基于智能穿戴的心率测量系统设计

摘要：针对传统心率测量受专业知识和工作环境的限制，设计一种低功耗心率测量智能穿戴系统。该设计以STC15W401AS单片机为控制核心，采用NJL5303集成收发光电传感采样脉搏信号，经二阶带通滤波放大处理后由微控制器处理得到心率值，通过蓝牙无线通信将结果发送到手机端App软件显示。系统可开发为指套、手环、脚环和耳钉等产品，在不影响使用者日常活动的情况下，可以长时间对心率值进行实时测量，具有较高的实用性。

【关键词】智能穿戴 心率测量 光电传感器蓝牙通信 单片机

随着国民生活水平的不断提高，人们对健康的意识也不断加强。受专业知识、仪器设备和工作环境等条件的限制，在医院进行检测身体指标的传统方式已经远远不能满足日常生活自我保健的需求。为此提出一种基于智能穿戴的心率测量系统设计方案，以STC15W401AS单片机为控制核心，采用反射式光电传感器为脉搏信号采集方法，通过将传感单元佩戴于手指、耳垂等处，在不影响使用者日常活动的情况下，实时测量心率，并通过蓝牙通信与智能手机互联，将实时的数据结果显示在智能手机上。

1 心率检测方法

传统的心率测量方法有心电图信号法、压电法等，受使用条件的限制，这些方法一般只在医院临床方而应用。光电容积脉搏描记法（PPG）是一种新的测量方法，被广泛应用于智能穿戴设备上，传感部件由光电发射器、接收器组成。根据该传感部件与人体接触部位不同有透射式和反射式两种，其中透射式适合安放在人体组织比较薄的耳垂等位置，反射式则无此要求，使用更为灵活。反射式光电积脉搏法的工作原理是当脉搏随心脏的搏动而呈现周期性变化时，动脉血管的容积也随之呈现周期性的变化，利用人体组织在血管搏动时造成吸光率的不同进行心率测量。依据朗伯.比尔定律（Beer-Lambert），入射波长为X、光强为IO

藉此可知，当动脉血液容积变化时会导致接收光强成正比变化，从而将动脉容积变化率转化为电流强度变化率，对该变化电流信号拾取可实现心率信号的检测。

2 系统设计

若要在不影响使用者日常活动的情况下，能长时问实时测量心率，因此设计上要求结构巧、体积小、重量轻、携带方便，同时由于受使用环境的限制，应采用电池供电，故还要求系统耗电要低。考虑到使用人群的不确定性，操作上应简单明了，测试结果直观。系统设计框图如图1所示。系统通过反射式光电传感器感知人体脉搏信号的变化，并将其转换为电信号，经过后级电路滤波、放大后輸入单片机内部进行A/D转换。在单片机内部通过算法计算出人体实时心率、平均心率，并将结果通过蓝牙通信传输智能手机显示，实现人体脉搏心率实时监测。

3 硬件设计

3.1 光电传感器

使用反射式光电传感器采集人体的脉搏信号并转换成电信号。光电传感器分发射源、受光源两部分。研究表明500-700nm光源光波对动脉血中氧红蛋白有较好的选择性，560nm波长光波能反映皮肤浅部的微动脉信号，适合用于提取脉搏信号。选用JRC公司NJL5303收发一体反射式光电传感器，其发射光源波长570nm，体积尺寸仅为1.9×2.6×0.8mm。NJL5303发射管工作电压设定为2V，工作电流设定为8mA，具体光电检测电路如图2所示。

3.2 信号处理电路

光电传感器感知输出的脉搏电信号非常微弱，且容易受到干扰，因此需进行滤波和放大。图3为脉搏信号放大、滤波电路，主要以运算放大器为核心的2级结构完全相同的带通滤波、放大电路构成。选用型号为MCP602运算放大器，其为轨到轨输出的高精度运放，2.7-6V单电源供电，增益带宽为2.8MHz。经过C₁、R₁组成无源高通滤波器，滤除传感器输出信号V₀中的直流分量，UIA，R₂、C₂组成有源低通滤波器滤除V₀中包含50Hz在内的高频干扰并将其放大。该电路高通截止频率f_H、低通截止频率f_L、增益G分别为

UIB为核心组成第二级滤波放大电路，性能参数同UIA。两级放大电路总的增益可达到10201（≈80db）。光电传感器输出的毫伏以下的信号到图3电路后，经Ul放大可输出伏特级信号送后级电路处理。

3.3 USB充电电路

该设备采用锂电池供电，通过USB口进行充电，设计由MCP73831组成的USB充电电路如图4所示。MCP73831为单芯片锂、锂聚合物电池充电电路，SOT-23-5 5脚小尺寸封装可选，充电电压4.2～4.5V可选，充电电流通过外接电阻可在15mA-500mA编程设定。

3.4 主控电路

主控制电路控制器选用STC15W401AS新型8051内核单片机，该单片机为增强型8051内核单片机，可在2.5～5.5V宽电压范围工作，功耗低。单片机内置512个字节SRAM数据存储器，2KB个FLASH程序存储器，8通道lObit A/D转换器，使用串口IAP在线下载程序，SOP16脚封装，体积小巧。设计主控电路如图5所示，传感器感知脉搏信号Vsensor输入到单片机的Pl.0口，该口同时也是ADCO输入引脚。

本设备不带显示单元，测量结果通过蓝牙方式传输到智能手机，通过在智能手机上运行App显示测量结果。为实现与智能手机问的无线数据传输，主控电路设计蓝牙接口连接XM-15B蓝牙模块。该蓝牙模块支持蓝牙2.1协议，模块无需编程，控制器通过串口给模块发送Ar命令直接配置即可使用。

4 软件设计

4.1 心率测算方法

心率有瞬时值测量和平均值测量。类似信号频率测量法，通过在单位时问内统计输入脉搏信号的个数并通过公式计算后即可得到心率瞬时值I_HRendprint

I_HR= 60×T×N

（4）

式中T为单位时问1秒，N为单位时问统计的脉搏脉冲个数，单位为bpm（beat perminute）。此法受元件特性及外界干扰较大，可靠性差，统计测量时响应差，故测量精度度和鲁棒性较差。两相邻脉搏波（R波）之问的问隔时问为脉搏周期T_HR，若f₀为频率远大于I_HR的脉冲，并以T_HR为闸门时问对f进行计数，计数值为N，显然

依照（6）式编写I_HR测量程序，实现思路为启动单片机定时器定时（分辨率luS），V_sensor脉搏信号输入单片机内部比较器，当输入信号幅度超过比较器设置阀值后比较器状态产生翻转，将其整形为矩形波。比较器每次发生翻转触发中断，通过中断服务读取定时器计数值，并与上一次读取到的计数值相减后得到N，代入（6）式即可得到瞬时心率值I_HR，多次累加除权后可得到其平均值，程序流程图如图6所示。

5 结语

依据以上原理及电路设计实测模拟信号波形如图7所示。本系統可以实时测量人体心率，结果及时显示在智能手机上，数据信息读取方便。将系统应用于智能穿戴设备之上，可以制作成手环、脚环等产品，亦可以制成耳钉或植入耳塞，具有体积小、成本低、实用价值高等特点。

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