無線可穿戴式心率儀系統(tǒng)設(shè)計分析

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摘要：本設(shè)計硬件主要以STC89C52單片機為控制處理單元，紅外線傳感器作為心率跳動的感應(yīng)器，GSM模塊為無線通信模塊。通過紅外線傳感器進行心率的信號輸入，經(jīng)過濾波放大后輸入單片機系統(tǒng)中，最后在LCD1602液晶顯示屏中顯示心跳次數(shù)，當心跳數(shù)超過或低于閥值時通過蜂鳴器對使用者進行報警，同時通過GSM模塊發(fā)送短信告知他人。本設(shè)計實現(xiàn)了以下兩個功能：一是做到了實時監(jiān)測顯示心率功能，讓使用者了解自身心率情況；二是做到了通過無線通信功能（以發(fā)送短信的方式），讓他人知道使用者現(xiàn)在的心率情況。

關(guān)鍵詞：心率測量；GSM無線傳輸；紅外線傳感器；STC89C52

引言

科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為各類電子產(chǎn)品的研發(fā)提供了基礎(chǔ)?！翱?a href="http://m.coffee125.com/lunwen/xtsjlw/163157.html" target="_blank">穿戴式智能設(shè)備”為近幾年熱門的設(shè)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(shè)備起步較晚，到了20世紀90年代末才對其進行研發(fā)，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(fā)展迅猛[2]。可穿戴式智能設(shè)備主要分為兩大領(lǐng)域：一是健身、戶外運動，另一個是醫(yī)療保健。無線可穿戴式心率儀在這兩方面皆有應(yīng)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?shù)牟糠?，讓心率儀的研發(fā)對人們監(jiān)控身體健康、對疾病的及時治療和預(yù)防疾病發(fā)生有重大意義[4]。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)包括心率檢測模塊、單片機控制系統(tǒng)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(guān)聯(lián)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。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1元器件的選擇

單片機控制系統(tǒng)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(chuàng)造出各種不同的智能產(chǎn)品，它既可按照設(shè)計要求進行程序設(shè)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(fù)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(tǒng)。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(chǎn)生的信號和自然抖動的信號對傳感器都會產(chǎn)生壓力，兩者壓力疊加會使得測量的數(shù)據(jù)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(zhì)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(nèi)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(zhuǎn)化為電信號輸入到控制器內(nèi)進行處理。使用該方案有很多優(yōu)點，最主要的優(yōu)點是它受到外界干擾較小，也是目前廣泛使用的方法。本設(shè)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?qū)獾耐高^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(shù)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(shù)據(jù)管腳。GSM無線報警模塊使用SIM800C芯片，實現(xiàn)無線短消息報警功能，其在掌上電腦和移動電話上執(zhí)行配套程序，以數(shù)字及直觀的圖形實時顯示生命體征，根據(jù)預(yù)定程序?qū)⒕o急情況下的生理數(shù)據(jù)即心率值通過短消息方式發(fā)送到指定聯(lián)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(shè)定閥值時給予使用者提示。

2.2電路原理圖設(shè)計

心率儀中單片機最小系統(tǒng)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(tǒng)供應(yīng)了工作頻率，二是復(fù)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?shù)絾纹瑱C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(qū)動能力，如圖4所示。心率儀設(shè)計了兩個報警系統(tǒng)，分別為GSM無線報警，利用SIM800C發(fā)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。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

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(shè)計，只有程序才能夠驅(qū)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(jù)本次設(shè)計的要求加入了中斷、蜂鳴器、液晶顯示、GSM無線傳輸?shù)茸映绦颉?/p>

3.1主程序介紹及其框圖結(jié)構(gòu)

主程序（main函數(shù)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(shù)開始運行，而各類子程序在main函數(shù)中得到調(diào)用。主程序里先進行的是數(shù)據(jù)初始化處理，將上一個運行的數(shù)據(jù)歸零讓程序回歸原始狀態(tài)，可以進行新一輪的心率測量，開始C52的又一輪工作。現(xiàn)今人們的生活節(jié)奏很快，雖然心率儀檢測的時間越久數(shù)據(jù)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(shè)計時設(shè)定了6s內(nèi)收集完數(shù)據(jù)，并完成心率的計算。在主程序前還需要有頭文件和定義各類變量、所需要調(diào)用的函數(shù)，程序才能夠正常運行。main函數(shù)內(nèi)進行內(nèi)數(shù)據(jù)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(shù)的調(diào)用，用來調(diào)用函數(shù)程序來實現(xiàn)心率儀的功能。

3.2中斷程序

中斷程序系統(tǒng)在單片機程序中占據(jù)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(shù)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(xiàn)對不同模塊的定時、計數(shù)，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(xiàn)。

4結(jié)束語

本文設(shè)計的無線可穿戴式心率儀，性價比高、結(jié)構(gòu)簡單，通過對心率的監(jiān)控，可以讓使用者制定合適自己的健身方案，還能預(yù)防心理疾病的發(fā)生。蜂鳴器報警系統(tǒng)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(tǒng)可及時告知使用者的監(jiān)護人，對突發(fā)心理疾病的預(yù)防和即時搶救有重大意義。

參考文獻：

[1]葛翠艷.物聯(lián)網(wǎng)中的無線ZigBee技術(shù)[J].電子世界，2019：133-134.

[2]韓鎰戎，李偉，丁祺，等.基于嵌入式的智能手環(huán)設(shè)計[J].科技經(jīng)濟導(dǎo)刊，2018，26（23）：14+16.

[3]王烈進，王游司，陳洪燕，等.基于51單片機的智能手環(huán)藍牙模塊設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2018，14（23）：260-261.

[4]孫超，王游司，盧宇，等.智能手環(huán)心率測量系統(tǒng)的設(shè)計[J].中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2018（08）：149-150.

作者：陸黎容 嚴小黑 單位：廣西民族師范學(xué)院