一种带WIFI传输的心肺功能检测仪

钟伟雄

摘要：利用嵌入式芯片控制，结合Pulse Sensor红外光电电路、MLX90615体温检测电路、MPS1100压力传导电路、SYN6288语音电路、8266无线电路设计一种心肺功能检测仪。可以设定温度报警的上下限，当测量的范围超过设定的范围时驱动报警提醒。心率测量也具备异常报警功能，所有数据结果通过LCD12864和手机APP显示。用户可以通过手机APP实时查看自己的心肺功能数据。

关键词：WIFI传输;心率传感器;肺活量;体温

中图分类号：TH778 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）09-0157-04

0 引言

在当今快脚步的社会中，很多人迫于生活压力一直在透支着自己的身体，便出现了所谓的亚健康人群。亚健康主要是包括了年纪大的人、长期处于竞争压力大的人、生活饮食习惯不良的人等。在这些人群中，需求最为显著的是白领人群、学生人群、老年人。根据自己的身体情况需要随时监测自己的心肺功能，定时定期的了解自己基础健康状况。运动者也可定期监测自己的运动成果，心肺功能是否提升。蓝牙传输环境下的心肺功能监测装置中的功能包含了脉搏监测、体温监测、肺活量测试。通过传感器来监测心率，监测肺活量，可对人体心肺进行监督功能，可被用于保健中心和医院还有个人随身携带或者家中自测的小型仪器。为了配合人群的需求，除了提高对心率测试仪器的精确度和仪器的简便性，添加了肺活量功能用来提高装置的全面性。现就该心肺功能检测仪的设计做一下阐述。

1 心肺功能检测仪的总体设计

如图1所示，采用STM32F103C8T6芯片、LCD12864模块、Pulse Sensor心率传感器模块、GY-MLX90615V2温度传感器模块、MPS1100压力传感器模块、SYN6288语音模块和ESP8266WIFI模块设计心肺功能采集装置。具有检测环境温度、心率、肺活量和体温，相关数据可在LCD12864显示，并且都可以把采集到的数据上传给用户端，用户也可通过终端查询相关数据，若某一心率值或体温值超过设定值均可触发语音提示等功能。

2 心肺功能检测仪主要硬件设计

由于复位电路和LCD12864电路属于常见电路，本文不做描述，仅对心肺功能检测仪主要部分关键硬件进行简要分析。

2.1 主控芯片模块

如图2所示，本文控制芯片采用的是嵌入式单片机STM32，该控制芯片是一款基于ARM Cotex-M3内核的带128K字节闪存的32位微控制器，工作频率为72MHz，拥有37个快速I/O端口、2个ADC、4个定时器、3个USART、3个SPI资源、2个I2C，其中正常I/O口的时钟为APB2，每个定时器的时钟为72M，内部还带有闪存存储器，用于存放程序和数据。

2.2 心率放大电路设计

如图3所示，心率信号放大电路。由于心率传感器所发出的信号很小，因此放大采集电路使用串联两个运放的形式进行[1]。第一级采用电压跟随器电路，用于增强输出驱动能。后面R9与C6构成高频滤波电路用于滤除一些比心跳频率高的高频信号。第二级采用电压比较器电路，使心率的波形信号转化为数字脉冲。RP1、R7组成分压比较电路，用于设置同相输入端基准电压。当心率信号比该基准电压大时运放1脚输出高电平，反之输出低电平。我们把这组脉冲定为心率脉冲信号。

2.3 肺活量放大电路设计

如图4所示，对肺活量信号进行采集的放大电路，因肺活量传感器采集的信号较小（被测量者吹气时，电压变化大概为15mv左右），所以需要经过放大器进行信号放大，放大器由两级同相比例运算放大器构成，同相比例运放放大倍数公式为：vo=vi*（1+Rf/R1）。图中C8、C7实现滤波功能，电路中如果存在高频干扰信号，会被C7、C8短路掉。使之能够正常放大传感器信号。

2.4 红外体温检测电路设计

如图5所示，一种基于MLX90615的体温检测电路，与传统的水银温度计相比，它读数更方便，并且测量时间短。工作电压为3-5V，输出的数据为十六进制，每帧里面包含9个字节，为十六进制数值。所测得的数据以串行的方式发送到控制芯片的串口，方便单片机读取。

2.5 WIFI电路设计

如图6所示，WIFI无线通信采用ESP8266硬件模块，所需要到的器件有：电阻、电容、电感、无源晶振和FLASH，当WIFI模块上电后，蓝色灯会微弱闪烁后熄灭，表示模块正常。

2.6 语音电路设计

如图7所示，SYN6288语音电路支持GB2312、GBK、BIG5和UNICODE等内码格式的文本，能智能识别文本、数值、字符串、电话号码、时间日期以及常用的度量衡符号，在检测到芯片空闲时不要马上就发送下一帧数据，应延时1ms左右再发送下一帧数据。

3 心肺功能检测仪的软件程序设计

为方便理解，本文对心肺功能检测仪各部分关键软件程序进行分析。

3.1 心肺功能检测仪程序流程设计

如图8所示，设计初始函数，对各个子程序进行初始化，接下来对取得的手机键值进行判断[2]。当手机键值等于0时，选择的是温度功能，在温度功能上，可在手机软件界面中设置温度的上下限值，超过限值就启动蜂鸣器报警。如果键值等于1，就是心率功能调用心率函数显示“请将手指靠近”。监测当前的心率的数值会显示“测量中”，对这个数据进行判断大于90显示“偏高”，小于90且大于60为“没毛病”，小于60显示“偏低”并将数据发送到手机上。如果键值等于2时，实现肺活量功能调用肺活量函数。根据压力传感器得到的压力值在消除干扰值的情况下，利用公式，式中，其中q表示的是流量的体积，p是气体的密度会随着压力和温度等外界因素发生改变，：测气压之间的差的装置两头的值，将K视为一个常数。运用此公式就可以得到空气瞬时流量，然后再对空气瞬时流量按时间进行积分便可以得到肺活量值。积分公式为：，V：累计空气体积（肺活量），q：瞬时流量。将得到的肺活量值传送到手机APP上。

3.2 数据中心模块程序流程设计

如图9所示，本文设计的WIFI模块是采用TCP协议STA模式，所以在手机APP中采用TCP服务端，进行相应的配置后就可以开启接收数据的功能。通過WIFI把采集到的心率值、温度值、肺活量值等数据发送给这个手机APP，数据每4秒更新一次。

3.3 主要程序代码分析

3.3.1 无线配置函数

4 心肺功能检测仪成品

心肺功能检测仪的最终成品如图10所示，经过测试，设计出来的心肺功能检测仪可以实现心率采集、体温测量和肺活量测量等功能[4]。

5 结语

现今社会，科技与生活的联系非常紧密。在快节奏的生活的同时，健康问题日益凸显。本文设计的这款可用来检测自身心率、肺活量等值的设备，可以随时随地进行心率肺活量检测，并且结构简单。在改良方面，如果要考虑产品化，可以在PCB上下功夫，将所有的芯片集成在同一个PCB上，采用回流焊技术进行各类元件贴片焊接。再加上一个保护性外壳，可以实现从实验室样品设计到产品的过渡。

参考文献

[1] 姜元恩，邢武.基于脉搏波速度测量动脉硬化检测系统的设计与实现[J].自动化与仪器仪表，2007（5）：6-7+28.

[2] 陈伟，吴健，胡正国.分布式监控组态系统实时数据传输模型[J].计算机工程，2006（22）：272-273.

[3] 王东云.便携式自动心率检测仪的设计[J].郑州纺织工学院学报，1996（1）：52-55.

[4] 支长议，程志平，焦留成.语言智能电子体温计设计[J].微计算机信息，2007（7）：153-155.