柳海華，盧路瑤，朱秀委
?。刂葆t科大學 信息與工程學院，浙江 溫州，325035）
摘要：為了減小設備體積，提高系統的靈活性，提出了一種采用STC12單片機、光電式傳感器和NRF24L01的無線脈搏監測系統，給出了該系統的硬件和軟件設計的具體方案，展示并分析了系統運行結果。該系統在10 m范圍內可實時地監測脈搏信號，在軟件界面中可顯示、分析和保存數據，在發現生理參數異常時發出報警，適用于病人監護，具有一定實用價值。
關鍵詞：STC12C5A60S2；光電式脈搏傳感器；NRF24L01；串口通信
0引言
中西醫研究表明，脈搏波蘊藏著豐富的生理病理信息，在預防疾病、診斷治療、保健康復等各個方面發揮著重要作用［1］。目前的脈搏信號監測系統中，傳感器類型主要包括光電式、液體耦合腔式、壓阻式以及應變式等［23］。其中，液體耦合式傳感器的制作過程較為復雜且抗干擾差，壓阻式傳感器的實時性差且誤差較大，而應變式脈搏傳感器存在較大的非線性。相比之下，光電式傳感器具有制作方便、精度較高、成本較低及線性度較好等優點，因而得以廣泛應用。此外，大量導線的使用增大了系統規模和復雜度，同時降低了系統的便攜性和擴展性，因此無線傳輸技術日益普遍［4］。
基于上述分析，本設計采用STC12C5A60S2單片機、光電式脈搏傳感器和NRF24L01無線收發模塊完成了一個無線脈搏信號監測系統。該系統先通過下位機采集電路對使用者的脈搏信號進行提取、去噪和放大處理，再以無線傳輸方式發送給連接PC的接收電路，接著上位機軟件從串口接收數據實時顯示波形，并進行參數（例如心率、脈搏間隔等）分析、參數異常報警和數據存儲等。本系統不僅能對使用者進行脈搏實時診斷和分析，也可用于后續的數據統計和長期跟蹤，有助于使用者生理狀態的有效監測，具有一定的實際應用價值。
1系統總體設計
本系統的總體結構由6部分組成：電源模塊、采集模塊、單片機控制單元、無線模塊、串口通信模塊、上位機模塊。系統的總體結構框圖如圖1所示。
系統前端采用光電式脈搏傳感器，將人體的脈搏信號轉化為電壓信號。由于人體的脈搏信號微弱（毫伏電壓），頻譜范圍包含工頻干擾，因此需通過前置放大、高低通濾波、二級放大等處理［5］。從傳感器獲得的初始信號經過適當放大和處理之后，通過單片機控制的AD轉換器將模擬信號轉換為數字信號，繼而通過無線模塊實現信號的無線發送與接收。接收模塊收到的數據通過串口通信電路傳輸至計算機的串口，最終由上位機軟件對串口進行掃描而讀取。上位機軟件可實時顯示接收到的脈搏信號波形，進行數據處理、分析和監視，也可存儲數據以備后續統計與回訪。為了保證系統中不同芯片的正常工作，本設計還包含了雙電壓輸出的電源模塊。
2系統硬件設計
2.1單片機控制單元
單片機是整個系統的核心，主要負責啟動AD轉換、配置無線發送與接收、與上位機通信等工作。本系統采用STC12C5A60S2單片機，其指令代碼與傳統的8051單片機兼容，工作電壓為3.3~5.5 V，工作頻率范圍為0~40 MHz，自帶8路10位AD轉換器，處理速度比傳統8051快8~12倍。本系統單片機最小系統的晶振為11.059 2 MHz，5 V電源供電，采集轉換頻率為100 Hz，由定時程序控制，即每10 ms啟動一次AD轉換。
2.2采集模塊
采集模塊的核心器件是傳感器，它的性能直接影響整個系統的穩定性和精準性。因此，本設計采用綜合性能優良的光電式脈搏傳感器來完成，它可分為光源和光接收器兩個主要部分。光源部分采用的是峰值波長為515 nm的綠光LED，型號為AM2520；光接收器的敏感峰值為565 nm，型號為APDS9008。據相關文獻和實驗結果表明，560~650 nm光波可較好地反映皮膚淺部微動脈信息，適合用來采集分析人體脈搏信號［6］。因此，本設計采用的傳感器能有效收集脈搏信息，且靈敏度較高。此外，脈搏信號的頻帶范圍為0.05~200 Hz，信號幅度是毫伏級的小信號，容易受到各種干擾。因此，在傳感器后面連接一個低通濾波器和一個由運放MCP6001為核心的放大器，將初級脈搏信號放大300倍左右。同時，采用分壓電阻設置直流偏置電壓為電源電壓的1/2，使輸出信號更容易被單片機的AD采集，并由單片機的P1.7口輸入。傳感器相關電路圖如圖2所示。
2.3無線通信模塊
實現無線數據傳輸，可減少設備復雜性，提高系統靈活性。本系統以NRF24L01模塊為核心來實現脈搏數據在采集和接收模塊之間的遠程無線傳輸，類似工作可參見參考文獻［7］、［8］。單片機通過AD轉換將脈搏信號數字化后，將轉換結果傳給NRF24L01模塊進行無線發送。無線模塊的工作參數（包括信道、發送功率、發送頻率等參數）由單片機配置。接收電路中的NRF24L01模塊的工作參數也由單片機配置，且要求與發送端匹配。發送和接收的NRF24L01模塊和單片機的連接如圖3所示。
CE引腳與P1.2引腳連接，CSN引腳與P1.3引腳連接，SCK引腳與P1.1引腳連接，MOSI引腳與P1.4引腳連接，MISO引腳與P1.0引腳連接、IRQ引腳與P1.6引腳連接。
2.4串口通信模塊
串口通信模塊主要負責將接收到的數據傳給上位機，本設計采用MAX232EPE來完成。由于串口一次最多只能通過8位二進制數，而單片機自帶AD轉換一次能產生10位的二進制數，因此要將10位數據分解成高2位和低8位。串口通信采用經典設置，即波特率9 600 b/s、校驗位N、數據位8、停止位1。
2.5電源模塊
由于本系統采用的單片機的供電要求為5 V，而無線收發模塊的供電要求為3.3 V，因此要求電源模塊能輸出兩種電壓。其中，+5 V是由輸出電壓9 V、輸出功率9 W的交流變壓器、整流橋及7805芯片組成的電路產生的；+3.3 V是由5 V電源經LM1117芯片穩壓和濾波后產生的。
3系統軟件設計
為了保證系統正常穩定運行，需要良好的下位機硬件驅動程序和上位機軟件界面。該系統的下位機軟件是采用基于Keil C 集成開發環境的C語言進行設計和開發的，上位機的軟件界面主要利用VB編程語言編程實現。
3.1下位機軟件設計
下位機軟件由以下子程序組成：AD轉換控制程序、定時器程序、NRF24L01發送子程序、NRF24L01接收子程序和串口發送程序。模擬信號從P1.7輸入單片機經過10位精度的AD轉換。AD轉換受定時程序的控制，定時程序達到設定閾值則啟動AD轉換，轉換并發送數據完成后AD使能端被禁止，AD啟動轉換的頻率被設定為100 Hz。兩個NRF24L01模塊分別由兩個單片機控制，不斷發送和接收數據，接收數據的單片機通過串口查詢法不斷將接收到的數據傳給上位機。由于AD轉換的結果是10位的二進制數，因此在串口發送之前要先將10位的二進制數拆成2個8位二進制數（高2位和低8位，分別存于ADC_RES和ADC_RESL兩個寄存器中）才能通過串口發送。
NRF24L01相關子程序的主要任務是：先進行片選，即選好引腳P1.2并置低電平，再對芯片的狀態、功率等參數進行配置，具體如表1所示。
系統軟件程序流程圖如圖4所示。
3.2上位機軟件設計
上位機軟件采用VB語言編程實現。主界面包括數據顯示區、快捷功能鍵、生理參數顯示、串口選擇和報警提示等部分。為了顯示從串口讀取的數據，采用iplot控件（集成C語言）作為畫圖工具。橫縱坐標根據輸出信號的強度能進行自動調節，實際運行時，先要對兩次接收到的數據相加得到一個完整的數據，并通過不同時刻得到的數值進行比較得到波峰，記錄當時的時刻，應用同樣的方法判斷出下一個波峰與時刻，將這一系列的數據由iplot控件進行繪圖［9］。
快捷功能鍵主要包括圖形區放大、縮小和數據保存等功能，另外的功能還在開發中，例如打印、自動縮放、注釋等。生理參數顯示暫時只考慮脈搏頻率，其算法如下：取10 s左右長度的數據，用上述方法檢測出每個周期中的峰值，對5個峰峰間期取平均得到準實時的脈搏頻率［10］。串口選擇功能是為了滿足上位機軟件對多個下位機采集電路的管理而設計的。盡管目前軟件只能顯示一個通道的數據變化情況，但預留了多通道顯示的功能。報警提示功能是通過label控件來展示的，當上位機軟件對一段時間的數據進行顯示、處理和分析后，若發現生理參數超出正常范圍則開始報警［11］。
4系統運行結果
系統運行時的上位機軟件界面如圖5所示。
顯示的參數包括：實時脈搏波形［12］、計算得到的心率、參數異常報警提示。軟件還具有數據存儲功能，以便于數據回訪和統計分析，對使用者的脈搏參數進行長期跟蹤。與標準儀器的測量結果（示波器采集顯示如圖6所示）對比發現，本系統采集到的脈搏信號顯示結果與之接近，從而同時驗證了下位機信號采集、無線收發模塊工作正常。其中，針對無線模塊的性能測試結果表明，在15 m2內無障礙物環境下，數據傳輸流暢且無失真，按照每秒100個數據采集的速率計算，數據傳輸速度可達125 B/s。
5結論
本設計以STC12C5A60S2單片機、光電式脈搏傳感器和NRF24L01無線收發模塊為核心，完成了一個無線脈搏信號的實時監測系統。經測試，本系統可將被測人員的脈搏信號實時地顯示在上位機軟件中，顯示結果與標準的示波器結果相吻合，在大約15 m2內系統運行穩定。除脈搏信號的實時顯示，該系統還支持簡單的數據分析（脈搏頻率及強度等），并能實現閾值可調的報警監護功能。本系統為人體脈搏等生理信號監測系統的研發工作提供了一個實用案例，具有一定的實用價值和參考意義。下一步的工作中還可進一步完善本系統的軟硬件功能。
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