用于人体健康监测的检测系统设计与开发

董静涵

（中南大学机电学院 湖南省长沙市 410000）

当今社会老龄化愈发严重，中国60 岁以上的老年人所占全部人口比例逐年攀升。近年来如当今冠状病毒导致的流行性肺炎，使得集成化的人体健康监测系统成为了热点，同时，人们对于自己的健康状态也越来越关注，因此，对人体生物信息进行提取和远程监测，进行实时高效的健康数据采集将成为这个时代医疗相当具有发展潜力的方向。

一般而言，身体健康参数有心率、血压、血氧饱和度等，种种不同生理信号可以反映出身体某些不同方面的变化。通过本文设计的系统，人们可以对自己身体健康状况随时了解和掌握，如果出现异常，可以及时的与医生交流，以便于用户可以及时准确的评价自己的身体状况，避免不了解自己存在健康隐患而无法及时就医，使人们可以实现不在医院时也可以实时监控自己的身体健康，这对于长期患有疾病的人以及广大老年人具有十分重要的意义。本文的研究对智慧医疗的发展也具有很重要的理论研究价值和实际应用意义。

1 硬件系统设计

1.1 MAX30102心率血氧传感器

这一款传感器的原理是通过光电容积法进行脉搏信号的测量。传感器设有红光二极管和红外光二极管，在传感器另一侧安装有一个光电检测器，将检测到的透过手指或者耳垂的光转化为电信号。图1 为传感器内部的原理图。

1.2 STM32F103微系统设计

本文采用STM32F103c8t6 最小系统，它包括MCU、电源稳压电路、电源滤波电路、BOOT 选择、指示灯电路、程序烧录接口、晶振电路、复位电路、外接IO、电源输入电路。

1.3 电源模块

如图2所示，Swich 是电源开关，pow 是电源输入端，供电电压为DC 5v。

1.4 LCD显示模块

如图3 为本文采用的液晶屏。LCD 显示模块功耗低，而且内容显示比较方便，可以简单的显示文字内容，并且不需要外部驱动，是一种非常常用的显示屏。

1.5 蜂鸣器报警模块

单片机上电后引脚默认是低电平，当需要蜂鸣器进行报警的时候，需要给三极管施加一个高电平，这样就实现了蜂鸣器报警。如图4所示。

2 Altium Designer系统印刷电路板设计

2.1 Altium Designer印刷电路板设计

印刷电路板设计部分包括了两部分，第一部分是STM32F 103C8T6 最小系统的绘制，第二部分是在第一部分的基础上实现整体系统的绘制，来实现具体的功能，如心率血氧的检测、LCD 显示和蜂鸣器报警等。

图1：传感器电路原理图

图2：电源模块

图3：LCD1602

2.1.1 STM32F103C8T6 核心板

本文中的电路原理图是在Altium Designer 中所作，在AD 自带的库中没有的元件需要进行PCBLib 和SCHLib 的制作。

完成后的STM32F103C8T6 最小系统的2D 和3D 效果分别如图5 和图6所示。

2.1.2 整体系统印刷电路板

图4：蜂鸣器报警模块

图5：STM32F103C8T6 最小系统PCB 板2D 效果

图6：STM32F103C8T6 最小系统PCB 板3D 效果

图7：整体系统电路原理图

图8：整体系统电路PCB 图

设计完成STM32F103C8T6 最小系统后，需要将其连接上心率血氧传感器、LCD1602、蜂鸣器、电源模块等 ，形成最终的系统图。原理图如图7所示。

导入到PCB 布线后如图8所示。

2.2 Proteus仿真

在ALtium Designer 上设计完成原理图和PCB 之后，需要进行电路的仿真，但是由于在仿真软件上无法进行STM32 的仿真，而且也不具备仿真心率血氧传感器的能力，无法完全真实的模拟实际采集心率血氧的过程，只能在Proteus 上简单的用按键频率代替心率，用51 单片机进行仿真。

按照LCD1602 引脚定义连接好液晶屏后，导入编程好的并用Keil 生成的Hex 文件。闭合SW1 仿真运行成功截图如图9所示。

3 系统软件设计及实物测试

3.1 系统软件设计

系统软件设计包括主程序设计、LCD1602 液晶显示程序设计、按键程序设计、蜂鸣器报警程序设计、心率血氧程序设计。以主程序设计为例：

表1：静止/运动状态下心率血氧值

图9：Proteus 仿真运行

图10：主程序流程图

当给系统上电后，各个模块都会进行初始化，然后进入循环while，判断按键是否按下，设置的当前心律的上下限，当心率超过设置的上限蜂鸣器报警。主程序的流程图如图10所示。

3.2 实物测试

将各个元件焊接上后，把程序通过ST-link 的方式下载到单片机里，进行实物功能的测试。

实物组装部件包括：一个LED、三个按键、两个一千欧的电阻、一个十千欧的电阻、一个LCD1602 液晶屏、一个电源、一个开关、一个STM32 核心板、一个三极管、一个蜂鸣器和心率血氧传感器。

在静止状态下和运动状态下分别进行了五次测试，测试结果如表1所示。

从表中可以看出心率的变化比较大，血氧饱和度则比较稳定，均在95 至100 之间，心率变化较大可能是受光线影响，或者传感器本身灵敏度有限。静止状态下也一直维持在80 以上是由于个体差异，测试者的心率值一直比较高。

4 结论

本文主要是设计出了系统的印刷电路板，并且进行了简单的仿真，利用了单片机技术和集成好的心率血氧传感器模块设计出了基于STM32 单片机的检测心率血氧的系统，实现了对心率和血氧的实时检测，对本文系统的硬件和软件部分都进行了阐述。

本文所展示的系统有下面四个优点：

（1）采用的心率血氧检测方式是无创的方法，不会对人体造成创伤和疼痛。

（2）本文采用的元件价格低廉，制造成本低。

（3）本文系统比较稳定，尤其是血氧饱和度的值，可以满足日常生活中的应用。

（4）系统总体积相对较小，可以随身携带或放置在家中以便随时检测，在这个老龄化和繁忙的社会中未来有很大的应用空间和发展空间。