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玩转stm32,来完成一个Pulse Sensor-硬件进阶版
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玩转stm32,来完成一个Pulse Sensor-硬件进阶版
STM32
Sensor
嵌入式
李肖遥
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发布时间: 2020-07-31
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阅读: 2859
## 前言 心率信号携带有丰富的人体健康状况的信息,通过人体心率信号检测,能够更好的鉴定识别人体的生命现象。而心脏病、心血管疾病的发作又是难以预防的突发性疾病,严重威胁到人体的生命健康。所以在随着生物医学和现代科技技术的快速发展,方便人们测量心率,预防心脏病的心率检测仪就显得十分重要。 近来,心血管疾病的发病率逐年提高,患者的年龄却逐年降低,心血管疾病对人类身体健康产生的威胁也越来越大,人们希望通过采取一些积极的防治手段,使自己拥有健康,为了避免和甚至减少高血压、心脏病这类心血管疾病带来的影响,早期预防、早期诊断和早期治疗的方法和相关心率检测设备必定成为一个发展趋势。所以实时准确的心率测量在病人监控、临床治疗及体育竞赛等方面起着至关重要的作用。随着医疗设备的发展及人民生活水平的提高,心率计将朝着精度高、轻型化、一体化、可视化、可控化等适合在家庭和社区条件下使用的方向发展。有效并且及时的治疗这类心脏病状,能使人们的生活生活在更健康的环境下,有着积极的意义。 ## 系统的总体设计 本设计的系统模块可以分为电源模块、心率传感器模块、单片机处理电路模块、显示模块、报警提示模块。 本设计是基于单片机设计的心率检测仪,通过心率传感器采集到的模拟信号进行除噪、滤波等操作,然后计算就可以得出心率值,可以直观的显示出来,如若检测人员身体出现异常,则通过报警提示人体注意身体健康。本设计结构硬件框图如图 2-1所示。 ![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/202008/252e695554151a46aacad1a2d8ae3628.png) ### 电源模块的选择 想要得到好的心率波形和准确的心率值,干净的电源是必须的。实验室的可调直流稳压电源是专门实现稳定的直流电压输出的,但是携带不方便,不利于本次设计的调试;使用笔记本电脑的USB口供电,就需要断开交流输入,而且亲测后发现电源不稳定;而使用电池供电,可以输出稳定的直流电源,避免电源中的信号噪声干扰。因此,系统采用飞思卡尔的电池(7.2V)供电,经过稳压芯片可以输出稳定合适的电源。 ### 心率传感器的选择 传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将其按一定的规律变换成电信号和其他所需形式的信息输出从而满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。而心率传感器是将采集到的信息转换成模拟信号,传输到下位机中进行处理。传统的脉搏测量方法主要有三种:一是集成式传感器;二是从测量电压时压力传感器测到的波动来计算脉率;三是光电容积法。 #### 1、集成式传感器 当前市场上有很多类型的集成心电传感器,其灵敏度高,集成度高,直接就可以反映出心率的变化,而且包含了比较器等后期处理电路,波形经过放大可以直接形成类似方波的波形,可以直接采集计算。但是价格昂贵,考虑到成本问题,我们本次设计不使用这种传感器。 #### 2、压电式传感器 目前常用的是一次性心电电极,它是用印刷方法制得的Ag/Agcl传感器。为了减少由于人体运动和外界噪声产生的干扰,这种传感器采用了接和与敏感区分离的方式,其灵敏度高,实时性好,频带范围好,并且它的结构简单,便于使用。在测量时,手指接触部位有轻微的压力,通过这个血压给的这个压力,将采集到的微弱信号用传感器的ADC采集提取出来,转变为电信号,然后通过指脉的波形检测,进一步进行计算,就可以获得人体的心率信号。 由于直接与人体接触,压电式传感器容易因为与人体接触部位温度的变化而使得采集到的信号受到干扰。而肌肉的颤动不是人能主动控制的,影响较大,所以说这部分的误差很难控制。放大提取信号都是限制病人的活动,如果长时间使用会增加病人的生理和心里的不舒适感,并且使用压电式传感器检测心率还容易受到外界其他信号的干扰。 #### 3、光电容积式传感器 光电容积法的基本原理是利用人体组织在血管搏动时造成的透光率不同来进行脉搏测量的,其使用的传感器由光源和光电变感器两部分组成,通过绑带或者夹子固定在病人的手指或者耳垂上。光源一般采用对动脉血中氧和血红蛋白有选择性的一定波长(500nm~700nm) 的发光二极管。当光束透过人体外周血管,由于动脉搏动充血容积变化导致这光束的透光率发生变化,此时由广电变换器接收经人体组织反射的光线,转变为电信号并将其放大和输出,由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号,动脉血管容积也周期性变化,因此光电变化器的电信号变化周期就是脉搏率。 与传统的脉搏测量仪相比,光电容积式心率传感器具有以下特点: 1) 测量的探测部分不侵入机体,不造成机体创伤,通常在体外。 2) 传感器可重复使用且速度快,精度高。 3) 稳定性好、磨损小、寿命长、维修方便。 4) 由于结构简单,因此体积小、重量轻、性价比优越。 综上所述,我们选择第三种。光电容积式的传感器在临床医学应用中发展很快, 这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰, 具有很高的绝缘性, 且可非侵入地检测病人各种症状信息,具有结构简单、无损伤、精度高、可重复好等优点。而Pulse Sensor 心率传感器就是其中一种,所以我们选择这种传感器。整个心率传感器的结构如图 ![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/202008/8908b91768772459aa4520e306561ea0.png) ### 单片机的选择 本系统是基于ARM设计的,ARM公司在经典处理器ARM11之后的产品改用Cortex命名,并分为A、R和M三类,“A”系列是面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用;“R”系列是针对实时系统;“M”系列是针对微控制器。本设计用的什么技术、芯片不是主要的。重要的是能否满足要求,高性价比。Cortex-M3是完全基于硬件进行中断处理的,在实际应用过程中可减少70%的中断,所以具有更快的中断处理速度。Stm32f103zet6是基于ARMv7架构的Cortex-M3内核,其对比如下表所示。 ![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/202008/10b4e700ad9c158e488a55d1daf71023.png) ## Pulse Sensor 心率传感器 ### 传感器的结构 Pulse Sensor传感器是一款用于心率测量的光电反射式模拟传感器,其结构简单,只有一元硬币一样大小,中间是一个发射绿光的LED,从正面发射,反面是电路。 传感器的接口一共有三个,如图3-8长方形框中所示,标有“S”的为模拟信号输出端(最左端),标有“+”的为电源输入线,标有“-”的为地线。总结一下如下。 - S ------ 心率信号输出(接单片机AD接口) + ------ 5v(或3.3v)电源输入 - ------ GND地 ### 传感器的原理简介 由于心率的信号极弱,振动幅度非常有限,不易进行直接采集和获取,会给收集心率信号者带来不小的麻烦。在脉搏信号本身极弱的同时,它还很容易受到信号的干扰,对于每一个生物体来说,其各个部分的生理信号都是相互干扰相互影响的。 根据相关文献和实验结果表明,560nm波长左右的波可以反映皮肤浅部微动脉信息,适合用来提取脉搏信号。本传感器采用了峰值波长为515nm的绿光LED,型号为AM2520,而光接收采用APDS-9008,这是一款环境光传感器,感受峰值波长为565nm,两者的峰值波长相近,灵敏度较高。 此外,由于脉搏信号的频带一般在0.05~200Hz之间,信号幅度均很小,一般在毫伏级水平,容易受到各种信号干扰。在传感器后面使用了低通滤波器和由运放MCP6001构成的放大器,将信号放大了300倍,同时采用分压电阻设置直流偏置电压为电源电压的1/2,使放大后的信号可以很好的被单片机的AD采集到。 ## 系统各部分的最终方案 心率检测中最关键的技术是传感器的设计与传感器输出微弱模拟信号的提取问题, 本设计是以光电检测技术为基础,通过相关算法消除噪声等各种干扰的影响,由STM32的ADC和DMA实现心率信号采集,实现信号处理和心率次数的计算等功能。因此体积小,功耗低,系统稳定性高,可实现心率波的实时存储并可实现与上位机(安卓APP)的实时通讯, 因此可作为多参数病人中心监护系统的一个模块完成心率检测。
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