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 吉林医药学院 (吉林 吉林 132013)

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。

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，人们希望对某些生理参数进行测量，一般包括：血氧饱和度、心率、体温、血糖等^[2]，以便实时监测自己的健康状况。例如运动时测量血氧、血糖和心率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，辅以体温测量、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。