可穿戴生理參數(shù)測量儀的設(shè)計

作者 楊風(fēng)健 齊秋菊 郭紅壯 趙曉磊 霍旭陽 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)測量儀的設(shè)計，生理參數(shù)測量儀以單片機STM32F103CBT6作為控制核心，具有體溫測量、心率測量、血氧測量、血糖測量等功能，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。本文詳細論述了該系統(tǒng)各個部分的實現(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，人們希望對某些生理參數(shù)進行測量，一般包括：血氧飽和度、心率、體溫、血糖等^[2]，以便實時監(jiān)測自己的健康狀況。例如運動時測量血氧、血糖和心率有助于掌握運動強度，不至于對身體造成運動損傷，糖尿病患者可以利用本測量儀測量血糖狀況。而目前市場上的可穿戴生理參數(shù)測量類產(chǎn)品功能單一、價格昂貴，一般只能進行1~2個參數(shù)的測量，無法進行多個生理參數(shù)的測量。為此，本文選用STM32F103CBT6單片機作為主控制器，輔以體溫測量、心率測量、血氧測量、血糖測量等功能，設(shè)計了一款具有可穿戴、多參數(shù)、人性化程度高等特點的生理參數(shù)測量儀。

1 硬件設(shè)計

1.1 生理參數(shù)測量儀的工作原理

　　生理參數(shù)測量儀的硬件系統(tǒng)主要由主控制器單元、血糖檢測單元、體溫檢測單元、血氧/心率檢測單元、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顯示單元提供人機交互的接口，通過按鍵操作可以啟動血糖測量。采用64×48點陣OLED顯示屏作為顯示單元，其優(yōu)點在于功耗較低，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單片機作為系統(tǒng)的主控制器，這是一款32位單片機，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，體積相對較小。

1.2 血氧、心率檢測單元

　　血氧及心率檢測采用MAXIM公司集成芯片MAX30102，這是一款集成的血氧和心率檢測模塊，包括內(nèi)部的紅外LED、紅光LED、光電探測器和帶有環(huán)境光抑制的低噪聲電子元件，提供了一個完整的系統(tǒng)解決方案，使得血氧和心率檢測功能易于在可穿戴設(shè)備上實現(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連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，INT為中斷管腳，當芯片內(nèi)部有中斷產(chǎn)生時，會輸出低電平，單片機可通過此管腳來判斷是否有數(shù)據(jù)需要處理，INT管腳需要通過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，同時內(nèi)部帶有FIFO，最多可以存儲32個采樣數(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FIFO滿的時候再進行數(shù)據(jù)的讀取。

1.3 血糖檢測單元

　　血糖的有創(chuàng)檢測是直接從人體中抽取血液標本進行檢測，目前，較經(jīng)典的方法有光學(xué)法和酶電極法[3-4]，本測量儀采用酶電極法進行血糖檢測，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電壓，自由電子就會定向移動形成電流。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)電流值的大小可計算出血糖值的大小。通過硬件電路對產(chǎn)生的電流值進行放大濾波，轉(zhuǎn)換成可以被單片機內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器識別的信號后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進一步處理即可測得血糖值。

　　如圖3所示，為血糖檢測電路，P1接口接血糖檢測試紙，運放U7B用來提供0.3V直流偏壓，因此U7A的同相端電壓為0.3V，由運放虛短特性，反相端電壓也為0.3V，當試紙滴入血樣后，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，自由電子在激勵電壓作用下產(chǎn)生定向移動，形成電流I，約10秒后電流趨于穩(wěn)定，由此可以計算得到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，對電壓信號進行放大處理，通過單片機內(nèi)部的A/D采樣，換算出實際的血糖值，再送OLED顯示。

1.4 體溫檢測單元

　　體溫是一項重要的生理參數(shù)，為了方便、快速實現(xiàn)體溫測量，采用紅外測溫的方式實現(xiàn)非接觸式人體溫度測量，選用MELEXIS公司生產(chǎn)的MLX90614醫(yī)用級紅外測溫傳感器，用于人體測溫只有±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IO接口，外圍電路簡單，易于驅(qū)動，單片機讀取溫度數(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)測量儀采用200mAh的鋰電池進行供電，電池體積較小，可充電，適用于在可穿戴設(shè)備上使用，為了對鋰電池進行充電管理，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、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。

　　由于單片機采用3.3V電壓供電，鋰電池輸出電壓最高可達4.2V，因此需要對鋰電池輸出電壓進行降壓處理，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

　　單片機程序設(shè)計采用模塊化的分層編程設(shè)計思想，主要分為底層驅(qū)動程序和頂層應(yīng)用程序，底層驅(qū)動程序主要包括：模擬I2C總線設(shè)備驅(qū)動、OLED液晶模塊的驅(qū)動、AD轉(zhuǎn)換程序、SMBus驅(qū)動程序，頂層程序主要包括：心率計算程序、血氧提取程序、體溫數(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，首先進行系統(tǒng)的初始化設(shè)置，之后進入大循環(huán)，大循環(huán)中需要對溫度、血氧、心率、血糖進行數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和顯示，其中人體體溫數(shù)據(jù)可以通過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I2C總線讀取MAX30102的采樣數(shù)據(jù)，同時，由于讀取的采樣數(shù)據(jù)有干擾和波動，因此還需要進行數(shù)據(jù)的處理，來提取心率值和血氧值，對于血糖的測量并不是實時進行的，只有在需要的時候才啟動血糖的測量，血糖測量的啟動通過按鍵來控制，按鍵按下后，由于血糖檢測時電流的穩(wěn)定需要10秒種的時間，因此，在10秒鐘之后，再讀取AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，根據(jù)計算公式算出實際的血糖值，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)中并沒有設(shè)置休眠模式，但是設(shè)置了硬件電源開關(guān)，當無需測量時，直接斷開電源開關(guān)，以實現(xiàn)最優(yōu)的省電效果。

3 結(jié)論

　　最終實現(xiàn)的生理參數(shù)測量儀的作品如圖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，套在手指上即可實現(xiàn)血氧和心率的測量，體溫測量須將紅外傳感器對準額頭或者耳蝸處，血糖測量無需佩戴，只需要將浸入指尖血的血糖儀試紙插入試紙插口，再按下啟動測量按鈕，即可實現(xiàn)血糖檢測，通過作品的試制與測試，證實該方案可行，各參數(shù)準確性較高，方便使用，可充電，易于攜帶，后續(xù)尚需進一步完善，加入藍牙通信功能，上傳各項參數(shù)到手機APP，可實現(xiàn)對各項生理參數(shù)的動態(tài)檢測。

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