取单片机的任意ADC输入口进行连接，OLED选取单片机的任意两个I/O口进行IIC总线进行软件的模拟[1]。

2 系统硬件设计

2.1 单片机及单片机最小系统设计

STC12C5A60S2是增强型8051，单片机内部集成的存储器采用的是FLASH工艺制成，使用者可以轻松的用电信号完成数据的擦出和重写，对于写入单片机的程序还支持加密处理。工作频率0～35MHz，相当于普通8051的0～420MHz，速度是普通8051的8～12倍，片上集成了1280字节的RAM，存储空间大，I/O口驱动能力达20mA，无需专用编程器和专用仿真器，可以通过串口直接下载用户程序，并且该单片机对开发设备要求很低，开发时间大大缩短内部自带EEPROM，带4个16位定时器，有7路外部中断。

单片机最小系统就是能使单片机正常工作的最小硬件单元电路。单片机最小系统主要由三个部分组成：晶振电路、复位电路、电源。晶振电路为单片机提供时钟信号，其大小由单片机时钟周期要求而决定。复位电路用于系统复位。

2.2 PulseSensor传感器介绍

PulseSensor传感器采用的绿光LED，它的峰值波长为515nm，使用AODS-9008作为光接收器，这款光接收器接收的光的波长为565NM，因为LED发出的光和光接收器接收的光的波长十分相近，所以传感器的灵敏度也比较高。另外，因为脉搏信号比较微弱，为避免被其他信号干扰，所以传感器集成了信号放大器，脉搏信号先通过低通滤波器滤波处理，再通过MCP6001组成的信号放大器，就可以将脉搏信号放大330倍，满足单片机的信号处理要求。

2.3 硬件系统设计

便携式脉搏监测系统由STC12C5A60S2单片机，晶振电路，复位电路，PulseSensor传感器模块，OLED显示屏模块组成。晶振电路为单片机提供时钟信号，由PulseSensor传感器模块接收脉搏信号后，经由滤波电路滤除杂波干扰，再通过放大电路将微弱的脉搏信号放大后输出给STC12C5A60S2单片机，通过ADC进行模数转換，通过单片机进行数据处理后显示到OLED显示屏上。

3 系统软件设计

3.1 程序设计思路

程序设计需要与硬件相结合，例如OLED显示程序需要考虑OLED的控制接口，由于OLED采用的是IIC接口，STC12C5A60S2没有自带的IIC接口，那么，程序就需要模拟IIC总线时序，才能控制OLED显示屏。此外，在本次设计的程序中，还有一个比较重要的部分就是脉搏信号的处理上，由于脉搏传感器模块传回的脉搏信号是模拟信号，就必须要对信号进行模数转换，然后对得出的数字数据进行处理和计算才能用于显示和上传。

3.2 脉搏检测软件设计思路

脉搏传感器的软件设计首先要进行脉搏模拟信号的采集，将采集到的脉搏信号传回单片机，再由单片机的ADC模数转换模块对型号进行采样处理，得出相应的数字型号，一方面将数字型号通过串口传送到上位机，另一方面将数字信号通过OLED显示屏显示。OLED显示屏的控制需要通过程序模拟IIC总线时序，可以将这些程序封装成函数，使用时只需要调用需要的函数即可。脉搏监测系统软件主要包括IIC时序模拟函数，显示函数，ADC数据处理函数，串口数据传输函数，定时器0中断子函数和主函数几部分组成[2]。

3.3 IIC介绍endprint

IIC總线是一种串行总线，它由SDA和SCL构成，其中SDA是数据线，SCL是时钟线，与其他总线相同，它也具有发送和接受数据的功能。它可以介于CPU和IC之间，也可以介于IC和IC之间，并且能够实现双向传输，它的最高传送速率可达100kbps。

3.4 脉搏信号数据处理函数

PulseSensor传感器接收到脉搏信号后以模拟信号的形式传送给单片机，单片机通过ADC模块对信号进行模数转换，利用数字信号得出脉搏信号的波峰波谷，得出单个脉冲的周期，得出信号的平均值并记录，最终计算出心率，然后对心率数据进行处理，得出能够上传和显示的数组数据，中断子函数结束。

4 结语

本文针对便携式脉搏检测设备在个人，家庭应用中的重要意义，提出并研究设计了一种低功耗的便携式脉搏监护仪。该系统能够完成脉搏信号的采集和变换，以及脉搏自动分析软件等工作。系统测试结果表明：该系统具有运行稳定，具有较强实时性，使用安全，方便二次开发，耗能低，体积轻便等特点，适合个人脉搏监护使用。

参考文献

[1]陈汝全.实用微机与单片机控制技术[M].电子科技大学出版社，1995.

[2]黄元伟.心血管病诊疗手册[M].浙江科学技术出版社，1982.

Abstract：In recent years， the increasing incidence of cardiovascular disease， to detect the pulse signal becomes more and more important， this paper designed a low-power， portable pulse monitoring system， through the PulseSensor sensor to detect the pulse signal， the optical signals are converted to electrical signals through the SCM for analysis and processing， displayed by the OLED.

Key Words：pulse detection； PulseSensor； system designendprint