近些年，无论是国外还是国内，电子科学技术和计算机技术的发展都很迅速，其中单片机的发展显得分外亮眼，目前单片机已经应用在各种可穿戴电子产品中。本文主要介绍的是一款基于单片机的无线可穿戴式心率检测系统，由于单片机具有很高的工作稳定性，精度也很高，通用性强并且功耗低，价格也合理，这些优点使得单片机可以在医学上有很大的发展空间。此系统由电源模块、心率传感器模块、单片机核心模块、显示模块和通信模块共同构成。通过将这些模块进行电路连接就可以实现数据采集、数据处理、数据分析、数据显示、数据传输、无线通信和心率监测等功能。其中，选择STM32F103C8T6单片机作为核心处理器，然后由MAX30102心率传感器采集心率模拟信号，由于STM32单片机自带ADC模数转换，所以省去外接ADC模块，单片机接受信号后进行算法计算出心率数据，根据得到的数据，进行显示、数据传输以及无线通信等操作。

　　根据相关调查研究，全国每年因心脏猝死死亡人数高达54万人，死者大部分起因是心率紊乱，我国医科部就此现状也加强了对这类患者的救助，对此类患者心血管疾病进行诊断的主要指标之一就是心率，患病在病情发作以前的主要症状就是心率出现问题[1]。如果在该疾病发作之前可以对患者的心率进行有效的监测，就可以采取措施进行抢救，可以大大的提升患者的生存概率。

　　随着老年人的年龄日益递增，他们的身体机能也在逐渐衰老，弱化，出现各种各样的障碍和病变。很大一部分的老年人身患几种慢性疾病，严重影响了他们的生活质量。特别是独居老人的“养老危机”，给年轻人带来的不只是经济负担，还有照料和护理老人需要的时间问题[2]。在老龄化问题越来越严重的社会背景下，关于老年人健康状况监测的医疗监测设备及技术开发研究将是未来很长一段时间内社会各层关注的焦点，也是影响社会发展的一项重要举措[3]。

　　随着社会的快速增长，科学电子技术的爆发式发展，各式各样的电子产品进入了人们的日常生活，人们的物ued体育官网质生活条件也随着提高，越来越多的人把自己的健康状况放在首要位置，再加上心率失常类疾病的发生是人们自己无法预测的，一旦心率失常，死亡率非常高[4]。根据这种观念，检测心率的地位是无法替代的。

　　经济的发展促进了人类物质生活的改善，思想状况的更新使得人们越来越多地关注自己的身体状况。心率作为人体的重要生理参数指标之一，在人的身体健康特别是空巢老人中扮演着重要角色。传统的检测方法需要病人前往医院或诊所进行专业检测，且仅能检测出某些时间段内的健康数据，不具备连续性和实时性[5]。便携式穿戴智能产品的悄然兴起为心率实时监测提供了重要的硬件基础，同时可方便人们在疾病出现的初期及时治疗，减少多种疾病的发病率，为人们的生命健康提供了重要保障。

　　心率指心脏在一分钟内跳动的次数，反映了在某个特定时间内心脏活动的特性。起初，心率测量只用在医学诊断和治疗上，并采用测量心电图的方式，这使得心率测量繁琐而又耗时。如今，穿戴式科技发展迅猛，心率测量装置被添加到了运动手环及手表上，逐步走进了人们的日常生活[6]。2017年，全球已卖出超过一亿只便携式智能穿戴装备，因此便携式智能穿戴设备已成为了商家必争之地。在交通方面，我国作为一个交通大国，疲劳驾驶诱导的交通事故时有发生，心率检测装置可以有效的检测驾驶员的疲劳程度。在医疗方面，随着我国人口老龄化趋势的加快，老年心血管病日益突出，中青年群体普遍处于亚健康状况，这些都使得近年来突发性心源猝死的事件不断发生，心率检测装置可以有效地观测这类人群的健康状况[7]。但是，市场上目前还缺乏基于心率检测的交通服务和医疗保健的产品，并且现有的产品不利于二次开发等因素，为此做出研究和改进。

　　首先，是在20世纪60年代研究发明的可以持续监测ECG的监测仪，它可以不间断地监测病人的ECG情况，使得那些病者可以准确和准时的被观测，此外医务人员也能更好地、连续地分析和判断病人的心率状况。20世纪中晚期，运用全息影像技术、计算机多媒体技术、新电子技术和远程通信技术、网络技术的远程医疗等多种技术实现对心率的检测和心率信号的远传日益兴起,心率监测获得了长久发展和广泛应用[8]。国内的心率监测仪虽然相比国外起步较晚，但经过多年的研究发展也取得了相当可观的成果。

　　Polar公司的S720i腕表式心率监测器，通过手腕皮肤利用光学方式来检测血液流动以达到读取心率的目的，Polar设备的背面有多个LED灯，这些灯发出的强光光线可穿透手腕皮肤，还有一个光电二极管，对皮肤反射回来的光的强度进行检测。心脏跳动时会将血液泵送到静脉血管。当手腕静脉血管中的血液流动较强时，反射回来的光就会减弱。每当心跳一次，手腕中流过的血流量减少变弱的时候，反射回来的光就会更多。为排除因动作造成的失真情况，具有手腕型心率监测功能的Polar设备采用两种传感器：一个用于感应心率，另一个用于感应手的移动。肢体移动数据通过结合了两个传感器信息的某一算法进行运算，达到准确的心率读数。

　　Apple公司的系列智能运动手表产品，SUUNTO公司的X6HR心率监测表，使用的是由可穿戴生物识别数据传感器技术的领先创新者Valencell创建的光电心率监测技术。

　　然后是国内小米公司推出的小米手环，通过光电容积脉搏波描记法来监测心率的。

　　在这些现代产品中，他们都没有解决的问题是报警的距离，若当事人突发性的心率不正常不能自救时，我们需要通知家属人员进行救助。基于此种研究现状，我们本次设计将特别解决距离不长问题，实现第三方监测功能。

　　心率的检测有很多种，从时间上，有定时检测和不定时检测，定时检测是时间固定后进行单一的一次检查，不定时检测则是检测完一次后接着进行下一次检测；从检测方式上，有接触式和非接触式之分，接触式是某心率传感器与人体接触后进行检测，如MAX30102心率传感器、PulseSensor脉搏传感器，非接触式则是传感器不直接接触人体进行检测，如光电容积脉搏波成像技术。本次设计的特点一是要可穿戴，二是要不断地检测。根据这两个特点，我们可以初步判定本次设计使用的是心率传感器，而不是光电容积脉搏波成像技术。

　　PC机检测电路中，心率传感器首先采集心率模拟信号，这个模拟信号可以被传感器配套的EVK板接受，配合将采集的原始数据上传，然后PC机使用程序，直接显示和配置传感器里的全部寄存器，并可以实时显示和记录原始数据和波形等信息。具体流程图如图2-1所示。

　　单片机检测电路中，心率传感器采集心率信号并输出到单片机，单片机作为核心，完成对心率信号的处理，达成对待测目标心率的实时数据显示、当心率数据较正常数值不正常时通过无线通信模块发送短信进行报警提醒、以及心率的检测。具体流程图如图2-2所示。

　　PC机检测电路适用于单次高精度检测的人群，如医院里的患者，实验室检测等。这种设计的主要特点就是单次测量，精度较高，但是其缺点也很明显，测量不方便，没有监测功能，投入的成本还高。无法满足此次设计的要求。

　　单片机检测电路设计的主要特点是稳定且有较高的精确度，这满足了检测和监测的基本要求，其造价成本低且市场广泛，本身电路集成度高，体积小的特点满足了随身穿戴的要求，单片机可以外接各类通信模块，实现无线通信传输也非常方便，进而可以满足报警的要求，所以本次设计首选方案二单片机检测电路设计。

　　关于心率传感器，由于人体动脉处的血液流动幅度大，因此压力变化大，并且血液是可以吸收红外光的，所以可以利用人体手腕动脉处的这一特性，利用光线的变化测出脉搏波，也就是得到电信号，将得到的信号运用算法处理，则可以得到心率等健康参数。本系统的数据的唯一来源是心率传感器，所以对它的选择至关重要。

　　目前市场上的心率传感器都是光学心率传感器，原理是光电容积脉搏波描记法。名字听起来很复杂，其实就是利用人手腕处动脉血液的流动和血液对红光的穿透性，这样用红色的LED灯照射手腕，然后利用光敏元件将光信号转变为电信号。原理示意如图3-1。

　　PulseSensor脉搏传感器是一款用于心率测量、脉搏波形测量和HRV分析的光电反射式模拟传感器。芯片引脚如图3-2。

　　MAX30102心率传感器是一个集成了脉搏血氧和心率监测功能的生物传感器模块。MAX30102采用一个1.8V电源和一个独立的5.0V用于内部LED的电源，可应用于可穿戴设备进行心率和血氧采集检测，一般可将其佩戴于手指、耳垂和手腕等处。通过标准的I2C兼容的通信接口可以将采集到的数值传输给Arduino、STM32、KL25Z等单片机进行心率和血氧计算。此外，该芯片还可通过软件关断模块，待机电流接近为零，实现电源始终维持供电状态。正因为其优异的性能，该芯片被大量应用在了三星GalaxyS7手机。芯片引脚如图3-3。

　　与Pulsesensor脉搏传感器相比，MAX30102心率传感器的优点在于：

　　2.数字输出：MAX30102本身自带18位高精度ADC，使用I2C接口与外接MCU通信。而且自身还有FIFO，可以减轻MCU负担，降低功耗。

　　3.功能丰富：MAX30102集成了LED驱动电路，可以根据不同情况调节LED电流，采样率也可以根据不同应用进行选择。此外还集成了片上温度传感器，可以随时监测片上温度（对血氧饱和度计算有用）。

　　本次设计的方案选择是单片机检测电路，因此单片机的选择也尤为重要，我们需要一种体积更小，稳定性更强，精确度更高等各方面更具有本次设计特点的单片机。在市面上提供的单片机中，我们对比了STC89C52单片机（51系列）、Arduino单片机和STM32系列单片机，最终选择STM32系列单片机中的一款：STM32F103C8T6。

　　72MHz工作频率比51单片机要高得多，在存储器的0等待周期访问时可达 1.25DMips/MHz；单周期乘法和硬件除法。

　　2.0～3.6伏供电和I/O引脚；上电/断电复位(POR/PDR)、可编程电压监测器(PVD)；4～16MHz晶体振荡器；内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器；内嵌带校准的40kHz的RC振荡器；产生CPU时钟的PLL；带校准功能的32kHzRTC振荡器。

　　在本次设计当中，当单片机核心模块将心率传感器传输过来的信号处理完毕后，单片机通过将原始数据与设置数据对比后可以得到一个结果，那么这个时候就需要用到通信模块，它的作用是将上位机单片机发送过来的结果传输到下位机用户的手机上，实现无线传输，起到报警提醒的作用。那么就本次设计特色而言，我们需要一款能够实现远距离（全球）、实时并且还要有高度精确传输的通信模块。

　　蓝牙模块是现在应用的非常普及的一款通信模块，它使用起来非常方便，使用具有串口功能的蓝牙模块可以轻松代替以前的USB线模块（JDY-18）。它的优点是体积非常之小，适合各种可穿戴式设备，传输速度在不超出传输范围的前提下也比较快。它的缺点是传输距离较短。图3-4为蓝牙模块。

　　GPued体育官网RS通信模块也是应用非常广泛的一款通信模块，他与蓝牙模块有类似的地方，就与单片机通信这一点，都是单片机通过串口（USART）向GPRS模块发送相应的AT命令，实现主机单片机与从机手机的通信。比如说单片机通过串口向GPRS模块发送拨打电话的AT命令，GPRS通信模块就能拨打电话给手机，类似的还可以发送短信。它的优点是传输距离，可以在全球范围内传输，体积也不是很大，可用于可穿戴设备，目前市场上有商品儿童手表就说明了这一点，它的传输速度和精确度也是非常高的。它的

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