心率監(jiān)控及反饋系統(tǒng) 終稿

1、 第四屆“含弘杯”學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)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(shù)類 二一四年十月目錄目錄1摘要1關(guān)鍵詞1一、 前言1二、 工作原理11、 硬件部分11.1 信號(hào)采集模塊21.2數(shù)據(jù)處理模塊31.3 人機(jī)交互模塊31.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊31.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊41.6 報(bào)警模塊41.7 數(shù)據(jù)接收模塊52、 軟件設(shè)計(jì)部分52.1 心率采集算法原理及相關(guān)C語(yǔ)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(guān)C語(yǔ)言程序72.2 程序代碼（見(jiàn)附錄）8三、測(cè)試方法與誤差分析81、測(cè)試方法92、誤差分析9四、市場(chǎng)應(yīng)用及價(jià)值11五、作品實(shí)際圖片11參考文獻(xiàn)12附錄：

2、131摘要：心率一項(xiàng)能夠比較準(zhǔn)確反映人體身體狀況的生理指標(biāo)，通過(guò)對(duì)心率數(shù)值的連續(xù)測(cè)量來(lái)獲得準(zhǔn)確而客觀的數(shù)據(jù)分析，同時(shí)通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)將相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析存入SD卡中，同時(shí)通過(guò)NRF2401A模塊或GSM 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，有效地提高了心率測(cè)量?jī)x器的應(yīng)用范圍和分析的準(zhǔn)確性。摘要需要高度概括你這個(gè)項(xiàng)目，構(gòu)成，核心技術(shù)，突出點(diǎn)等。不能泛泛而談關(guān)鍵詞：心率測(cè)定 MSP430單片機(jī) NRF2401A模塊 GSM模塊1、 前言 隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)于健康的關(guān)注程度也在逐漸上升。我國(guó)的醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)存在著很大的發(fā)展空間，擁有巨大的市場(chǎng)潛力。心率是指心臟每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)，是一項(xiàng)能夠比較準(zhǔn)確的反

3、映出一個(gè)人身體狀況的生理指標(biāo)。通過(guò)心率的測(cè)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(gè)體的身體狀況分析。根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)的思想，可以依照用戶的需求進(jìn)行差異化的定制，從而得到相應(yīng)所需的產(chǎn)品，極大的擴(kuò)展了產(chǎn)品的使用范圍。同時(shí)通過(guò)程序的設(shè)計(jì)使其能夠?qū)τ跀?shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，使設(shè)備更加智能化，操作更加簡(jiǎn)便快捷。前言中應(yīng)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(shí)介紹。還應(yīng)對(duì)本作品有個(gè)基本的介紹。這樣太簡(jiǎn)潔了2、 工作原理盡量分成：系統(tǒng)概述（從整體來(lái)闡述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)），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(shè)計(jì)原理圖，或者模塊組成框圖 硬件部

4、分采用了模塊化的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)不同的模塊與基礎(chǔ)測(cè)量部分的搭配，從而達(dá)到擴(kuò)展功能的目的。硬件部分分為信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)接收模塊七個(gè)部分。信號(hào)采集模塊將采集到的信號(hào)輸入到MSP430單片機(jī)中，然后經(jīng)過(guò)單片機(jī)的處理，顯示在屏幕上，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)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(guò)NRF2401A模塊或GSM模塊進(jìn)行傳輸，一旦心率超出正常范圍，報(bào)警模塊將開(kāi)始工作，同時(shí)將報(bào)警信息通過(guò)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(hào)采集模塊 信號(hào)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(lái)測(cè)量。當(dāng)光束透過(guò)人體外周血管，由于動(dòng)脈搏動(dòng)充血容積變化導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變，此時(shí)由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并將其放大和輸出。其價(jià)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(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，用以分析脈搏變化以及實(shí)時(shí)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(jī)，其工作速度快，片內(nèi)存儲(chǔ)空間大，同時(shí)具備64個(gè)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(jìn)行

6、處理后再傳輸給下一級(jí)硬件部分。下圖為MSP430單片機(jī)：圖三 MSP430單片機(jī)1.3 人機(jī)交互模塊人機(jī)交互模塊采用的了10.1英寸的TFT觸摸彩屏，同時(shí)對(duì)控制部分進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)運(yùn)用工業(yè)化集成屏幕，使用觸摸進(jìn)行操作，使系統(tǒng)操作更加便捷。大屏幕增強(qiáng)了圖形顯示的效果，使人機(jī)交互的功能得到增強(qiáng)。 1.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊 為了適應(yīng)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(wú)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(wú)線通

7、信模塊可以直接將從單片機(jī)獲得的8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳送給同一頻段的接收端，空曠地區(qū)實(shí)測(cè)傳輸距離可達(dá)400米，接收端再將8位數(shù)據(jù)校驗(yàn)完成后輸出。圖四 NRF2401A無(wú)線傳輸模塊原理圖 遠(yuǎn)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(guò)2G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)以短信的形式發(fā)送到綁定的手機(jī)，工作性能穩(wěn)定。1.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊部分采用的是大容量SD卡存儲(chǔ)設(shè)備。其通過(guò)SPI總線與MSP430單片機(jī)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(shí)體積較小，具備極高的兼容性，方便數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。同時(shí)擴(kuò)大了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間和存儲(chǔ)效果。1.6 報(bào)警模塊 報(bào)

8、警模塊采用了蜂鳴器和屏幕共同工作的方式。當(dāng)報(bào)警模塊工作時(shí)，蜂鳴器開(kāi)始工作同時(shí)屏幕開(kāi)始間歇性點(diǎn)亮熄滅，從而起到發(fā)出警報(bào)的效果。1.7 數(shù)據(jù)接收模塊 在遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸中，采用手機(jī)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(wú)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(jī)來(lái)構(gòu)成，其能夠?qū)⒔邮盏降臄?shù)據(jù)顯示在LCD1602的屏幕上，同時(shí)在發(fā)送端發(fā)出警報(bào)信號(hào)時(shí)，在接收端的蜂鳴器工作進(jìn)行報(bào)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(shè)計(jì)部分需闡明：軟件設(shè)計(jì)總流程圖，軟件原理說(shuō)明2.1 心率采集算法原理及相關(guān)C語(yǔ)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(chǔ)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(shí)間 Pulse 脈沖波高，真;假時(shí)，低 QS 為真時(shí)，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(gè)字。IBI是連續(xù)兩個(gè)心拍之間的時(shí)間差，而B(niǎo)MP是心率值，表示心臟每分鐘

11、跳幾下，BMP=60/IBI。采樣：主要通過(guò)ADC12采樣脈搏模擬信號(hào)，采樣頻率為500Hz。濾波： 由于脈搏波在動(dòng)脈中的反射，往往會(huì)出現(xiàn)一個(gè)重脈波。為了避免這個(gè)重脈波的干擾，在程序中每隔0.6個(gè)IBI值跟蹤脈搏上升。心率的計(jì)算根據(jù)兩個(gè)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(jì)算：心率的計(jì)算根據(jù)兩個(gè)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(guān)C語(yǔ)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(lái)保存最后十個(gè)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(shí)間 unsigned int Peak =512; /初始化 心跳峰值 unsigned int Trough = 512; /用來(lái)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(shí)，低 _Bool firstBeat = true;

13、/ 用于啟動(dòng) 發(fā)送速率數(shù)組 _Bool secondBeat = false; / 用于啟動(dòng) 發(fā)送速率數(shù)組 _Bool QS = false; / 為真時(shí)，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(dāng)前時(shí)間 unsigned long lastBeatTime = 0; / 上個(gè)心跳時(shí)間 unsigned long time; /用于記錄時(shí)間采樣：主要通過(guò)ADC12采樣脈搏模擬信號(hào)，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(jiàn)附錄）三、測(cè)試方法與誤差分析1、測(cè)試方法1、通過(guò)USB給系統(tǒng)供給5V直流電2、

15、確認(rèn)電源指示燈點(diǎn)亮系統(tǒng)正常工作3、將傳感器通過(guò)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(jī)進(jìn)行調(diào)試5、通過(guò)液晶屏幕獲得相應(yīng)的心率測(cè)量數(shù)據(jù)，并模擬心率失常環(huán)境，檢測(cè)警報(bào)信號(hào)是否正常發(fā)出。2、誤差分析經(jīng)過(guò)大量的反復(fù)的測(cè)量，獲得該設(shè)備心率測(cè)量數(shù)據(jù)與參考設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)之間的誤差（參考設(shè)備選用IHEALTH生產(chǎn)腕式血壓計(jì),誤差在6%）下面對(duì)部分采樣結(jié)果和計(jì)算方法進(jìn)行介紹。令設(shè)備測(cè)得的心率數(shù)值為（),參考設(shè)備測(cè)得的心率數(shù)值為（)， (1)其中設(shè)樣本的平均值為，方差為，則通過(guò)方差的計(jì)算公式知： （2）其中 （3）其中下圖為三次隨機(jī)測(cè)量的結(jié)果的統(tǒng)計(jì)圖：需要做簡(jiǎn)略分析，圖形需做說(shuō)明圖八

16、誤差統(tǒng)計(jì)圖一圖九 誤差統(tǒng)計(jì)圖二圖十 誤差統(tǒng)計(jì)圖三 經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，使現(xiàn)有的心率采集算法能夠達(dá)到與參考設(shè)備獲得數(shù)據(jù)相比4%以內(nèi)的誤差。四、市場(chǎng)應(yīng)用及價(jià)值這部分可在前言介紹。最后應(yīng)該寫(xiě)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(yuǎn)距離監(jiān)護(hù)、中小型醫(yī)療機(jī)構(gòu)的檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、體育運(yùn)動(dòng)分析和一些關(guān)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(guó)內(nèi)的相關(guān)產(chǎn)品中，功能類似的產(chǎn)品存在著價(jià)格昂貴，體積巨大，測(cè)定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(shí)間點(diǎn)，沒(méi)有橫向的數(shù)據(jù)分析功能，存儲(chǔ)空間有限等缺點(diǎn)。隨著老齡化社會(huì)到來(lái)以及國(guó)內(nèi)醫(yī)療科研領(lǐng)域的熱門(mén)化，其具備的市場(chǎng)空間正在急

17、劇擴(kuò)大，通過(guò)這種智能化，靈活性高的產(chǎn)品來(lái)構(gòu)成的相關(guān)醫(yī)療設(shè)備會(huì)更加得到消費(fèi)者的青睞。例如老年人口增多，年輕人無(wú)法在身邊長(zhǎng)時(shí)間陪護(hù)；部分中小型醫(yī)療機(jī)構(gòu)缺乏資金購(gòu)置昂貴的設(shè)備；對(duì)于運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)過(guò)程中全程的心率數(shù)據(jù)分析；應(yīng)用到科學(xué)研究中，如人體情感控制需要大量的數(shù)據(jù)分析而相關(guān)的產(chǎn)品功能缺失或性能低等等問(wèn)題，都可以得到有效的解決，其能夠擁有很大的經(jīng)濟(jì)效益，并且在未來(lái)還可以通過(guò)模塊的增加為其提供更多的發(fā)展空間和市場(chǎng)前景。五、作品實(shí)際圖片圖十一 作品實(shí)際圖片參考文獻(xiàn)1 洪利，李世寶，章?lián)P.MSP430單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例詳解 M. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社2 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)（第三版）M.北京：清華大學(xué)

18、出版社3 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)·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(yīng)有硬件設(shè)計(jì)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(guān)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(biāo)

20、軸6點(diǎn) 原點(diǎn)（10,270） uchar DisBuff4=0; /顯示心率數(shù)據(jù)值 /*/ 系統(tǒng)時(shí)鐘初始化，外部8M晶振/*void Clock_Init() uchar i; BCSCTL1&=XT2OFF; /打開(kāi)XT2振蕩器 BCSCTL2|=SELM1+SELS; /MCLK為8MHZ，SMCLK為8MHZ do IFG1&=OFIFG; /清楚振蕩器錯(cuò)誤標(biāo)志 for(i=0;i<100;i+) _NOP(); while(IFG1&OFIFG)!=0); /如果標(biāo)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(guān)閉看門(mén)狗 Clock_Init(); /系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置 UART_Init(); /串口設(shè)置初始化 TFT與單片機(jī)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(qū)動(dòng)測(cè)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(huà)填充矩形 LCDClearScreen(); LCDDispDot(0x00,6, b); / delayms(1500); /畫(huà)點(diǎn) LCDDispLines(0x00,6, b); delayms(1500);/* LCDDispSolidRectangle(0xF800,0x07E0,10,330,400,590);/畫(huà)填充矩形 LCDDispSolidRectangle(0xF800,0x07E0,440,

23、10,800,270);/畫(huà)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(huà)圓弧或扇形 delayms

24、(1500);LCDClearScreen(); LCDDispFreeLines(0x0005,0x0020,0x0135,0x001F,2,FreeLineCordn); /動(dòng)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(huà)點(diǎn) delayms(1500);LCDClearScreen(); */ _EINT(); /開(kāi)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 >