家用心率监护与预警装置设计

闭琼元 陈剑雪 张琳珊 焦世恒 宗玛帝 袁荣浩

摘要：本次主要介绍以aduino Mega 2560芯片为核心，配合外围电路，利用MAX30100传感器来进行心率监测及预警的实际设计过程。同时MAX30100芯片传感器属于I2C接口器件，故在程序开发中，采用I2C接口协议进行。

关键词：Mega 2560；MAX30100；传感器；FIFO寄存器；I2C

一、引言

心脏是人体发动机，对人体健康至关重要。如何早期觉察“发动机”出了故障，及时检修，保证其正常运转，已经成为一项不可忽略的保健措施。心脏病发病时常具有突发性和一过性的特点，如果发现不及时将会危及生命。而心率反映着心脏功能，所以可以通过监测心率来反映心脏功能。此次项目设计的“家用心率监护与预警装置”可以检测心率是否在正常范围、以及监测心率异常增高、心脏停搏等。利用血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中穿透性要比在血液中大几十倍的特点，可通过光电容积法制成的脉搏传感器，通过对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号。光电式脉搏传感器具有结构简单、无损伤、可重复好等优点。根据光电容积法原理，从改善光源、消除景光噪声、电磁屏蔽和提高信噪比四个方面出发，研究改进方法，对提高使用的灵活性和准确度有着重大意义。通过光电传感器对脉搏信号进行检测，并用单片机技术进行数据处理，实现智能化的脉搏测试技术。人正常心率范围在60到100次，当心率低于60或者高于100时心率可能存在异常，当心率可能发生异常时，我们所设计的家用心率监护与预警装置可以起到及时报警的作用。

二、設计方案

1、装置组成及工作原理：

此设计以单片机aduino Mega 2560为核心，由心率传感器MAX300100采集脉搏信号。当一定波长的光束照射到指端皮肤时，光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器，在此过程中，LED光射向皮肤，透过皮肤组织反射回的光被光敏传感器接受并转换为电信号再经过AD转换成数字信号，简化过程：光--->电--->数字信号。由于动脉对光的吸收有变化而其他组织对光的吸收基本不变，得到的信号就可以分为直流DC信号和交流AC信号。提取其中的AC信号，就反映出血液流动的特点。而MAX30100芯片有两个LED灯，内部集成ADC数据转换，经过优化的光学器件和低噪声模拟信号处理器，检测脉搏血氧及心率信号。采集到的信号为脉冲信号，以该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行脉冲周期的计算，然后得到每分钟的心率，若测量数据超过正常范围（小于60次或大于100次），报警器就会报警。

2、各电路模块：

三、软硬件设计

软件介绍：Arduino集成开发环境（或是Arduino IDE）包含了一个用于写代码的文本编辑器、一个消息区、一个文本控制台以及一个带有常用功能按钮和文本菜单的工具栏。软件连接Arduino和Genuino之后，能给所连接的控制板上传程序，还能与控制板相互通信。

主控制器模块：主控制器使用Aduino Mega2560单片机。Arduino Mega2560是采用USB接口的核心电路板，具有54路数字输入输出，适合需要大量IO接口的设计。处理器核心是ATmega2560，它的接口齐全，一个就能满足多种需要，这给我们省去了很多不必要的麻烦。Arduino Mega2560可以通过3种方式供电，而且能自动选择供电方式：外部直流电源通过电源插座供电、电池连接电源连接器的GND和VIN引脚、USB接口直接供电。这里我们使用连接3.3V的GND和VIN引脚。

传感器模块：这里我们使用MAX30100心率传感器，集成有两个LED灯，一个光检测器，优化光学和低噪声的仿真信号处理，以检测脉搏血氧饱和度和心脏速率信号。只要将手指头紧贴在传感器上，就能估计脉搏血氧饱和浓度及脉搏（相当于心跳）。两个LED发出波长的光，即红色和红外。发射的光线可透过人体内的单组织点。先由响应红色和红外光线的单个光电二极管接收光线，然后由互阻放大器产生正比于接收光强的电压。红色和红外LED通常采用时间复用的方式，因此相互间不会干扰。环境光线经估计将从每个红色和红外光线中扣除。测量点包括手指、脚趾和耳垂。因为指端皮肤最薄，所以我们的实际操作在指端进行。由于MAX30100芯片的硬件设计，基本存在对时钟延时的需要，当延时积累超出一定范围时，对时钟中断的设计要求则不得不通过补偿方式???，不断调试修正。

报警模块：报警器为蜂鸣器，由单片机控制当所测心率低于60或大于100时，则蜂鸣器报警。

显示模块：采用RS485串口表LED数码管显示屏232/TTL显示模块。单片机Mega2560可以通过RS485总线、RS232或者TTL接口发送指令控制显示屏的显示内容。显示屏上面的数据来自于MAX30100的两个LED灯。显示器支持常用的ASCII协议。可显示整数小数、负号、小数点等ASCII字符，是市面上支持ASCII字符最全面的一款数码显示器。

四、难点突破

MAX30100心率传感器的通讯是I2C的通讯，在通讯过程中要注意一个点，就是在进行读操作时，读出一个寄存值后给予ACK，读寄存器的指针会自动加一，但有一个例外就是FIFO寄存器（0X50）。SCL、SDL都要4.7K上拉电阻，要外接一个，而且电压不宜过大，以免烧坏芯片！用3.3V电压是比较合适的。两个LED的电流不要设成最大的值，否则读出来的值都是0xffff。在数据处理方面，Aduino代码烧录完成后，模拟出来的数据不是0就是255，??我们使用一个示波器，检查时序有没有错误，以及观察器件通信时器件有无反应，一步步发现并解决问题，而不是单纯靠瞎猜。在实际操作中发现，使用IR（红外）读出的心跳值会比较大，所以使用IR的数据作为测心率的标准。在程序基本完成时，因为要在实际环境中完成心率数据的采集及处理，所以在硬件的调试中，一定要根据实际测的数据，计算测量误差，然后不断调节程序，以使测出的心率与实际心率贴合。

五、收获体会

参加本次项目实践是一次收获很大的经历。经过小组成员的团结协作，我们终于完成了项目要求。人们都说大学是培养解决问题能力的阶段，在实践之中我们培养了个人独立思考能力。在项目实施过程中发现问题、提出问题并解决问题。最重要的是我们增强了团队协作意识，做完这个项目之后，我们的眼界更开阔了，本次项目成为我们人生中的一笔财富。

参考文献：

[1]孙骏荣、吴明展、卢聪勇.Arduino一试就上手[M].台北：科学出版社，2012：7-25

[2]Dale Wheat.Arduino技术内幕[M].北京：人民邮电出版社，2013：57-59

作者简介：闭琼元，男，上海工程技术大学电子电气工程学院自动化系学生。