邱治金 藍慧雪

摘要：心血管疾病一直是人類健康的重大威脅，早發(fā)現(xiàn)早治療是控制死亡率的關(guān)鍵，普及家用心血管疾病的檢測儀器顯得尤為重要。該文介紹一種便攜式手指脈搏測試儀的設(shè)計與實現(xiàn)。系統(tǒng)采用MSP430F149單片機作為控制器，采用光電脈搏傳感器檢測脈搏信號，利用單片機內(nèi)置12位A/D轉(zhuǎn)換器跟蹤脈搏信號，由程序算法計算脈搏及脈動強弱。脈搏數(shù)據(jù)存儲在AT24C02存儲器中，在LCD液晶上顯示。經(jīng)過反復(fù)測試驗證，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，反應(yīng)速度快，能在誤差范圍正確測量手指脈搏、超限報警、查看歷史數(shù)據(jù)、顯示實時時間等。

關(guān)鍵詞：脈搏;便攜式;單片機;光電傳感器

中圖分類號：TP3 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）34-0236-02

心血管疾病已經(jīng)成為世界上發(fā)病率和死亡率第一的疾病，對人類的身體健康構(gòu)成強大的威脅。在我國，每年近300萬人死于心腦血管病，平均每10秒鐘就有一人死亡。即使應(yīng)用最先進的治療手段，仍有50%以上的患者生活不能自理。心血管疾病是可預(yù)防可控的，除了合理的飲食調(diào)節(jié)，日常監(jiān)測更為重要，提早發(fā)現(xiàn)異常，能讓患者得到及時有效的治療。人體心室周期性的收縮和舒張導(dǎo)致主動脈的收縮和舒張，是血流壓力以波的形式從主動脈根部開始沿著整個動脈系統(tǒng)傳播，這種波成為脈搏波。脈搏波的形態(tài)、強度、速率和節(jié)律等，能反映出人體心血管的健康狀況。因此，本文介紹一種便攜式手指脈搏測試儀得設(shè)計與實現(xiàn)，該測試儀成本低，使用方便，可有效監(jiān)測使用者的脈搏數(shù)據(jù)信息，并能進行脈搏異常情況報警。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)由脈搏傳感器對脈搏進行檢測，輸出脈搏電壓模擬信號，由MSP430F149單片機內(nèi)置的12位A/D轉(zhuǎn)換器對脈搏信號進行采樣、轉(zhuǎn)換。然后由處理器對ADC采回的數(shù)據(jù)進行處理、計算心率、存儲數(shù)據(jù)，送液晶顯示器顯示。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)采用MSP430F149單片機作為主控制器。MSP430F149單片機是一種16位精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（Mixed Signal Processor）[6] [7] ，具有低電壓，超低功耗，處理能力強，高性能模擬技術(shù)及片上外圍模塊豐富，內(nèi)含基本時鐘模塊、看門狗、內(nèi)部溫度傳感器、比較器、硬件乘法器、12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個16位定時器、2個串口、6個8位并行端口，其中P1和P2口有中斷能力，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，開發(fā)環(huán)境方便靈活，適合于本系統(tǒng)的設(shè)計需求。

脈搏波的特征、參數(shù)對心血管疾病病理的研究有著重要的意義，目前常見的脈搏采集方法有：壓力傳感器法、超聲脈圖法、光電容積法、電容傳感器法、電聲傳感器法等。其中，超聲脈圖法和光電傳感器法在目前臨床應(yīng)用中比較普遍。電容、電聲和壓力傳感器法多用于無創(chuàng)血壓測量中的脈搏測量。相比于壓力傳感器，光電脈搏傳感器讓人體的感覺更加舒適，測量的方式簡單，可靠性也高于壓力傳感器。光電脈搏傳感器根據(jù)光電容積法原理，通過對手指末端透光度的監(jiān)測，脈搏搏動時血管血容量變化，透光度隨著改變，接收器接收到的光強度不同，因此接收器輸出的電壓也是隨脈搏搏動而改變。將不易測量、采集的生物信息脈搏信號轉(zhuǎn)化成了易于采集、處理的模擬電信號。本系統(tǒng)采用的Pulse Sensor傳感器利用光電容積法原理，結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、精度高、可重復(fù)使用。

人體的脈搏頻率范圍大約在0.5Hz～4Hz。根據(jù)脈搏功率譜能量分析，健康人脈搏能量絕大多數(shù)分布于1Hz～5Hz之間，有些病人的脈搏則可能達到10Hz以上，一般不超過30Hz，遠小于工頻信號50Hz，且脈搏信號幅度非常微弱，光電接收器輸出的電壓信號幅度只有幾毫伏。為得到單片機能識別的模擬電壓信號，先將光接收器輸出信號通過濾波電路，進行濾波，濾除干擾，之后再放大。光電脈搏傳感器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，實物圖及脈搏信號圖如圖3所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫程序，便于實現(xiàn)設(shè)計要求的復(fù)雜運算和數(shù)據(jù)處理，解決系統(tǒng)實時性問題，系統(tǒng)軟件主要由脈搏測量及控制、人機交互界面、數(shù)據(jù)存儲顯示、系統(tǒng)實時時鐘等程序模塊組成。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

2.1 脈搏信號的采集及數(shù)據(jù)處理

脈搏信號的采集和數(shù)據(jù)的處理是手指脈搏測試系統(tǒng)能否實現(xiàn)的關(guān)鍵。利用單片機內(nèi)置的ADC轉(zhuǎn)換器和定時器，確定脈搏波上的相鄰周期相同電壓點的時間差，計算得到每分鐘脈搏搏動次數(shù)。系統(tǒng)在定時器每次定時2ms時對ADC采集到的數(shù)據(jù)進行處理。根據(jù)兩個相鄰脈搏波上升沿的中間值來確定兩次心跳的間隔時間，再通過兩次心跳的間隔時間來計算心率，為了較小誤差，采用多次測量中值算法處理。脈搏數(shù)據(jù)的處理在定時器中斷服務(wù)程序中執(zhí)行。檢測到脈搏信號后，待稍穩(wěn)定后，為濾除脈搏波在動脈中反射產(chǎn)生的重波，超過3/5個脈動時間間隔后，再比較A/D采樣轉(zhuǎn)換的脈搏信號電壓數(shù)字量與上述確定的閾值，跟蹤脈搏波上升沿，確定是上升沿的中間值后，記錄時間與上次記錄的時間相減，得到兩次心跳的間隔時間IBI，單位為毫秒，則脈搏速率BPM=60000/IBI。脈搏波信號的電壓幅值數(shù)字量用作判斷脈搏強弱的依據(jù)。根據(jù)脈搏信號波峰波谷差電壓幅值大小，用以判定脈搏的強弱。

2.2 人機交互界面

現(xiàn)代儀器的開發(fā)中，人機交互的設(shè)計不可缺少的，人機交互界面的合理設(shè)計使得儀器的使用更加便捷，提高儀器的工作效率。本系統(tǒng)的人機交互包括按鍵輸入和液晶顯示。按鍵處理軟件采用輪詢法依次讀取I/O口的電平狀態(tài)，對按鍵進行查詢和識別。分別實現(xiàn)工作模式選擇、脈搏數(shù)據(jù)的存儲、報警閾值設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)回顯控制等功能。液晶顯示可直觀輸出脈搏測量的結(jié)果和設(shè)置信息。對于心率過于緩慢或者過快的情況，液晶將顯示文字提示進行報警。測得的心率在正常的范圍則顯示心動正常，非正常狀態(tài)用紅色字體顯示，正常狀態(tài)用黑色字體顯示，達到醒目報警的目的。

2.3 數(shù)據(jù)存儲

該部分軟件程序?qū)崿F(xiàn)將脈搏和時間等數(shù)據(jù)存到AT24C02存儲器的功能，并能從存儲器讀取數(shù)據(jù)記錄送液晶顯示。根據(jù)功能需求，一個記錄包括心率BPM及心率測試存儲時的時間（月、日、時）共四個數(shù)據(jù)，使用存儲器的四個地址來存儲。AT24C02有256個存儲地址，每個地址能存儲的一個字節(jié)數(shù)。首次存儲選擇地址為0的字節(jié)單元存儲數(shù)據(jù)，每次存儲完數(shù)據(jù)之后，保存地址，在每次存儲數(shù)據(jù)之前讀回上次存儲進去的地址，從下一個地址開始存儲數(shù)據(jù)。存儲數(shù)據(jù)的地址范圍為4～255，每四個地址存一個記錄，最多可存儲63個記錄。當超過62記錄，則將前面的數(shù)據(jù)覆蓋。每次測量之后，由按鍵START是否按下決定要不要存儲數(shù)據(jù)。START按下，取將要存儲數(shù)據(jù)的首地址，并顯示存儲的是第幾個記錄的。存一次數(shù)據(jù)。每存一次數(shù)據(jù)，讀一次存儲器所有的數(shù)據(jù)進行平均、最大值的運算，并顯示在液晶上。

2.4 系統(tǒng)實時時鐘

該部分軟件程序?qū)θ諝v芯片PCF8563進行初始化，讀取時間寄存器的時間數(shù)據(jù)在并在液晶上進行顯示。在存儲心率數(shù)據(jù)時，讀取當時時間，取月和日存儲。程序讀日歷芯片時間，首先給一個開始信號，給PCF8563寫寫地址字節(jié)，然后寫入要讀的寄存器的首地址，再寫讀地址字節(jié)，然后讀時間寄存器中的時間值，讀的地址由PCF8563內(nèi)部計數(shù)器自增1，在讀完時間寄存器后給出一個停止信號。給芯片寫入最初始時間后，芯片運行正常，之后的操作則不需要給時間寄存器寫最初始時間。日歷芯片的初始化和讀取時間作為子程序供主函數(shù)調(diào)用。

3 結(jié)論

經(jīng)反復(fù)測試校驗，該便攜式手指脈搏測試儀可有效地實現(xiàn)脈搏的測量和顯示，具有成人及嬰幼兒脈搏異常報警功能，脈搏強弱指示功能，脈搏數(shù)據(jù)平均值、最高值統(tǒng)計功能。系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實時快速，使用方便，測量誤差小。通過該手指脈搏測試儀，可幫助使用者及其家人及時了解脈搏和心率異常情況，對心血管患者可以起到預(yù)警和早發(fā)現(xiàn)早治療的作用。

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