基于MSP430单片机的红外便携式心率监测系统.docx

基于msp430单片机的红外便携式心率监测系统infrared portable heart rate monitoring system based on msp430张小驰，陈天华zhang xiao-chi, chen tian-hua（北京工商大学 计算机与信息工程学院，北京 100048）要：设计了一种基于msp430单片机的便携式心率监测系统。系统主要由超低功耗msp430芯片、 红外光电传感器、滤波与放大电路和无线传输模块组成，可以对心率进行实时监测，系统首 先对红外传感器检测的心率信号进行滤波和放大，msp430单片机对信号进行计算、处理，并 将监测结果通过nrf2401无线模块发送给监护中心。该心率监测系统体积小、功耗低，使用简 便，可实现24小时全天候监测，并具有异常心率监测和报警功能。摘关键词：心率监测；msp430单片机；低功耗；nrf2401中图分类号：tp393文献标识码：a文章编号：1009-0134(2014)06(下)-0154-03doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(下).43引言心率是心血管疾病诊断的重要生理指标。心0血管疾病是目前死亡率最高的疾病之一，而这类疾病发作的主要前兆是心率出现异常。对于心血 管疾病患者和高发人群来说，若能进行实时心率 监测，在发病之初进行及时抢救，患者的生存率 将会大幅提升。为此，本文提出了一种可以实时 监测心率，并且在情况异常时自动报警的小型心 率监测系统。该系统以msp430单片机为核心，融 合了无线传输技术，具有集成度高，低功耗及方 便携带等特点。图1系统架构框图22.1硬件设计430介绍本设计采用16位超低功耗msp430f149（简称f149），该单片机支持低电压供电，具有待机模式和掉电模式两种低功耗工作模式，16mhz主 频，3个16位定时器，一个比较器和48个通用i/o引 脚，适合便携式电子产品研发 。与msp430其他 型号相比，f149的特点是体积较小，这对于便携 式心率检测非常关键。2.2 数据采集模块数据采集模块包括红外传感器，滤波电路 和放大电路三部分。本设计采用的红外传感器 tcrt5000，由红外发光管和光敏三极管组成， 支持低电压供电，具有体积小、重量轻、灵敏度 高等优点。如图2所示， 传感器将采集到的电信 号传送到预处理电路，完成对心率信号的滤波和 放大处理。滤波电路是一个低通滤波网络，根据 心率信号特点，截止频率为3hz4hz左右。选择 r2=100k，c1=0.47uf时，截止频率为：1设计原理在心脏跳动的过程中，人体组织的半透明度会出现明显变化，这种现象在手指尖等部位尤为明显。根据该原理，通过红外光照射手指尖可以 获取人体心率数据。本文采用高可靠性红外光电 传感器测量手指脉搏信号，根据特定波长红外线 对血管末端血液微循环引起的血液容积变化的敏 感特性，检测心脏搏动所引起的指尖血液变化， 经具有滤波与放大功能的信号调理电路对信号进 行预处理，心率计数通过msp430的专用比较器实 现。脉搏信号经过滤波和放大之后送入msp430 单片机的比较器专用i/o口ca0或ca1进行心率计 数，系统设定了报警阈值以实现报警功能，当心 率超出人体正常值时，msp430单片机会通过spi 接口指示无线通信模块发出报警信息，并向监护 中心或监护人发出报警。系统架构如图1所示。1收稿日期：2014-04-20基金项目：北京市英才计划项目（19005353138）；国家级大学生科学研究与创业行动计划（sj201302025） 作者简介：张小弛（1991 -），男，北京人，硕士研究生，研究方向为智能信息处理、测控技术和数字医疗等。【154】 第36卷 第6期 2014-06(下)f=1/2pirc=1/2pi100k0.47uf=3.85hz由于红外传感器输出阻抗相对较小，所以放 大电路采用输入阻抗较小的反向放大器。反相 放大电路的优点是：若信号源阻抗偏低，采用 反相放大电路可以实现较高的信噪比。运放采 用体积小、成本低且具有频率补偿的lm358芯 片。在本系统中，红外传感器可以将脉搏信号转 换为-0.08v+0.2v的三角波。为了便于单片机检 测，信号需要放大a=-10倍，经计算得r2=1k， r3=10k。r4与r5的作用是将初始信号的电位抬 高，取r4=10k，r5=20k，当电源供电为3v时， 初始信号的电位提高1v，输出信号为-1v1.8v。发模式，一是在低速输入和高速输出时，nrf2401比一般情况下的功耗低，而且微处理器在低速 传输时能耗低；二是该模式下抗干扰能力强。此 外，nrf2401内置循环冗余校验进行纠错和检验， 数据的校验码在数据发射和接收时由nrf2401自动 添加和删除，不仅实现了低功耗，还可提高数据 传输效率和可靠性。2）接口电路设计 无线通信模块由nrf2401，晶振电路和天线构成。因为f149和nrf2401的端口电压相匹配，所以 f149和nrf2401之间可以采用i/o口直接连接，接 口电路如图3所示。c1 22pf 5vr4r6 1kr7 20k+ 33nf 1vcctcrt5000in8mc2 22pfv1 c9 10ufc17 10nfc161nfec1810nfc3 104vcc csndvcccsn clk 1 dr1 data1vss ant2 ant11.5pfr3vccl2ca0sckp2.3c6 10410knrf2401r4 20kc231pfirqpwr_upp3.0 p3.1l1 8.2nhl1p3.4data1r8 vdd_padr1in p5.1 ce10kdata1 p3.2p5.3 csnv2r2 1kc8r1 100k2.7nhxin xoutrstout1 2irqin-+ v3c7 0.1ujz2r5 10kmsp430f149c4 22pfc5 22pflm35812 c21 2.2nfc22 47pfjz3 16mhzr5 1m c19c20 22pf22pf 图2数据采集模块与f149的接口电路图3 无线通信模块接口电路数据采集模块的工作电压为3.3v，与单片机供电电压相同，所以数据采集模块可以通过ca0与 单片机直接进行通信，无需分压。图2中，ca0和 ca1是f149的比较器端口，ca0接收心率信号， ca1接参考电压。除ca1以外，参考电压还可以通 过比较器专用寄存器进行设定。当心率信号送入 单片机以后，单片机将心率信号与参考电压进行 比较，如果超过参考电压，那么单片机内部的计 数器就会加1，从而通过获取心率计数。2.3 无线通信模块设计1）nrf2401工作模式 nrf2401是nordic推出的2.4g单片无线射频收发芯片，具有体积小、低功耗等特点，工 作电压为3v，以-5dbm的功率发射时工作电流为 10ma11ma；不工作时可进入待机模式，能耗低2。 另外，nrf2401端口电压为1.9v3.6v，可直接和 f149的端口连接，降低了开发难度。本设计nrf2401所采用的工作模式是突发模 式。在突发模式下，数据以低速从微处理器送入 nrf2401，并以1.2mbit/s发射数据。之所以选择突nrf2401晶振频率与通信速率有关，频率越高通信速率就越快。突发模式下，nrf2401的通信速 率会超过1mbps，因此本文选择16mhz振荡频率。 ant1、ant2管脚是电磁波信号发送与接收端 口，电感l1、l2用来将ant1、ant2管脚产生的 电平信号转换为电磁波信号，或者将电磁波信号 转换为电平信号输入芯片的ant1、ant2管脚。nrf2401具有两组通道，本系统只使用了通 道1，其端口包含dr1,clk1和data1。f149具 备硬件spi接口：p3.1、p3.2、p3.3、p3.4、p5.1 和p5.2。通过spi接口，f149的控制信号和数据可 以与nrf2401进行交换。pwr_up、ce、cs由单 片机的p3.4、p5.1和p5.2配置，用于控制nrf2401 的工作模式。nrf2401接口引脚clk1为时钟信 号，data1为双向数据输入输出线。p3.3、p3.2 连接clk1和data进行单片机和无线芯片的数据 交换。dr1是通道1的数据请求端口，nrf2401处 于发送模式时，dr1为低电平。nrf2401处于接 收模式时，f149采用中断方式接收数据。dr1为第36卷 第6期 2014-06(下) 【155】gnd vccavcc xt2in xt2outdvss avss1 2irq vdd vss xc2 xc1vss dvdd vdd vss ireff149提供nrf2401接收数据成功的指示信号。当nrf2401成功接收数据后，dr1的电平置为高， p3.1捕获到dr1产生的外部中断信号，进而f149读 取数据。测前需要对nrf2401进行初始化，主要包括传输模式、传输速率、收发信道频率、发射功率、地 址、crc校验等。收发两端均在突发模式下进行 数据传输。发射端初始化完成后便进入发射工作模式， 此时需配置ce为高电平，f149将打包好的数据装 入nrf2401，发送端在数据发送完成之后进入接收 状态。为降低功耗，发送端每隔2s检测一次是否 收到接收端回应。发送端在10s内未收到接收端的 回应则自动进入待机状态，此时ce为低电平，若 收到回应，ce快速置高电平使得发送端重新进入 工作模式。为防止出现丢失数据包，接收端的检 测时间必须很短，本文接收端每隔0.5s进行一次数 据接收检测。若10s内没有收到数据包，接收端就 会进入待机模式。接收到数据包后，接收端发送 回应给发送端，数据传输完成，nrf2401收发流程 图如图4(b)所示。3软件设计软件包括心率监测和nrf2401两部分组成。本设计的开发环境为ccs，采用c语言开发。1）心率监测部分 心率监测之前首先对f149和nrf2401进行初始化，f149初始化主要包括定时器、看门狗、 报警阈值及比较器初始化，比较器初始化包含阈 值选择、比较器中断使能和比较器端口配置。比 较器阈值通过比较器a专用寄存器cactl1中的 carefx位来设定，本设计取值为2，比较器中 断与辅助定时器aclk有关，aclk的初值设为 12khz。本文单片机的p1.6口为信号输入端，这时 p2.3口需进行使能以便其具备信号输入端的功能。 图4(a)为心率监测程序流程，单片机经过初 始化之后就可以工作了，在监测过程中，单片机 每隔10s更新一次心率。人体正常心率在60120之 间，若心率检测超过阈值，系统会询问是否进行 体育锻炼，采用按键回答，对于非体育锻炼且持 续1分钟超限，系统自动启动无线模块给监护人发送报警信息。4结束语心率是人体健康状况的一项重要指标，本文提出了基于msp430单片机和红外传感器为核心的便携式实用心率监测系统，f149实现心率计算和 监测，nrf2401实现检测数据和报警信息传送，系 统采用低功耗和小型化设计。本心率监测系统可 以在短时间内提供使用者的心率信息，心率监测 数据可以发送给中心服务器或者社区医院等相关 机构，方便医护人员或监护人在第一时间了解到 使用者的健康信息。参考文献：1谢兴红,林凡强,吴雄英.msp430 单片机基础与实践m.北京:北京航天大学出版社,2008.nordic semiconductor. nrf24l01 single chip 2.4 ghz transceiver product specifi cationeb/ol.(2007-xx-xx) 2013-05-03./eng/ products/2.4ghz-rf/nrf24l01. 严林祥,张红雨.基于nrf24l01 的防拆卸有源电子标签 设计j.电子技术应用,2013,39(08):44-46. 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