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一种学生体测用脉搏监测器设计

时间:2016-11-28来源: 作者: 点击: 58次

黄亨绩 仇芝 刘芙伶   薛文明    潘婷    罗宾

(西南石油大学机电工程学院成都市610500)

摘要  脉搏是反映人体健康状况的重要参数,但国内外目前并无针对大量学生体测所用监测器针对体测学生的脉搏实时监测问题,本设计采用了红外传感器检测方法,利用AT89C52单片机、nRF2401无线通信模块等设计了一种应用于体测学生的脉搏检测器。该检测器可存储体测中学生的脉搏变化数值,并实时监测体测学生的脉搏,在脉搏异常时提示报警,并激活无线模块将异常学生信息发送至上位机。

关键词:体测;脉搏监测;RFID通信;单片机

A monitor for students of the cervix

AbstractPulse is an important parameter reflecting human body health.Especially for the real-time monitoring of the pulse when students are in the cervix, this design uses the infrared sensor to measure, use the single chip microcomputer AT89C52 and nRF2401 wireless communication module to design a kind of pulse detector applied to the cervix students. This detector can store the change for the students’ cervix pulse and monitor the pulse of the cervix students at real-time.In addition, it canraise the alarm when pulse is abnormal, activating the wireless module to send abnormal information to upper computer at the same time.

KeywordsCervix; Pulse monitoring; RFID communication; Single chip microcomputer

0 引言

人体脉搏是指体表可触摸到的动脉搏动,它反映出心脏、血管系统的功能和血液代谢功能,是人体健康状况的重要参数。正常情况下,人体的脉搏和心率次数一致,为一分钟60-100次;如有病变(如心率不齐等),脉搏和心率次数可能不一致。在体测中,运动学生的脉搏反映了运动心率,即人体在运动时保持的心率状态,一般为130-150次/分。总的来说,运动状态下的脉搏信号具有信号弱(毫伏级)、噪声干扰强(工频干扰、外界环境干扰和运动干扰),频率低(0.4-40Hz)等特点[1]

目前,国内外设计的大多数脉搏检测器,利用红外或压电传感器,安装于人体指尖、耳垂或手腕,检测人体在安静或运动时的脉搏[2]-[4]。本文针对体测学生的脉搏实时监测问题,提出一种采用红外透射传感器检测方法的学生体测用的脉搏实时监测器。

1红外脉搏检测方法

红外脉搏检测方法分为透射法和反射法两种,依据的原理是朗伯-比尔 (Lamber Beer) 定律[5]。人体动脉血管中的血红细胞富含二价铁离子呈现红色,恰好能够吸收红光,利用心脏的节律性收缩和舒张带来的脉搏周期性波动,使得血红细胞在检测点的含量也会出现节律性的增加和减少,从而对红光的吸收能力也会出现节律性的增强和减弱[6]。在人体指尖或耳垂组织中,动脉成分含量高,且相对其他人体组织而言比较薄,因此便于利用红外透射或反射法获取人体脉搏,图1、图2即为手指的红外透射和反射检测脉搏原理。

 

图1 红外透射脉搏检测法图2 红外反射脉搏检测法

图1所示的红外透射法利用透射光随着动脉血液浓度的周期脉动而检测脉搏,图2所示的反射法利用血液浓度的周期脉动将会对光的反射率也造成生相应变化,从而测量出脉搏数。红外反射脉搏检测法测量受外部干扰小,但输出电压信号非常微弱,对信号处理要求较高,因此,本设计采用红外脉搏检测法均指透射检测法。

2脉搏监测器的组成

脉搏检测器采用模块化设计理念,包括红外脉搏传感器、单片机、RFID无线通信模块、电源模块四个部分组成,其组成框图如图3所示。

图3  脉搏监测器的组成框图

图3中,红外脉搏传感器部分是监测器的关键部分,主要用于检测脉搏,检测电路的设计将直接影响到检测结果的稳定性和测量准确度;RFID模块主要用于与上位机的通信,通过RFID无线通信技术,当体测学生脉搏正常,则保存数据以便体测后上传,若体测中学生脉搏出现异常则立即提示佩带者,并同时激发RFID无线通信模块,将异常学生信息发送至上位机。电源部分为系统的各个模块提供适当的电压,保证各个模块的正常工作;单片机是系统的核心,协调控制各个模块完成系统的功能。

3硬件电路设计

3.1红外脉搏传感器电路

红外脉搏传感器电路由检测电路、放大电路、滤波电路、整形电路四个部分组成,如图4所示,其中检测电路由红外发光二极管(发射管)和光敏二极管(接收管)构成,用于检测脉搏信号。该脉搏信号峰峰值约为5-20Mv,容易受到运动和环境的高频干扰,并且包含一定的直流分量。

 4 红外脉搏传感器电路图

为了滤除高频分量,消除直流分量的影响,利用33uF的电解电容与20KΩ的电阻构成第一次滤波电路,该滤波电路可以消除直流的影响,频谱效果如图5(a)所示,然后利用

 

(a)一阶高通滤波频谱图                   b)二阶低通滤波频谱图

5  频谱分析图

放大电路放大检测到的脉搏交流信号,经过二级RC滤波电路,滤掉高频交流干扰,频谱图如图5(b)所示。最后经过放大和滤波的信号经过整形电路得到脉搏的方波信号,如图5所示。实验表明,当传感器部分固定好之后,运动中的干扰也被大大削弱,能够实现体测学生的脉搏检测。

 

(a) 滤除直流后的脉搏信号(b)放大整形之后的脉搏信号

6脉搏信号处理图

3.2单片机及外围电路

单片机AT89C52是整个脉搏检测器的核心部件,除了对脉搏传感器输出信号进行计算和处理之外,还担负着存储信息,异常时激活RFID无线通信模块的任务。因此,单片机及外围电路设计为上电复位,单片机及外围电路如图7所示,P0.1为脉搏信号输入口,P1口设计为与RFID模块通信口,P3.6为体测结束上传数据选择按钮,P3.7口连接LED为系统工作状态显示,其中右上角红框部分为调试时安装的LCD,可以省略。

7  单片机及无线通信电路

3.3 RFID无线通信模块

名称

引脚功能

描述

GND

接地

0V

VCC

电源

+3V

CE

数字输入

RX或TX模式选择

CSN

数字输入

SPI片选信号

SCK

数字输入

SPI时钟

MOSI

数字输入

SPI数据输入脚

MISO

数字输出

SPI数据输出脚

IRQ

数字输出

可屏蔽中断脚

RFID无线通信模块选用了nRF24L01模块,模块工作于

2.4 GHz~2.5 GHz 频段,功耗低,并由多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)。nRF24L01模块各引脚的功能如表1。

nRF24L01模块和单片机连接采用SPI接口,由于选用的单片机没有硬件的SPI接口,因此利用单片机P1口模拟SPI,如图7所示。

1 RFID引脚功能

3.4电源模块

由于整个硬件电路均选用低功耗器件,经过计算,电源模块选用并联两个3V纽扣锂电池供电完全可以满足系统供电要求。

4软件设计

体测学生脉搏监测器软件主要完成两大任务,即脉搏信号检测存储和数据发送。脉搏信号检测两次脉搏脉冲的间隔并计算得到每分钟脉搏数,检测到的数据每隔250ms存储一次;AT89C52单片机的ROM是8k(8192个字节),假设体侧时间为5min,则需要存储1200个数据,由于心跳不会超过255(一个字节),故需要1200个字节,数据存储满足要求;数据发送有两种发送模式,一种是发送体测中的异常学生编号,一种是发送体测结束后的存储数据。软件采用C 语言编写,主程序流程如图8 所示。

5 结论

设计利用红外发光二极管、AT89C52单片机、nRF2401无线通信模块完成了学生体测用脉搏监测器。监测器结构合理,成本低廉,能够可靠的检测并存储体测中学生的脉搏变化数值,并实时监测体测学生的脉搏,在脉搏异常时提示报警,并激活无线模块将异常学生信息发送至上位机,满足了大规模体测学生的脉搏监测要求。

参考文献

[1]王家庆.脉搏信号处理方法研究与脉搏测量系统设计[D].北京工业大学硕士论文.2006.4

[2]鲍勇,赵培军,金宗强等.阳光体育运动学生心率负荷实时监测系统的设计[J].山东农业大学学报(自然科学版),2014,45(2):306-309

[3]李宏恩,周晋阳.基于AT89C51单片机的脉搏测量仪设计[J].山西电子技术.2015.2: 3-5

[4]秦勇.无线传感器网络下的体育运动训练系统设计[J].自动化与仪器仪表.2016.5:122-124

[5]张珣,周杰.光电脉搏传感器的设计与改进[J].中国医疗器械杂志.2009.33(5):344-346

[6]孙松松.心电脉搏信号相关性及其信息融合[D].兰州理工大学硕士论文.2012.4                                                         8 主程序流程图

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