可穿戴生理參數(shù)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

作者 楊風(fēng)健 齊秋菊 郭紅壯 趙曉磊 霍旭陽(yáng) 吉林醫(yī)藥學(xué)院 (吉林 吉林 132013)

楊風(fēng)健(1987-)，男，碩士，研究方向：電路與系統(tǒng)專業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程。

摘要：本文介紹了一種可穿戴、多參數(shù)的生理參數(shù)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)，生理參數(shù)測(cè)量?jī)x以單片機(jī)STM32F103CBT6作為控制核心，具有體溫測(cè)量、心率測(cè)量、血氧測(cè)量、血糖測(cè)量等功能，并具有可充電、可穿戴的特性，體積小、功耗低，可以套在指尖使用。本文詳細(xì)論述了該系統(tǒng)各個(gè)部分的實(shí)現(xiàn)方法及工作原理，并給出相關(guān)電路原理圖及程序流程圖。

引言

　　隨著人們生活水平的提高，健康、便攜、智能的生活理念已深入人心，對(duì)于可穿戴、人性化的健康產(chǎn)品，受到了人們廣泛的關(guān)注^[1]。生活中，人們希望對(duì)某些生理參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，一般包括：血氧飽和度、心率、體溫、血糖等^[2]，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自己的健康狀況。例如運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)量血氧、血糖和心率有助于掌握運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，不至于對(duì)身體造成運(yùn)動(dòng)損傷，糖尿病患者可以利用本測(cè)量?jī)x測(cè)量血糖狀況。而目前市場(chǎng)上的可穿戴生理參數(shù)測(cè)量類產(chǎn)品功能單一、價(jià)格昂貴，一般只能進(jìn)行1~2個(gè)參數(shù)的測(cè)量，無(wú)法進(jìn)行多個(gè)生理參數(shù)的測(cè)量。為此，本文選用STM32F103CBT6單片機(jī)作為主控制器，輔以體溫測(cè)量、心率測(cè)量、血氧測(cè)量、血糖測(cè)量等功能，設(shè)計(jì)了一款具有可穿戴、多參數(shù)、人性化程度高等特點(diǎn)的生理參數(shù)測(cè)量?jī)x。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 生理參數(shù)測(cè)量?jī)x的工作原理

　　生理參數(shù)測(cè)量?jī)x的硬件系統(tǒng)主要由主控制器單元、血糖檢測(cè)單元、體溫檢測(cè)單元、血氧/心率檢測(cè)單元、按鍵單元、OLED顯示單元組成。硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　按鍵單元與OLED顯示單元提供人機(jī)交互的接口，通過(guò)按鍵操作可以啟動(dòng)血糖測(cè)量。采用64×48點(diǎn)陣OLED顯示屏作為顯示單元，其優(yōu)點(diǎn)在于功耗較低，并且體積小，并且采用I2C總線通信方式，占用單片機(jī)總線少，適合在可穿戴設(shè)備上使用。

　　采用ST公司的STM32F103CBT6單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，這是一款32位單片機(jī)，內(nèi)部資源豐富，滿足本系統(tǒng)的使用需求，采用48管腳SOP封裝，體積相對(duì)較小。

1.2 血氧、心率檢測(cè)單元

　　血氧及心率檢測(cè)采用MAXIM公司集成芯片MAX30102，這是一款集成的血氧和心率檢測(cè)模塊，包括內(nèi)部的紅外LED、紅光LED、光電探測(cè)器和帶有環(huán)境光抑制的低噪聲電子元件，提供了一個(gè)完整的系統(tǒng)解決方案，使得血氧和心率檢測(cè)功能易于在可穿戴設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。

　　電路如圖2所示，其工作需要3.3V電壓源和1.8V電壓源，1.8V電源用于提供芯片工作電壓，3.3V電壓源用于給其內(nèi)部的LED供電，電路中通過(guò)SPX1117-1.8V LDO線性穩(wěn)壓器獲得1.8V電壓，芯片管腳SCL、SDA為數(shù)據(jù)通信管腳，需要同MCU連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，INT為中斷管腳，當(dāng)芯片內(nèi)部有中斷產(chǎn)生時(shí)，會(huì)輸出低電平，單片機(jī)可通過(guò)此管腳來(lái)判斷是否有數(shù)據(jù)需要處理，INT管腳需要通過(guò)上拉電阻拉至高電平，推薦使用大于4.7kΩ的電阻。

　　MAX30102具有不同的工作模式，可工作在血氧模式和心率模式下，同時(shí)內(nèi)部帶有FIFO，最多可以存儲(chǔ)32個(gè)采樣數(shù)據(jù)，所以處理器不需要在每次采樣后都讀取芯片數(shù)據(jù)，而是當(dāng)FIFO滿的時(shí)候再進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。

1.3 血糖檢測(cè)單元

　　血糖的有創(chuàng)檢測(cè)是直接從人體中抽取血液標(biāo)本進(jìn)行檢測(cè)，目前，較經(jīng)典的方法有光學(xué)法和酶電極法[3-4]，本測(cè)量?jī)x采用酶電極法進(jìn)行血糖檢測(cè)，利用血樣與試紙中的氧化酶發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生自由電子，并在試紙電極兩端加恒定激勵(lì)電壓，自由電子就會(huì)定向移動(dòng)形成電流。血糖濃度不同，所產(chǎn)生的電流值也不同，并呈一定的線性關(guān)系，依據(jù)電流值的大小可計(jì)算出血糖值的大小。通過(guò)硬件電路對(duì)產(chǎn)生的電流值進(jìn)行放大濾波，轉(zhuǎn)換成可以被單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器識(shí)別的信號(hào)后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)一步處理即可測(cè)得血糖值。

　　如圖3所示，為血糖檢測(cè)電路，P1接口接血糖檢測(cè)試紙，運(yùn)放U7B用來(lái)提供0.3V直流偏壓，因此U7A的同相端電壓為0.3V，由運(yùn)放虛短特性，反相端電壓也為0.3V，當(dāng)試紙滴入血樣后，血樣中的葡萄糖與試紙內(nèi)的氧化酶發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生自由電子，自由電子在激勵(lì)電壓作用下產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流I，約10秒后電流趨于穩(wěn)定，由此可以計(jì)算得到U7A輸出電壓為(10000*I+0.3)V，由于電流I很小，所以再利用INA333儀表放大器，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的A/D采樣，換算出實(shí)際的血糖值，再送OLED顯示。

1.4 體溫檢測(cè)單元

　　體溫是一項(xiàng)重要的生理參數(shù)，為了方便、快速實(shí)現(xiàn)體溫測(cè)量，采用紅外測(cè)溫的方式實(shí)現(xiàn)非接觸式人體溫度測(cè)量，選用MELEXIS公司生產(chǎn)的MLX90614醫(yī)用級(jí)紅外測(cè)溫傳感器，用于人體測(cè)溫只有±0.2℃的誤差[5-6]，溫度分辨率為0.02℃，提供2線式SMBus通信接口，節(jié)省了單片機(jī)IO接口，外圍電路簡(jiǎn)單，易于驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)讀取溫度數(shù)據(jù)后，送OLED顯示，具體電路連接如圖4所示。

1.5 鋰電池充電管理單元

　　生理參數(shù)測(cè)量?jī)x采用200mAh的鋰電池進(jìn)行供電，電池體積較小，可充電，適用于在可穿戴設(shè)備上使用，為了對(duì)鋰電池進(jìn)行充電管理，采用了TP4054單節(jié)鋰離子電池恒定電流 / 恒定電壓線性充電芯片，其充電電流最高可達(dá)500mA ，集高精度預(yù)充電、恒定電流充電、恒定電壓充電、電池狀態(tài)檢測(cè)、溫度監(jiān)控、充電結(jié)束低泄漏、充電狀態(tài)指示等性能于一身，廣泛應(yīng)用于手持便攜設(shè)備上。

　　由于單片機(jī)采用3.3V電壓供電，鋰電池輸出電壓最高可達(dá)4.2V，因此需要對(duì)鋰電池輸出電壓進(jìn)行降壓處理，選用TI公司的低壓差穩(wěn)壓芯片TPS76333，輸出電壓3.3V，最大電流可達(dá)150mA，由于系統(tǒng)功耗較低，所以滿足系統(tǒng)使用需求。

2 軟件設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)程序設(shè)計(jì)采用模塊化的分層編程設(shè)計(jì)思想，主要分為底層驅(qū)動(dòng)程序和頂層應(yīng)用程序，底層驅(qū)動(dòng)程序主要包括：模擬I2C總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)、OLED液晶模塊的驅(qū)動(dòng)、AD轉(zhuǎn)換程序、SMBus驅(qū)動(dòng)程序，頂層程序主要包括：心率計(jì)算程序、血氧提取程序、體溫?cái)?shù)據(jù)讀取和轉(zhuǎn)換程序、血糖換算等。

　　主程序流程如圖6所示，接通電源后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化設(shè)置，之后進(jìn)入大循環(huán)，大循環(huán)中需要對(duì)溫度、血氧、心率、血糖進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和顯示，其中人體體溫?cái)?shù)據(jù)可以通過(guò)MLX90614傳感器接口函數(shù)直接讀取，血氧和心率數(shù)據(jù)需要通過(guò)I2C總線讀取MAX30102的采樣數(shù)據(jù)，同時(shí)，由于讀取的采樣數(shù)據(jù)有干擾和波動(dòng)，因此還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，來(lái)提取心率值和血氧值，對(duì)于血糖的測(cè)量并不是實(shí)時(shí)進(jìn)行的，只有在需要的時(shí)候才啟動(dòng)血糖的測(cè)量，血糖測(cè)量的啟動(dòng)通過(guò)按鍵來(lái)控制，按鍵按下后，由于血糖檢測(cè)時(shí)電流的穩(wěn)定需要10秒種的時(shí)間，因此，在10秒鐘之后，再讀取AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，根據(jù)計(jì)算公式算出實(shí)際的血糖值，大循環(huán)每循環(huán)一次，就要更新一次OLED顯示數(shù)據(jù)，如此循環(huán)往復(fù)，系統(tǒng)中并沒(méi)有設(shè)置休眠模式，但是設(shè)置了硬件電源開關(guān)，當(dāng)無(wú)需測(cè)量時(shí)，直接斷開電源開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的省電效果。

3 結(jié)論

　　最終實(shí)現(xiàn)的生理參數(shù)測(cè)量?jī)x的作品如圖7所示， OLED屏幕上參數(shù)T為溫度，HR為心率，SP2為血氧飽和度，GLU為血糖值，套在手指上即可實(shí)現(xiàn)血氧和心率的測(cè)量，體溫測(cè)量須將紅外傳感器對(duì)準(zhǔn)額頭或者耳蝸處，血糖測(cè)量無(wú)需佩戴，只需要將浸入指尖血的血糖儀試紙插入試紙插口，再按下啟動(dòng)測(cè)量按鈕，即可實(shí)現(xiàn)血糖檢測(cè)，通過(guò)作品的試制與測(cè)試，證實(shí)該方案可行，各參數(shù)準(zhǔn)確性較高，方便使用，可充電，易于攜帶，后續(xù)尚需進(jìn)一步完善，加入藍(lán)牙通信功能，上傳各項(xiàng)參數(shù)到手機(jī)APP，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)生理參數(shù)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第12期第49頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。