心率监控及反馈系统终稿子

1、小智慧心来第四届“含弘杯”学生课外学术科技作品竞赛心率监控及反馈系统作品类别：科技发明制作信息技术类二0四年十月目录目录 1摘要 1关键词 1一、前言 1二、工作原理 11、硬件部分 11.1信号采集模块 21.2数据处理模块 31.3 人机交互模块 31.4数据传输模块 41.5数据存储模块 51.6报警模块 51.7数据接收模块 52、软件设计部分 62.1 心率采集算法原理及相关C语言程序 62.1.1 心率采集算法原理 62.1.2 心率采集算法相关C语言程序 92.2程序代码（见附录） 11三、测试方法与误差分析 111、测试方法 112、误差分析 11四、市场应用及价值 13五、作

2、品实际图片 14参考文献 15附录： 15摘要：心率一项能够比较准确反映人体身体状况的生理指标，通过对心率数值的连续测量来获得准确而客观的数据分析，同时通过模块化的设计将相关的数据进 行智能化分析存入SD卡中，同时通过NRF2401A模块或GSM模块进行数据的传 输，有效地提高了心率测量仪器的应用围和分析的准确性。关键词：心率测定MSP430单片机NRF2401A莫块GSM模块一、前言随着人们生活水平的提高，人们对于健康的关注程度也在逐渐上升。 我国的医疗设备市场存在着很大的发展空间，拥有巨大的市场潜力。 心率是指心脏每分钟跳动的次数，是一项能够比较准确的反映出一个 人身体状况的生理指标。通过

3、心率的测量和连续心率数据的处理发掘， 可以较客观的获得个体的身体状况分析 。根据模块化设计的思想，可 以依照用户的需求进行差异化的定制，从而得到相应所需的产品，极 大的扩展了产品的使用围。同时 通过程序的设计使其能够对于数据进 行优化处理，使设备更加智能化，操作更加简便快捷。二、工作原理1、硬件部分硬件部分采用了模块化的设计方案，通过不同的模块与基础测量部 分的搭配，从而达到扩展功能的目的。硬件部分分为信号采集模块、 数据处理模块、人机交互模块、数据传输模块、数据存储模块、报警 模块、数据接收模块七个部分。信号采集模块将采集到的信号输入到 MSP430单片机中，然后经过单片机的处理，显示在屏幕

4、上，同时将数 据存储进 SD卡中。在安装数据传输模块后可以选择将数据通过 NRF2401A模块或GSM模块进行传输，一旦心率超出正常围，报警模块将开始工作，同时将报警信息通过数据传送模块发送到数据接收端。系统框图如图一所示:心率传感器甘.切卡数据存储模块GSMftSHRF3401A模块报誓模块图一系统框图1.1信号采集模块信号采集模块采用的是PulseSenso生物传感器。该传感器采用光电 容积法来测量。当光束透过人体外周血管，由于动脉搏动充血容积变 化导致这束光的透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体组织 反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。其价格低廉，精度高,体积较小，工作状态稳

5、定性好，可 以使用微处理器进行数据分析处理， 用以分析脉搏变化以及实时自我调节心率，维持较为稳定的健康的心 率状态。工作电压在+3+5V,作品采用+5V供电。图二传感器波形图1.2数据处理模块数据处理模块选择的是仪器生产的 MSP43（单片机，其工作速度 快，片存储空间大，同时具备64个通用10 口，具备优良的数据处理 和控制性能。将PulseSenso传感器采集到的数据进行处理后再传输给 下一级硬件部分。下图为 MSP43单片机：图三MSP430单片机1.3人机交互模块人机交互模块采用的了 10.1英寸的TFT触摸彩屏，同时对控制部 分进行优化。通过运用工业化集成屏幕，使用触摸进行操作，使系

6、统 操作更加便捷。大屏幕增强了图形显示的效果，使人机交互的功能得 到增强。1.4数据传输模块为了适应不同的数据传输需求，数据传输模块采用了两种方式。近距离的数据传输采用NRF2401AB线传输模块。该模块能够工作在 2.42.5GHZ的公共频段，工作晶振为16MHZ采用3.3V电压供电，分 为配置模式，直接发送模式，突发模式等多种模式，该模块选择的是 突发模式，在该模式下无线通信模块可以直接将从单片机获得的8位二进制数据传送给同一频段的接收端，空旷地区实测传输距离可达400 米，接收端再将8位数据校验完成后输出。QQ>QQ图四NRF2401A无线传输模块原理图远距离的数据传输采用华为的

7、GTM90(GSMGPR通信模块，其能够在接收到MSP430传递的数据后通过2G网络将数据以短信的形式发送 到绑定的手机，工作性能稳定。1.5数据存储模块在数据存储模块部分采用的是大容量 SD卡存储设备。其通过 SPI 总线与MSP43单片机相连，在数据米集后能够迅速完成数据的存入和 读取，同时体积较小，具备极高的兼容性，方便数据的转移。同时扩 大了数据的存储空间和存储效果。1.6报警模块报警模块采用了蜂鸣器和屏幕共同工作的方式。当报警模块工作 时，蜂鸣器开始工作同时屏幕开始间歇性点亮熄灭，从而起到发出警 报的效果。1.7数据接收模块在远距离数据传输中，采用手机作为数据接收端；在近距离的数据

8、传输中，由于使用了 NRF2401AB线通信模块，所以接收端采用了相同 的通信模块和STC89C52R单片机来构成，其能够将接收到的数据显示 在LCD1602的屏幕上，同时在发送端发出警报信号时，在接收端的蜂 鸣器工作进行报警。下图为接收端 LCD1602的电路原理图：图五LCD1602显示部分原理图2、软件设计部分2.1 心率采集算法原理及相关C语言程序2.1.1 心率采集算法原理ADC电压采样得 SignalSignal < thresh) &&(time > (IBI/5)*3)(Signal > thresh)&& (Sig nal &

9、gt; Peak)YSig nal< troughPeak= Sig nalTrough= Signal1Nratq10NfirstBeat=1数据初始化BPM用于保存脉冲速率IBI持有次之间的时间Pulse脉冲波咼，真；假时，低QS为真时，发现了一拍心跳节拍Sig nal持有传入的原始数据其中最主要的是BPM和IBI两个字。IBI是连续两个心拍之间的时间差，而BMP是心率值，表示心脏每分钟跳几下，BMP=60/IBI。采样：主要通过ADC12采样脉搏模拟信号，采样频率为 500Hz。 滤波：由于脉搏波在动脉中的反射，往往会出现一个重脉波。为了避 免这个重脉波的干扰，在程序中每隔 0.6

10、个IBI值跟踪脉搏上升。心率 的计算根据两个相邻脉搏波的上升段的中间差值确定IBI值，由此可以推算BMP数值。图六心率采集算法图一计算：心率的计算根据两个相邻脉搏波的上升段的中间差值确定IBI值，由此可以推算BMP数值图七心率采集算法图2.1.2 心率采集算法相关C语言程序un sig ned int rate10;值un sig ned int amp = 120;振幅，发送un sig ned int temp =0 ;un sig ned int BPM=600;unsigned int IBI = 600;un sig ned int Peak =512;un sig ned int

11、Trough = 512;最小值，发送/数组来保存最后十个IBI/用于保存脉冲波形的/温度/用于保存脉冲速率/持有次之间的时间/初始化心跳峰值/用来寻找脉搏波unsigned int thresh = 512;/初始化 心跳最小值_Bool Pulse = false;/脉冲波高，真。假时，低_Bool firstBeat = true;/用于启动 发送速率数组_Bool secondBeat = false;/用于启动 发送速率数组_Bool QS = false;/为真时，发现了一拍心跳节拍。unsigned int Signal;/持有传入的原始数据un sig ned long sam

12、pleCo un ter = 0;/当前时间unsigned long lastBeatTime = 0;/ 上个心跳时间un sig ned long time;/ 用于记录时间采样：主要通过ADC12采样脉搏模拟信号，采样频率为 500Hz<void ini t_adc12(void)P6SEL = 0x01;/ p6.0 ADC 输入ADC12CTL0 &= ENC;ADC12CTL0 = ADC12ON+MSC+SHT0_0;ADC12CTL1 = SHP+CONSEQ_1+ADC12SSEL1 ;ADC12MCTL0 |= INCH_0+MSC;ADC12IE = 0x

13、03;ADC12CTL0 |= ENC;/ADC数据#pragma vector = ADC12_VECTOR_in terrupt void ADC12(void)Sig nal = ADC12MEM0 / 4;2.2程序代码（见附录）三、测试方法与误差分析1、测试方法1、通过USB给系统供给5V直流电2、确认电源指示灯点亮系统正常工作3、将传感器通过绑带绑在指尖，需指尖感到一定的压迫感即可。4、将程序从电脑加载到单片机进行调试5、通过液晶屏幕获得相应的心率测量数据，并模拟心率失常环境，检测警报信号是否正常发出。2、误差分析经过大量的反复的测量，获得该设备心率测量数据与参考设备测量数据之间的

14、误差（参考设备选用IHEALTH生产腕式血压计，误差在6%） 下面对部分采样结果和计算方法进行介绍。令设备测得的心率数值为Xi ( i = 1,2,上上),参考设备测得的心率数值为X ( i =1,2,一I ),e 二 X? -刈(1)其中i =12上上设样本的平均值为m,方差为于，则通过方差的计算公式知：men i 4(2)其中i =12上上1 n2宀 1 ' e -mn-1 i 二(3)其中i =12上上下图为三次随机测量的结果的统计图:1 1* W兰*总&1-S14y图八误差统计图一02 O 8 fiT± - J形時147 1C 13 16 诃 M 西 2S 3

15、1 制 37 4C 43 & 的图九误差统计图经过大量的实验，使现有的心率采集算法能够达到与参考设备获得 数据相比4%以的误差。四、市场应用及价值本产品可以广泛的适用于家庭远距离监护、中小型医疗机构的检测 网络的构建、体育运动分析和一些关于人体状况的研究，比如人体情 感控制类的科研数据采集等方面。在国的相关产品中，功能类似的产 品存在着价格昂贵，体积巨大，测定时间过长，数据传输距离有限， 操作繁琐，显示的数值只是离散的单位时间点，没有横向的数据分析 功能，存储空间有限等缺点。随着老龄化社会到来以及国医疗科研领 域的热门化，其具备的市场空间正在急剧扩大，通过这种智能化，灵 活性高的产品来

16、构成的相关医疗设备会更加得到消费者的青睐。例如 老年人口增多，年轻人无法在身边长时间陪护；部分中小型医疗机构 缺乏资金购置昂贵的设备；对于运动员运动过程中全程的心率数据分 析；应用到科学研究中，如人体情感控制需要大量的数据分析而相关 的产品功能缺失或性能低等等问题，都可以得到有效的解决，其能够 拥有很大的经济效益，并且在未来还可以通过模块的增加为其提供更 多的发展空间和市场前景。五、作品实际图片图十一作品实际图片参考文献1 洪利，世宝，章扬.MSP430单片机原理与应用实例详解M.:航空航天大学2 谭浩强.C程序设计（第三版）M.:清华大学3 康华光.电子技术基础模拟部分（第五版） M.:高等

17、教育4 Steve Summit. C Programmi ng FAQs freque ntly asked questi ons M. Com mon wealth ofMassachusetts, Bost on: Addis on Wesley附录：软件主程序#i nclude <msp430x14x.h>#in clude "driver.c"#include "Config.h"/配置msp430头文件，与硬件相关的配置在这里更改#i nclude "LCM-DRV_CFG.h"#i nclude "

18、LCM-DRV_DISP.h"#i nclude "LCM-DRV_TOUCH.h"#i nclude "LCM-DRV_CAN.h"#in clude "uart.h" un sig ned char i,j,k=0,co unt=0,n=0;unsigned short cout2,a482,b62=10,270-250,10,270,10+350,270,10+350,270-1,10+1,270-1,10+1,270-250；坐标轴6点原点（10,270）uchar DisBuff4=0;/ 显示心率数据值/系统时钟

19、初始化，外部8M晶振void Clocknit()uchar i;BCSCTL1 &=XT2OFF;BCSCTL2|=SELM1+SELS;doIFG1 &=OFIFG;for(i=0;i<100;i+)_NOP();while(IFG1 &O FIFG)!=0);IFG1 &=OFIFG;打开XT2振荡器/MCLK 为 8MHZ，SMCLK 为 8MHZ/清楚振荡器错误标志如果标志位1，则继续循环等待/主函数void main (void)WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;/ 关闭看门狗Clocknit();系统时钟设置UART_Init

20、();/串口设置初始化 TFT与单片机通信方式232ini t_adc12();adc心率采集初始化TACCTL0 = CCIE;TACCR0 =16000;TACTL = TASSEL_2 + MC_1 + TACLR;驱动测试/重启液晶LCDDispText(HZLIB_GB2312_24X24,CHAR_FB_MODE,0,0,"LCD RESET.");delayms(1500);LCDReset(); LCDClearScree n(); delayms(1500);LCDDispSolidRecta ngle(0xF800,0x07E0,10,10,400,27

21、0);/画填充矩形LCDClearScree n();LCDDispDot(0x00,6, b); / delayms(1500); / 画点LCDDispLines(0x00,6, b); delayms(1500);/*LCDDispSolidRecta ngle(0xF800,0x07E0,10,330,400,590);/画填充矩形LCDDispSolidRecta ngle(0xF800,0x07E0,440,10,800,270);/画填充矩形 delayms(1500); LCDClearScree n();for(i=0;i<=8;i+)for(j=0;jv=6;j+)

22、ak0=100*i;ak1=50*j;k+=1;if(k>=48)k=0;LCDDispDot(0x00,48, a);LCDDispLines(0x00,48, a); delayms(1500);LCDCIearScreen();LCDDispArcSector(0x00,0xF800, 0x0064, 0x0030, 0x0032, 0x0000, 0x00B4);/画圆 弧或扇形delayms(1500);LCDCIearScree n();LCDDispFreeLi nes(0x0005,0x0020,0x0135,0x001F,2,FreeLi neCord n); / 动态

23、曲线显示delayms(1500);LCDCIearScree n();LCDDispSpectrum(0x0020, 0x0135, 3, 0x0128, SpectrumHigh);delayms(1500);LCDCIearScree n();LCDDrawPolyli neByFixedXoffset(0x0020,0x0008,3, OffsetDotYposi);delayms(1500);LCDClearScree n();LCDDrawPolyli neByA ny Offset(0x0020,0x0008,3,OffsetDotposi);delayms(1500);LCDC

24、learScree n();LCDDispTextSimply(0, 0x00F0, 0x0088, "Hello!");delayms(1500);LCDClearScree n();LCDDispAscii(0x01,0x00, 0x00F0, 0x0088, AsciiBuf,sizeof(AsciiBuf);delayms(1500);LCDClearScree n();LCDDispDot(0x00,80, DotCord n);/ 画点delayms(1500);LCDClearScree n();*/开中断_EINT();while(1)if(QS = tru

25、e)coun t+;LCDDispAscii(0x01,0,100, 100, DisBuff, 4);if(cou nt=O)cout0=270-BPM;else if(count=1) cout1=270-BPM;elsecout0=cout1;cout1=270-BPM;LCDDrawPolyli neByFixedXoffset(15+n*20, 20, 2, cout); n+;if(n >18)n=0;LCDSetFillWithGrou ndColor(0x00, 0x11,0x20, 0x360, 0x269);QS = false;#pragma vector = AD

26、C12_VECTOR_in terrupt void ADC12(void)Sig nal = ADC12MEM0 / 4;#pragma vector=TIMERA0_VECTOR _in terrupt void TIMER1_A0_ISR(void) un sig ned int runnin gTotal = 0;un sig ned char i =0;ADC12CTL0 |= ADC12SC;_DINT();sampleCo un ter += 2;time=sampleCo un ter - lastBeatTime;/取最小值/取最大值if(Signal < thresh) && (time > (IBI/5)*3) if (Sig nal < Trough)Trough = Sig nal;if(Signal > thresh) && (Signal > Peak)Peak = Sig nal;if (time > 250)i