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可穿戴生理参数测量仪的设计

作者:杨风健 齐秋菊 郭红壮 赵晓磊 霍旭阳时间:2017-11-28来源:电子产品世界
编者按:本文介绍了一种可穿戴、多参数的生理参数测量仪的设计,生理参数测量仪以单片机STM32F103CBT6作为控制核心,具有体温测量、心率测量、血氧测量、血糖测量等功能,并具有可充电、可穿戴的特性,体积小、功耗低,可以套在指尖使用。本文详细论述了该系统各个部分的实现方法及工作原理,并给出相关电路原理图及程序流程图。

作者 杨风健 齐秋菊 郭红壮 赵晓磊 霍旭阳 吉林医药学院 (吉林 吉林 132013)

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201711/372161.htm

杨风健(1987-),男,硕士,研究方向:电路与系统专业、生物医学工程。

摘要:本文介绍了一种、多参数的生理参数测量仪的设计,生理参数测量仪以单片机STM32F103CBT6作为控制核心,具有测量、测量、测量、测量等功能,并具有可充电、的特性,体积小、功耗低,可以套在指尖使用。本文详细论述了该系统各个部分的实现方法及工作原理,并给出相关电路原理图及程序流程图。

引言

  随着人们生活水平的提高,健康、便携、智能的生活理念已深入人心,对于、人性化的健康产品,受到了人们广泛的关注[1]。生活中,人们希望对某些生理参数进行测量,一般包括:饱和度、[2],以便实时监测自己的健康状况。例如运动时测量有助于掌握运动强度,不至于对身体造成运动损伤,糖尿病患者可以利用本测量仪测量血糖状况。而目前市场上的可穿戴生理参数测量类产品功能单一、价格昂贵,一般只能进行1~2个参数的测量,无法进行多个生理参数的测量。为此,本文选用STM32F103CBT6单片机作为主控制器,辅以测量、心率测量、血氧测量、血糖测量等功能,设计了一款具有可穿戴、多参数、人性化程度高等特点的生理参数测量仪。

1 硬件设计

1.1 生理参数测量仪的工作原理

  生理参数测量仪的硬件系统主要由主控制器单元、血糖检测单元、体温检测单元、血氧/心率检测单元、按键单元、OLED显示单元组成。硬件系统框图如图1所示。

  按键单元与OLED显示单元提供人机交互的接口,通过按键操作可以启动血糖测量。采用64×48点阵OLED显示屏作为显示单元,其优点在于功耗较低,并且体积小,并且采用I2C总线通信方式,占用单片机总线少,适合在可穿戴设备上使用。

  采用ST公司的STM32F103CBT6单片机作为系统的主控制器,这是一款32位单片机,内部资源丰富,满足本系统的使用需求,采用48管脚SOP封装,体积相对较小。

1.2 血氧、心率检测单元

  血氧及心率检测采用MAXIM公司集成芯片MAX30102,这是一款集成的血氧和心率检测模块,包括内部的红外LED、红光LED、光电探测器和带有环境光抑制的低噪声电子元件,提供了一个完整的系统解决方案,使得血氧和心率检测功能易于在可穿戴设备上实现。

  电路如图2所示,其工作需要3.3V电压源和1.8V电压源,1.8V电源用于提供芯片工作电压,3.3V电压源用于给其内部的LED供电,电路中通过SPX1117-1.8V LDO线性稳压器获得1.8V电压,芯片管脚SCL、SDA为数据通信管脚,需要同MCU连接实现数据通信,INT为中断管脚,当芯片内部有中断产生时,会输出低电平,单片机可通过此管脚来判断是否有数据需要处理,INT管脚需要通过上拉电阻拉至高电平,推荐使用大于4.7kΩ的电阻。

  MAX30102具有不同的工作模式,可工作在血氧模式和心率模式下,同时内部带有FIFO,最多可以存储32个采样数据,所以处理器不需要在每次采样后都读取芯片数据,而是当FIFO满的时候再进行数据的读取。

1.3 血糖检测单元

  血糖的有创检测是直接从人体中抽取血液标本进行检测,目前,较经典的方法有光学法和酶电极法[3-4],本测量仪采用酶电极法进行血糖检测,利用血样与试纸中的氧化酶发生反应,产生自由电子,并在试纸电极两端加恒定激励电压,自由电子就会定向移动形成电流。血糖浓度不同,所产生的电流值也不同,并呈一定的线性关系,依据电流值的大小可计算出血糖值的大小。通过硬件电路对产生的电流值进行放大滤波,转换成可以被单片机内部A/D转换器识别的信号后转换成数字信号,进一步处理即可测得血糖值。

  如图3所示,为血糖检测电路,P1接口接血糖检测试纸,运放U7B用来提供0.3V直流偏压,因此U7A的同相端电压为0.3V,由运放虚短特性,反相端电压也为0.3V,当试纸滴入血样后,血样中的葡萄糖与试纸内的氧化酶发生反应,产生自由电子,自由电子在激励电压作用下产生定向移动,形成电流I,约10秒后电流趋于稳定,由此可以计算得到U7A输出电压为(10000*I+0.3)V,由于电流I很小,所以再利用INA333仪表放大器,对电压信号进行放大处理,通过单片机内部的A/D采样,换算出实际的血糖值,再送OLED显示。

1.4 体温检测单元

  体温是一项重要的生理参数,为了方便、快速实现体温测量,采用红外测温的方式实现非接触式人体温度测量,选用MELEXIS公司生产的MLX90614医用级红外测温传感器,用于人体测温只有±0.2℃的误差[5-6],温度分辨率为0.02℃,提供2线式SMBus通信接口,节省了单片机IO接口,外围电路简单,易于驱动,单片机读取温度数据后,送OLED显示,具体电路连接如图4所示。

1.5 锂电池充电管理单元

  生理参数测量仪采用200mAh的锂电池进行供电,电池体积较小,可充电,适用于在可穿戴设备上使用,为了对锂电池进行充电管理,采用了TP4054单节锂离子电池恒定电流 / 恒定电压线性充电芯片,其充电电流最高可达500mA ,集高精度预充电、恒定电流充电、恒定电压充电、电池状态检测、温度监控、充电结束低泄漏、充电状态指示等性能于一身,广泛应用于手持便携设备上。

  由于单片机采用3.3V电压供电,锂电池输出电压最高可达4.2V,因此需要对锂电池输出电压进行降压处理,选用TI公司的低压差稳压芯片TPS76333,输出电压3.3V,最大电流可达150mA,由于系统功耗较低,所以满足系统使用需求。

2 软件设计

  单片机程序设计采用模块化的分层编程设计思想,主要分为底层驱动程序和顶层应用程序,底层驱动程序主要包括:模拟I2C总线设备驱动、OLED液晶模块的驱动、AD转换程序、SMBus驱动程序,顶层程序主要包括:心率计算程序、血氧提取程序、体温数据读取和转换程序、血糖换算等。

  主程序流程如图6所示,接通电源后,首先进行系统的初始化设置,之后进入大循环,大循环中需要对温度、血氧、心率、血糖进行数据采集、转换和显示,其中人体体温数据可以通过MLX90614传感器接口函数直接读取,血氧和心率数据需要通过I2C总线读取MAX30102的采样数据,同时,由于读取的采样数据有干扰和波动,因此还需要进行数据的处理,来提取心率值和血氧值,对于血糖的测量并不是实时进行的,只有在需要的时候才启动血糖的测量,血糖测量的启动通过按键来控制,按键按下后,由于血糖检测时电流的稳定需要10秒种的时间,因此,在10秒钟之后,再读取AD转换的数据,根据计算公式算出实际的血糖值,大循环每循环一次,就要更新一次OLED显示数据,如此循环往复,系统中并没有设置休眠模式,但是设置了硬件电源开关,当无需测量时,直接断开电源开关,以实现最优的省电效果。

3 结论

  最终实现的生理参数测量仪的作品如图7所示, OLED屏幕上参数T为温度,HR为心率,SP2为血氧饱和度,GLU为血糖值,套在手指上即可实现血氧和心率的测量,体温测量须将红外传感器对准额头或者耳蜗处,血糖测量无需佩戴,只需要将浸入指尖血的血糖仪试纸插入试纸插口,再按下启动测量按钮,即可实现血糖检测,通过作品的试制与测试,证实该方案可行,各参数准确性较高,方便使用,可充电,易于携带,后续尚需进一步完善,加入蓝牙通信功能,上传各项参数到手机APP,可实现对各项生理参数的动态检测。

  参考文献:

  [1]许元.便携式生理参数检测仪的设计[J].河南科技,2014(6):140-141.

  [2]李严,张元亭.一种用于可穿戴式生理参数检测的集成电路[J].电子技术应用,2016,42(11):18-21.

  [3]王阳,张松,杨琳.血糖检测方法的研究现状[J].北京生物医学工程,2011,30(5):538- 542.

  [4]尚辉,王艳丽.血糖检测技术的研究进展[J].中国医疗设备,2009,24(10):50-51.

  [5]沙春芳.红外温度计MLX90614 及其应用[J].现代电子技术,2007,30(22):68-70.

  [6]郑贵林,刘丽莎.基于MLX90614 的非接触式测温仪[J].自动化仪表,2014,29(10):12- 15.

  本文来源于《电子产品世界》2017年第12期第49页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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