心率監(jiān)控及反饋系統(tǒng) 終稿

1、 第四屆“含弘杯”學生課外學術科技作品競賽心率監(jiān)控及反饋系統(tǒng) 作品類別： 科技發(fā)明制作 信息技術類 二一四年十月目錄目錄1摘要1關鍵詞1一、 前言1二、 工作原理11、 硬件部分11.1 信號采集模塊21.2數(shù)據(jù)處理模塊31.3 人機交互模塊31.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊31.5 數(shù)據(jù)存儲模塊41.6 報警模塊41.7 數(shù)據(jù)接收模塊52、 軟件設計部分52.1 心率采集算法原理及相關C語言程序52.1.1 心率采集算法原理52.1.2 心率采集算法相關C語言程序72.2 程序代碼（見附錄）8三、測試方法與誤差分析81、測試方法92、誤差分析9四、市場應用及價值11五、作品實際圖片11參考文獻12附錄：

2、131摘要：心率一項能夠比較準確反映人體身體狀況的生理指標，通過對心率數(shù)值的連續(xù)測量來獲得準確而客觀的數(shù)據(jù)分析，同時通過模塊化的設計將相關的數(shù)據(jù)進行智能化分析存入SD卡中，同時通過NRF2401A模塊或GSM 模塊進行數(shù)據(jù)的傳輸，有效地提高了心率測量儀器的應用范圍和分析的準確性。摘要需要高度概括你這個項目，構成，核心技術，突出點等。不能泛泛而談關鍵詞：心率測定 MSP430單片機 NRF2401A模塊 GSM模塊1、 前言 隨著人們生活水平的提高，人們對于健康的關注程度也在逐漸上升。我國的醫(yī)療設備市場存在著很大的發(fā)展空間，擁有巨大的市場潛力。心率是指心臟每分鐘跳動的次數(shù)，是一項能夠比較準確的反

3、映出一個人身體狀況的生理指標。通過心率的測量和連續(xù)心率數(shù)據(jù)的處理發(fā)掘，可以較客觀的獲得個體的身體狀況分析。根據(jù)模塊化設計的思想，可以依照用戶的需求進行差異化的定制，從而得到相應所需的產(chǎn)品，極大的擴展了產(chǎn)品的使用范圍。同時通過程序的設計使其能夠對于數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，使設備更加智能化，操作更加簡便快捷。前言中應介紹，你研究方向中現(xiàn)階段水平，及背景，以及所要用到的專業(yè)知識介紹。還應對本作品有個基本的介紹。這樣太簡潔了2、 工作原理盡量分成：系統(tǒng)概述（從整體來闡述系統(tǒng)結構），硬件部分，軟件部分。1、 硬件部分硬件模塊···盡量每部分附上設計原理圖，或者模塊組成框圖 硬件部

4、分采用了模塊化的設計方案，通過不同的模塊與基礎測量部分的搭配，從而達到擴展功能的目的。硬件部分分為信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、人機交互模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、報警模塊、數(shù)據(jù)接收模塊七個部分。信號采集模塊將采集到的信號輸入到MSP430單片機中，然后經(jīng)過單片機的處理，顯示在屏幕上，同時將數(shù)據(jù)存儲進SD卡中。在安裝數(shù)據(jù)傳輸模塊后可以選擇將數(shù)據(jù)通過NRF2401A模塊或GSM模塊進行傳輸，一旦心率超出正常范圍，報警模塊將開始工作，同時將報警信息通過數(shù)據(jù)傳送模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)接收端。系統(tǒng)框圖如圖一所示：不能截圖 圖一 系統(tǒng)框圖1.1 信號采集模塊 信號采集模塊采用的是PulseSensor生物傳

5、感器。該傳感器采用光電容積法來測量。當光束透過人體外周血管，由于動脈搏動充血容積變化導致這束光的透光率發(fā)生改變，此時由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉變?yōu)殡娦盘柌⑵浞糯蠛洼敵?。其價格低廉，精度高，體積較小，工作狀態(tài)穩(wěn)定性好，可以使用微處理器進行數(shù)據(jù)分析處理，用以分析脈搏變化以及實時自我調(diào)節(jié)心率，維持較為穩(wěn)定的健康的心率狀態(tài)。工作電壓在+3+5V，作品采用+5V供電。圖二 傳感器波形圖1.2數(shù)據(jù)處理模塊 數(shù)據(jù)處理模塊選擇的是德州儀器生產(chǎn)的MSP430單片機，其工作速度快，片內(nèi)存儲空間大，同時具備64個通用IO口，具備優(yōu)良的數(shù)據(jù)處理和控制性能。將PulseSensor傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行

6、處理后再傳輸給下一級硬件部分。下圖為MSP430單片機：圖三 MSP430單片機1.3 人機交互模塊人機交互模塊采用的了10.1英寸的TFT觸摸彩屏，同時對控制部分進行優(yōu)化。通過運用工業(yè)化集成屏幕，使用觸摸進行操作，使系統(tǒng)操作更加便捷。大屏幕增強了圖形顯示的效果，使人機交互的功能得到增強。 1.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊 為了適應不同的數(shù)據(jù)傳輸需求，數(shù)據(jù)傳輸模塊采用了兩種方式。 近距離的數(shù)據(jù)傳輸采用NRF2401A無線傳輸模塊。該模塊能夠工作在2.42.5GHZ的公共頻段，工作晶振為16MHZ，采用3.3V電壓供電，分為配置模式，直接發(fā)送模式，突發(fā)模式等多種模式，該模塊選擇的是突發(fā)模式，在該模式下無線通

7、信模塊可以直接將從單片機獲得的8位二進制數(shù)據(jù)傳送給同一頻段的接收端，空曠地區(qū)實測傳輸距離可達400米，接收端再將8位數(shù)據(jù)校驗完成后輸出。圖四 NRF2401A無線傳輸模塊原理圖 遠距離的數(shù)據(jù)傳輸采用華為的GTM900 GSMGPRS通信模塊，其能夠在接收到MSP430傳遞的數(shù)據(jù)后通過2G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)以短信的形式發(fā)送到綁定的手機，工作性能穩(wěn)定。1.5 數(shù)據(jù)存儲模塊 在數(shù)據(jù)存儲模塊部分采用的是大容量SD卡存儲設備。其通過SPI總線與MSP430單片機相連，在數(shù)據(jù)采集后能夠迅速完成數(shù)據(jù)的存入和讀取，同時體積較小，具備極高的兼容性，方便數(shù)據(jù)的轉移。同時擴大了數(shù)據(jù)的存儲空間和存儲效果。1.6 報警模塊 報

8、警模塊采用了蜂鳴器和屏幕共同工作的方式。當報警模塊工作時，蜂鳴器開始工作同時屏幕開始間歇性點亮熄滅，從而起到發(fā)出警報的效果。1.7 數(shù)據(jù)接收模塊 在遠距離數(shù)據(jù)傳輸中，采用手機作為數(shù)據(jù)接收端；在近距離的數(shù)據(jù)傳輸中，由于使用了NRF2401A無線通信模塊，所以接收端采用了相同的通信模塊和STC89C52RC單片機來構成，其能夠將接收到的數(shù)據(jù)顯示在LCD1602的屏幕上，同時在發(fā)送端發(fā)出警報信號時，在接收端的蜂鳴器工作進行報警。下圖為接收端LCD1602的電路原理圖：圖五 LCD1602顯示部分原理圖2、 軟件設計部分需闡明：軟件設計總流程圖，軟件原理說明2.1 心率采集算法原理及相關C語言程序2.

9、1.1 心率采集算法原理算法原理介紹，流程圖，也可用偽代碼形式介紹(Signal > thresh) && (Pulse = false) && (time > (IBI/5)*3)IBI = sampleCounter - lastBeatTime; lastBeatTime = sampleCounter; ADC電壓采樣得SignalSignal < thresh) && (time > (IBI/5)*3)(Signal > thresh) && (Signal > Peak)Signa

10、l < troughTrough= SignalPeak= SignalNN YY Y secondBeat=11 N Y存儲IBI于數(shù)組rate10firstBeat=1Nrunning rate等于數(shù)組rate 算數(shù)平均BMP=6000/running Total 優(yōu)化數(shù)據(jù)Time<2500數(shù)據(jù)初始化顯示BMP值 Y YN BPM 用于保存脈沖速率 IBI 持有次之間的時間 Pulse 脈沖波高，真;假時，低 QS 為真時，發(fā)現(xiàn)了一拍心跳節(jié)拍 Signal 持有傳入的原始數(shù)據(jù) 其中最主要的是BPM和IBI兩個字。IBI是連續(xù)兩個心拍之間的時間差，而BMP是心率值，表示心臟每分鐘

11、跳幾下，BMP=60/IBI。采樣：主要通過ADC12采樣脈搏模擬信號，采樣頻率為500Hz。濾波： 由于脈搏波在動脈中的反射，往往會出現(xiàn)一個重脈波。為了避免這個重脈波的干擾，在程序中每隔0.6個IBI值跟蹤脈搏上升。心率的計算根據(jù)兩個相鄰脈搏波的上升段的中間差值確定IBI值，由此可以推算BMP數(shù)值。圖六 心率采集算法圖一計算：心率的計算根據(jù)兩個相鄰脈搏波的上升段的中間差值確定IBI值，由此可以推算BMP數(shù)值圖七 心率采集算法圖二2.1.2 心率采集算法相關C語言程序程序只需附主程序！子程序介紹功能即可unsigned int rate10; / 數(shù)組來保存最后十個IBI值 unsigned

12、int amp = 120; / 用于保存脈沖波形的振幅，發(fā)送 /unsigned int temp =0 ; /溫度 unsigned int BPM=600; / 用于保存脈沖速率 unsigned int IBI = 600; / 持有次之間的時間 unsigned int Peak =512; /初始化 心跳峰值 unsigned int Trough = 512; /用來尋找脈搏波最小值，發(fā)送 unsigned int thresh = 512; /初始化 心跳最小值 _Bool Pulse = false; /脈沖波高，真。假時，低 _Bool firstBeat = true;

13、/ 用于啟動 發(fā)送速率數(shù)組 _Bool secondBeat = false; / 用于啟動 發(fā)送速率數(shù)組 _Bool QS = false; / 為真時，發(fā)現(xiàn)了一拍心跳節(jié)拍。 unsigned int Signal; / 持有傳入的原始數(shù)據(jù) unsigned long sampleCounter = 0; / 當前時間 unsigned long lastBeatTime = 0; / 上個心跳時間 unsigned long time; /用于記錄時間采樣：主要通過ADC12采樣脈搏模擬信號，采樣頻率為500Hz。void init_adc12(void) P6SEL = 0x01; /

14、p6.0 ADC輸入 ADC12CTL0 &= ENC; ADC12CTL0 = ADC12ON+MSC+SHT0_0; ADC12CTL1 = SHP+CONSEQ_1+ADC12SSEL1 ; ADC12MCTL0 |= INCH_0+MSC; ADC12IE = 0x03; ADC12CTL0 |= ENC; #pragma vector = ADC12_VECTOR /ADC數(shù)據(jù)_interrupt void ADC12(void) Signal = ADC12MEM0 / 4; 2.2 程序代碼（見附錄）三、測試方法與誤差分析1、測試方法1、通過USB給系統(tǒng)供給5V直流電2、

15、確認電源指示燈點亮系統(tǒng)正常工作3、將傳感器通過綁帶綁在指尖，需指尖感到一定的壓迫感即可。4、將程序從電腦加載到單片機進行調(diào)試5、通過液晶屏幕獲得相應的心率測量數(shù)據(jù)，并模擬心率失常環(huán)境，檢測警報信號是否正常發(fā)出。2、誤差分析經(jīng)過大量的反復的測量，獲得該設備心率測量數(shù)據(jù)與參考設備測量數(shù)據(jù)之間的誤差（參考設備選用IHEALTH生產(chǎn)腕式血壓計,誤差在6%）下面對部分采樣結果和計算方法進行介紹。令設備測得的心率數(shù)值為（),參考設備測得的心率數(shù)值為（)， (1)其中設樣本的平均值為，方差為，則通過方差的計算公式知： （2）其中 （3）其中下圖為三次隨機測量的結果的統(tǒng)計圖：需要做簡略分析，圖形需做說明圖八

16、誤差統(tǒng)計圖一圖九 誤差統(tǒng)計圖二圖十 誤差統(tǒng)計圖三 經(jīng)過大量的實驗，使現(xiàn)有的心率采集算法能夠達到與參考設備獲得數(shù)據(jù)相比4%以內(nèi)的誤差。四、市場應用及價值這部分可在前言介紹。最后應該寫研究展望，以及后續(xù)拓展 本產(chǎn)品可以廣泛的適用于家庭遠距離監(jiān)護、中小型醫(yī)療機構的檢測網(wǎng)絡的構建、體育運動分析和一些關于人體狀況的研究，比如人體情感控制類的科研數(shù)據(jù)采集等方面。在國內(nèi)的相關產(chǎn)品中，功能類似的產(chǎn)品存在著價格昂貴，體積巨大，測定時間過長，數(shù)據(jù)傳輸距離有限，操作繁瑣，顯示的數(shù)值只是離散的單位時間點，沒有橫向的數(shù)據(jù)分析功能，存儲空間有限等缺點。隨著老齡化社會到來以及國內(nèi)醫(yī)療科研領域的熱門化，其具備的市場空間正在急

17、劇擴大，通過這種智能化，靈活性高的產(chǎn)品來構成的相關醫(yī)療設備會更加得到消費者的青睞。例如老年人口增多，年輕人無法在身邊長時間陪護；部分中小型醫(yī)療機構缺乏資金購置昂貴的設備；對于運動員運動過程中全程的心率數(shù)據(jù)分析；應用到科學研究中，如人體情感控制需要大量的數(shù)據(jù)分析而相關的產(chǎn)品功能缺失或性能低等等問題，都可以得到有效的解決，其能夠擁有很大的經(jīng)濟效益，并且在未來還可以通過模塊的增加為其提供更多的發(fā)展空間和市場前景。五、作品實際圖片圖十一 作品實際圖片參考文獻1 洪利，李世寶，章?lián)P.MSP430單片機原理與應用實例詳解 M. 北京：北京航空航天大學出版社2 譚浩強.C程序設計（第三版）M.北京：清華大學

18、出版社3 康華光.電子技術基礎·模擬部分（第五版）M.北京:高等教育出版社4 Steve Summit. C Programming FAQsfrequently asked questions M. Commonwealth of Massachusetts, Boston: Addison Wesley附錄：附錄還應有硬件設計原理圖，PCB等軟件主程序#include <msp430x14x.h>#include "driver.c"#include "Config.h" /配置msp430頭文件，與硬件相關的配置在這里更改#i

19、nclude "LCM-DRV_CFG.h"#include "LCM-DRV_DISP.h"#include "LCM-DRV_TOUCH.h"#include "LCM-DRV_CAN.h"#include "uart.h"unsigned char i,j,k=0,count=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 ; /坐標

20、軸6點 原點（10,270） uchar DisBuff4=0; /顯示心率數(shù)據(jù)值 /*/ 系統(tǒng)時鐘初始化，外部8M晶振/*void Clock_Init() uchar i; BCSCTL1&=XT2OFF; /打開XT2振蕩器 BCSCTL2|=SELM1+SELS; /MCLK為8MHZ，SMCLK為8MHZ do IFG1&=OFIFG; /清楚振蕩器錯誤標志 for(i=0;i<100;i+) _NOP(); while(IFG1&OFIFG)!=0); /如果標志位1，則繼續(xù)循環(huán)等待 IFG1&=OFIFG; /*/ 主函數(shù)/*void mai

21、n(void) WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; /關閉看門狗 Clock_Init(); /系統(tǒng)時鐘設置 UART_Init(); /串口設置初始化 TFT與單片機通信方式232 init_adc12(); /adc心率采集初始化 TACCTL0 = CCIE; TACCR0 =16000; TACTL = TASSEL_2 + MC_1 + TACLR; /*驅動測試*/ /重啟液晶 LCDDispText(HZLIB_GB2312_24X24,CHAR_FB_MODE,0,0,"LCD RESET. "); delayms(1500); LCDRes

22、et(); LCDClearScreen(); delayms(1500); LCDDispSolidRectangle(0xF800,0x07E0,10,10,400,270);/畫填充矩形 LCDClearScreen(); LCDDispDot(0x00,6, b); / delayms(1500); /畫點 LCDDispLines(0x00,6, b); delayms(1500);/* LCDDispSolidRectangle(0xF800,0x07E0,10,330,400,590);/畫填充矩形 LCDDispSolidRectangle(0xF800,0x07E0,440,

23、10,800,270);/畫填充矩形 delayms(1500); LCDClearScreen(); for(i=0;i<=8;i+) for(j=0;j<=6;j+) ak0=100*i;ak1=50*j;k+=1;if(k>=48)k=0; LCDDispDot(0x00,48, a); LCDDispLines(0x00,48, a); delayms(1500);LCDClearScreen(); LCDDispArcSector(0x00,0xF800, 0x0064, 0x0030, 0x0032, 0x0000, 0x00B4);/畫圓弧或扇形 delayms

24、(1500);LCDClearScreen(); LCDDispFreeLines(0x0005,0x0020,0x0135,0x001F,2,FreeLineCordn); /動態(tài)曲線顯示 delayms(1500);LCDClearScreen(); LCDDispSpectrum(0x0020, 0x0135, 3, 0x0128, SpectrumHigh); delayms(1500);LCDClearScreen(); LCDDrawPolylineByFixedXoffset(0x0020,0x0008,3, OffsetDotYposi); delayms(1500);LCDC

25、learScreen(); LCDDrawPolylineByAnyOffset(0x0020,0x0008,3,OffsetDotposi); delayms(1500);LCDClearScreen(); LCDDispTextSimply(0, 0x00F0, 0x0088, "Hello!"); delayms(1500);LCDClearScreen(); LCDDispAscii(0x01, 0x00, 0x00F0, 0x0088, AsciiBuf,sizeof(AsciiBuf); delayms(1500);LCDClearScreen(); LCDDi

26、spDot(0x00,80, DotCordn); /畫點 delayms(1500);LCDClearScreen(); */ _EINT(); /開中斷 while(1) if(QS = true) count+; LCDDispAscii(0x01,0,100, 100, DisBuff, 4); if(count=0) cout0=270-BPM; else if(count=1) cout1=270-BPM; else cout0=cout1;cout1=270-BPM; LCDDrawPolylineByFixedXoffset(15+n*20, 20, 2, cout);n+;

27、if(n>18) n=0; LCDSetFillWithGroundColor(0x00, 0x11, 0x20, 0x360, 0x269); QS = false; #pragma vector = ADC12_VECTOR_interrupt void ADC12(void) Signal = ADC12MEM0 / 4; #pragma vector=TIMERA0_VECTOR _interrupt void TIMER1_A0_ISR(void) unsigned int runningTotal = 0; unsigned char i =0; ADC12CTL0 |= ADC12SC; _DINT(); sampleCounter += 2; time=sampleCounter - lastBeatTime; if(Signal < thresh) && (time > (IBI/5)*3) if (Signal < Trough) Trough = Signal; /取最小值 if(Signal > thresh) && (Signal > Peak) Peak = Signal; /取最大值 if (time >