鐘偉雄

摘要：利用嵌入式芯片控制，結(jié)合Pulse Sensor紅外光電電路、MLX90615體溫檢測(cè)電路、MPS1100壓力傳導(dǎo)電路、SYN6288語(yǔ)音電路、8266無(wú)線電路設(shè)計(jì)一種心肺功能檢測(cè)儀。可以設(shè)定溫度報(bào)警的上下限，當(dāng)測(cè)量的范圍超過(guò)設(shè)定的范圍時(shí)驅(qū)動(dòng)報(bào)警提醒。心率測(cè)量也具備異常報(bào)警功能，所有數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)LCD12864和手機(jī)APP顯示。用戶可以通過(guò)手機(jī)APP實(shí)時(shí)查看自己的心肺功能數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：WIFI傳輸;心率傳感器;肺活量;體溫

中圖分類(lèi)號(hào)：TH778 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）09-0157-04

0 引言

在當(dāng)今快腳步的社會(huì)中，很多人迫于生活壓力一直在透支著自己的身體，便出現(xiàn)了所謂的亞健康人群。亞健康主要是包括了年紀(jì)大的人、長(zhǎng)期處于競(jìng)爭(zhēng)壓力大的人、生活飲食習(xí)慣不良的人等。在這些人群中，需求最為顯著的是白領(lǐng)人群、學(xué)生人群、老年人。根據(jù)自己的身體情況需要隨時(shí)監(jiān)測(cè)自己的心肺功能，定時(shí)定期的了解自己基礎(chǔ)健康狀況。運(yùn)動(dòng)者也可定期監(jiān)測(cè)自己的運(yùn)動(dòng)成果，心肺功能是否提升。藍(lán)牙傳輸環(huán)境下的心肺功能監(jiān)測(cè)裝置中的功能包含了脈搏監(jiān)測(cè)、體溫監(jiān)測(cè)、肺活量測(cè)試。通過(guò)傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)心率，監(jiān)測(cè)肺活量，可對(duì)人體心肺進(jìn)行監(jiān)督功能，可被用于保健中心和醫(yī)院還有個(gè)人隨身攜帶或者家中自測(cè)的小型儀器。為了配合人群的需求，除了提高對(duì)心率測(cè)試儀器的精確度和儀器的簡(jiǎn)便性，添加了肺活量功能用來(lái)提高裝置的全面性?，F(xiàn)就該心肺功能檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)做一下闡述。

1 心肺功能檢測(cè)儀的總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，采用STM32F103C8T6芯片、LCD12864模塊、Pulse Sensor心率傳感器模塊、GY-MLX90615V2溫度傳感器模塊、MPS1100壓力傳感器模塊、SYN6288語(yǔ)音模塊和ESP8266WIFI模塊設(shè)計(jì)心肺功能采集裝置。具有檢測(cè)環(huán)境溫度、心率、肺活量和體溫，相關(guān)數(shù)據(jù)可在LCD12864顯示，并且都可以把采集到的數(shù)據(jù)上傳給用戶端，用戶也可通過(guò)終端查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，若某一心率值或體溫值超過(guò)設(shè)定值均可觸發(fā)語(yǔ)音提示等功能。

2 心肺功能檢測(cè)儀主要硬件設(shè)計(jì)

由于復(fù)位電路和LCD12864電路屬于常見(jiàn)電路，本文不做描述，僅對(duì)心肺功能檢測(cè)儀主要部分關(guān)鍵硬件進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

2.1 主控芯片模塊

如圖2所示，本文控制芯片采用的是嵌入式單片機(jī)STM32，該控制芯片是一款基于ARM Cotex-M3內(nèi)核的帶128K字節(jié)閃存的32位微控制器，工作頻率為72MHz，擁有37個(gè)快速I(mǎi)/O端口、2個(gè)ADC、4個(gè)定時(shí)器、3個(gè)USART、3個(gè)SPI資源、2個(gè)I2C，其中正常I/O口的時(shí)鐘為APB2，每個(gè)定時(shí)器的時(shí)鐘為72M，內(nèi)部還帶有閃存存儲(chǔ)器，用于存放程序和數(shù)據(jù)。

2.2 心率放大電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，心率信號(hào)放大電路。由于心率傳感器所發(fā)出的信號(hào)很小，因此放大采集電路使用串聯(lián)兩個(gè)運(yùn)放的形式進(jìn)行[1]。第一級(jí)采用電壓跟隨器電路，用于增強(qiáng)輸出驅(qū)動(dòng)能。后面R9與C6構(gòu)成高頻濾波電路用于濾除一些比心跳頻率高的高頻信號(hào)。第二級(jí)采用電壓比較器電路，使心率的波形信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖。RP1、R7組成分壓比較電路，用于設(shè)置同相輸入端基準(zhǔn)電壓。當(dāng)心率信號(hào)比該基準(zhǔn)電壓大時(shí)運(yùn)放1腳輸出高電平，反之輸出低電平。我們把這組脈沖定為心率脈沖信號(hào)。

2.3 肺活量放大電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，對(duì)肺活量信號(hào)進(jìn)行采集的放大電路，因肺活量傳感器采集的信號(hào)較小（被測(cè)量者吹氣時(shí)，電壓變化大概為15mv左右），所以需要經(jīng)過(guò)放大器進(jìn)行信號(hào)放大，放大器由兩級(jí)同相比例運(yùn)算放大器構(gòu)成，同相比例運(yùn)放放大倍數(shù)公式為：vo=vi*（1+Rf/R1）。圖中C8、C7實(shí)現(xiàn)濾波功能，電路中如果存在高頻干擾信號(hào)，會(huì)被C7、C8短路掉。使之能夠正常放大傳感器信號(hào)。

2.4 紅外體溫檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

如圖5所示，一種基于MLX90615的體溫檢測(cè)電路，與傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)相比，它讀數(shù)更方便，并且測(cè)量時(shí)間短。工作電壓為3-5V，輸出的數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制，每幀里面包含9個(gè)字節(jié)，為十六進(jìn)制數(shù)值。所測(cè)得的數(shù)據(jù)以串行的方式發(fā)送到控制芯片的串口，方便單片機(jī)讀取。

2.5 WIFI電路設(shè)計(jì)

如圖6所示，WIFI無(wú)線通信采用ESP8266硬件模塊，所需要到的器件有：電阻、電容、電感、無(wú)源晶振和FLASH，當(dāng)WIFI模塊上電后，藍(lán)色燈會(huì)微弱閃爍后熄滅，表示模塊正常。

2.6 語(yǔ)音電路設(shè)計(jì)

如圖7所示，SYN6288語(yǔ)音電路支持GB2312、GBK、BIG5和UNICODE等內(nèi)碼格式的文本，能智能識(shí)別文本、數(shù)值、字符串、電話號(hào)碼、時(shí)間日期以及常用的度量衡符號(hào)，在檢測(cè)到芯片空閑時(shí)不要馬上就發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，應(yīng)延時(shí)1ms左右再發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。

3 心肺功能檢測(cè)儀的軟件程序設(shè)計(jì)

為方便理解，本文對(duì)心肺功能檢測(cè)儀各部分關(guān)鍵軟件程序進(jìn)行分析。

3.1 心肺功能檢測(cè)儀程序流程設(shè)計(jì)

如圖8所示，設(shè)計(jì)初始函數(shù)，對(duì)各個(gè)子程序進(jìn)行初始化，接下來(lái)對(duì)取得的手機(jī)鍵值進(jìn)行判斷[2]。當(dāng)手機(jī)鍵值等于0時(shí)，選擇的是溫度功能，在溫度功能上，可在手機(jī)軟件界面中設(shè)置溫度的上下限值，超過(guò)限值就啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。如果鍵值等于1，就是心率功能調(diào)用心率函數(shù)顯示“請(qǐng)將手指靠近”。監(jiān)測(cè)當(dāng)前的心率的數(shù)值會(huì)顯示“測(cè)量中”，對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷大于90顯示“偏高”，小于90且大于60為“沒(méi)毛病”，小于60顯示“偏低”并將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)上。如果鍵值等于2時(shí)，實(shí)現(xiàn)肺活量功能調(diào)用肺活量函數(shù)。根據(jù)壓力傳感器得到的壓力值在消除干擾值的情況下，利用公式，式中，其中q表示的是流量的體積，p是氣體的密度會(huì)隨著壓力和溫度等外界因素發(fā)生改變，：測(cè)氣壓之間的差的裝置兩頭的值，將K視為一個(gè)常數(shù)。運(yùn)用此公式就可以得到空氣瞬時(shí)流量，然后再對(duì)空氣瞬時(shí)流量按時(shí)間進(jìn)行積分便可以得到肺活量值。積分公式為：，V：累計(jì)空氣體積（肺活量），q：瞬時(shí)流量。將得到的肺活量值傳送到手機(jī)APP上。

3.2 數(shù)據(jù)中心模塊程序流程設(shè)計(jì)

如圖9所示，本文設(shè)計(jì)的WIFI模塊是采用TCP協(xié)議STA模式，所以在手機(jī)APP中采用TCP服務(wù)端，進(jìn)行相應(yīng)的配置后就可以開(kāi)啟接收數(shù)據(jù)的功能。通過(guò)WIFI把采集到的心率值、溫度值、肺活量值等數(shù)據(jù)發(fā)送給這個(gè)手機(jī)APP，數(shù)據(jù)每4秒更新一次。

3.3 主要程序代碼分析

3.3.1 無(wú)線配置函數(shù)

4 心肺功能檢測(cè)儀成品

心肺功能檢測(cè)儀的最終成品如圖10所示，經(jīng)過(guò)測(cè)試，設(shè)計(jì)出來(lái)的心肺功能檢測(cè)儀可以實(shí)現(xiàn)心率采集、體溫測(cè)量和肺活量測(cè)量等功能[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)今社會(huì)，科技與生活的聯(lián)系非常緊密。在快節(jié)奏的生活的同時(shí)，健康問(wèn)題日益凸顯。本文設(shè)計(jì)的這款可用來(lái)檢測(cè)自身心率、肺活量等值的設(shè)備，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行心率肺活量檢測(cè)，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在改良方面，如果要考慮產(chǎn)品化，可以在PCB上下功夫，將所有的芯片集成在同一個(gè)PCB上，采用回流焊技術(shù)進(jìn)行各類(lèi)元件貼片焊接。再加上一個(gè)保護(hù)性外殼，可以實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室樣品設(shè)計(jì)到產(chǎn)品的過(guò)渡。

參考文獻(xiàn)

[1] 姜元恩，邢武.基于脈搏波速度測(cè)量動(dòng)脈硬化檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2007（5）：6-7+28.

[2] 陳偉，吳健，胡正國(guó).分布式監(jiān)控組態(tài)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸模型[J].計(jì)算機(jī)工程，2006（22）：272-273.

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