一款心率戒指的设计

  作者:杨风健1,孙艳红2,赵宏杰2 (1.吉林医药学院 生物医学工程学院,吉林 吉林 132013;2.吉林市中医院,吉林 吉林 132011) 时间:2021-04-09来源:电子产品世界

编者按:本文介绍了一款心率戒指的设计,利用光电传感器检测食指指间动脉的PPG信号,并对该信号进行放大、滤波处理,再利用STM32F103C8T6单片机内置A/D转换模块进行模拟/数字信号的转换和采样,最后编写单片机程序,通过FFT算法提取心率信息,另具有心率显示、蓝牙通信、运动检测功能。本文详细论述了电路的设计思路、原理以及元器件参数,经测试,在运动幅度较小时,该电路可以实现对心率信号的稳定检测,在进行周期性幅度较大的运动时,尚需研究合适的算法消除运动伪差。

作者简介:杨风健(1987—),男,硕士,吉林医药学院教师。

0   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,对于可穿戴、人性化的健康产品,受到了人们广泛的关注[1]。生活中,戒指是一种穿戴饰品,因其美观、小巧、不影响生活受到人们的广泛喜爱,传统戒指功能相对单一,仅具有装饰作用,已无法满足人们对于穿戴类产品的智能化需求。目前,国内外检测心率的主要方法为:动脉血压法,光电测量法,动脉血压法,而比较适合在穿戴式设备上使用的方法为光电测量法[2],因此,本文基于光电测量法设计了一种具有心率检测、运动计步、蓝牙通信、锂电池供电、可充电功能的心率戒指。

1   设计思路

1.1 手指PPG信号检测

食指指间动脉循行如图1所示,根据人体动脉网络在手上的分布,可发现在每根手指两侧均有动脉血管走行,而食指指间动脉血流量相比其他手指更强一些,同一根手指的指根部位搏动最强,因此,本文选择的食指的手指根部内侧作为PPG信号的采样点。尽管如此,手指的PPG信号依然相对较弱,而且受限于电路体积。因此,PPG信号的采集与处理仍然是本设计的一大难点。

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图1 手指动脉走行示意图

1.2 电路总体设计

电路总体设计框图如图2所示,主要包括的电路单元有:STM32F103主控制器电路、MPU6050加速度传感器电路、OLED显示电路、蓝牙通信电路、报警电路、锂电池供电电路、光电传感器与信号调理电路。

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图2 系统硬件电路框图

2   电路设计

2.1 PPG信号检测单元

为了尽可能降低电路板占用戒指的体积与空间,同时为了降低成本,便于改进,将PPG信号的检测电路单独设计成一块电路板,该电路板与主控板相分离,并通过软线连接,进行信号的传输控制。

具体电路如图3所示,其中光电传感器选择的至关重要,因为整个戒指的体积较小,导致锂电池的容量较低,电路设计的每一个环节均需考虑功耗的问题,本设计中,光电传感器的型号为SON7015,其工作电流只有0.2 mA,传感器尺寸4 mm×2 mm×1 mm,内部集成2个绿光LED及前置放大电路,外围电路也非常简单,非常适用于手指动脉的PPG信号检测。该电路中,只有在接收到单片机控制信号时才驱动LED发光,为了降低电流消耗,可采用具有一定占空比的方波进行驱动,在经过SON7015内部的前置放大后,输出信号经过一级带通滤波及放大处理,该滤波器电路的中间电平为1.5 V,以此来实现PPG信号围绕1.5 V电平进行波动,便于后期将信号送入单片机A/D进行采样处理。

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该部分电路在布线时,需要尽量节省空间,电阻电容皆可选择0402封装,运算放大器选择SSOP封装。

2.2 主控制器单元

主控制器选择STM32F103C8T6单片机,内部自带A/D转换硬件电路[3],可以减少电路体积,同时由于需要进行一定信号滤波、FFT变换等信号的运算处理,因此对单片机的运算处理速度有一定要求,同时这款32位的单片机共有48管脚,相对来说,体积较小,因此综合考量,采用该单片机作为硬件的核心控制器,同时,为减小电路复杂度,缩小体积,时钟电路采用芯片内置的时钟电路,复位方式采用RC复位电路,辅以电阻、电容等单片机工作的最小系统电路。具体电路参见官方手册,本文不再赘述。

2.3 电池及供电单元

本设计中,采用300 mAh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,由于整个电路系统采用3.3 V电压供电,锂电池输出电压最高可达4.2 V,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3.3 V,最大电流可达150 mA,由于系统功耗较低,所以满足系统使用需求,具体电路如图4所示。

2.4 加速度传感&蓝牙通信单元

加速度传感器选用MPU6050芯片,辅以少量外围器件即可工作[4],并且采用I2C总线与主控制器进行数据通讯,占用I/O口线少,有助于PCB布线。蓝牙与通信模块采用TI公司出产的CC2640芯片,体积小,整个模块体积8 mm×8 mm,贴片封装,串口通信,比较适合在穿戴式设备上使用。

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3   软件设计

单片机程序设计需要实现以下功能:PPG信号显示、蓝牙数据双向传输、心率数据提取及显示。如图5所示,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、A/D转换程序、UART驱动程序。顶层应用程序主要包括:FFT心率提取程序、PPG信号显示程序、蓝牙数据通信程序等。

软件部分的核心为心率信号的提取,由于采用光电法进行PPG信号采样,不可避免地会引入运动伪差,因此如何从PPG信号中提取心率信号是心率戒指的1个核心问题[5],本设计中采用心率信号提取的主流程如下。

存储A/D采样到的PPG数据和MPU6050加速度传感器数据→PPG数据均值滤波处理→加速度传感器数据进行FFT变换,得到运动干扰信号频率→对PPG采样信号进行FFT变换→在PPG采样信号谱里面找到第1谱峰和第2谱峰→正常情况下,2个谱峰中有一个为心率信号,另一个为运动干扰信号→根据已知运动干扰信号频率,即可明确心率信号频率→心率(单位:bpm)=心率信号频率×60(s)。

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图5 主程序流程图

4   结语

最终实现的心率戒指如图6所示,OLED屏幕上可显示实时的PPG波形,同时每隔6 s更新1次心率值,并可将采集到的数据通过蓝牙上传到手机端.通过戒指的试制与测试,证实该方案可行,能够采集到手指上的PPG信号并计算得到心率,戒指体积大小可以接受,无明显不适,可充电。但是在剧烈运动的情况下,计算得到心率数值会产生失真,心率提取算法尚有待改进;体积方面可进一步缩小,例如可尝试采用柔性电路板制作电路,以使戒指的内部空间更加紧凑。

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图6 心率戒指实物图

参考文献:

[1] 杨风健,齐秋菊,郭红壮,等.可穿戴生理参数测量仪的设计[J].电子产品世界,2017,24(12):49-51+55.

[2] 辛毅.基于前项差分和动态阈值的PPG心率测量算法[J].电子产品世界,2019,26(09):27-29+26.

[3] 李浩.采用STM32F103芯片的红外测温仪设计[J].电子产品世界,2013,20(09):45-47+56.

[ 4 ] 龙恺, 龚涛.基于CMOS摄像头H M C 5 8 8 3 + M P U 6 0 5 0的模拟灭火训练系统[J].电子产品界,2015,22(11):62-64+67.

[5] 马艳阁.可穿戴式心率监测仪研究[D].天津:天津科技大学,2017.

(本文来源于《电子产品世界》杂志2020年9月期)

关键词: 心率 戒指 PPG FFT 202009

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