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，研讨方向：电路与体系专业、生物医学工程。
摘要：本文介绍了一种可穿戴、多参数的生理参数丈量仪的规划，生理参数丈量仪以单片机STM32F103CBT6作为操控中心，具有体温丈量、心率丈量、血氧丈量、血糖丈量等功用，并具有可充电、可穿戴的特性，体积小、功耗低，能够套在指尖运用。本文详细论说了该体系各个部分的完成办法及作业原理，并给出相关电路原理图及程序流程图。
导言
跟着人们日子水平的进步，健康、便携、智能的日子理念已家喻户晓，关于可穿戴、人性化的健康产品，受到了人们广泛的重视[1]。日子中，人们期望对某些生理参数进行丈量，一般包含：血氧饱和度、心率、体温、血糖等[2]，以便实时监测自己的健康情况。例如运动时丈量血氧、血糖和心率有助于把握运动强度，不至于对身体构成运动损害，糖尿病患者能够运用本丈量仪丈量血糖情况。而现在市场上的可穿戴生理参数丈量类产品功用单一、价格昂贵，一般只能进行1~2个参数的丈量，无法进行多个生理参数的丈量。为此，本文选用STM32F103CBT6单片机作为主操控器，辅以体温丈量、心率丈量、血氧丈量、血糖丈量等功用，规划了一款具有可穿戴、多参数、人性化程度高级特色的生理参数丈量仪。
1 硬件规划
1.1 生理参数丈量仪的作业原理
生理参数丈量仪的硬件体系首要由主操控器单元、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显现单元组成。硬件体系框图如图1所示。
按键单元与OLED显现单元供给人机交互的接口，经过按键操作能够发动血糖丈量。选用64×48点阵OLED显现屏作为显现单元，其长处在于功耗较低，而且体积小，而且选用I2C总线通讯办法，占用单片机总线少，适合在可穿戴设备上运用。
选用ST公司的STM32F103CBT6单片机作为体系的主操控器，这是一款32位单片机，内部资源丰富，满意本体系的运用需求，选用48管脚SOP封装，体积相对较小。
1.2 血氧、心率检测单元
血氧及心率检测选用MAXIM公司集成芯片MAX30102，这是一款集成的血氧和心率检测模块，包含内部的红外LED、红光LED、光电探测器和带有环境光按捺的低噪声电子元件，供给了一个完好的体系解决计划，使得血氧和心率检测功用易于在可穿戴设备上完成。
电路如图2所示，其作业需求3.3V电压源和1.8V电压源，1.8V电源用于供给芯片作业电压，3.3V电压源用于给其内部的LED供电，电路中经过SPX1117-1.8V LDO线性稳压器取得1.8V电压，芯片管脚SCL、SDA为数据通讯管脚，需求同MCU衔接完成数据通讯，INT为中止管脚，当芯片内部有中止发生时，会输出低电平，单片机可经过此管脚来判别是否有数据需求处理，INT管脚需求经过上拉电阻拉至高电平，引荐运用大于4.7kΩ的电阻。
MAX30102具有不同的作业形式，可作业在血氧形式和心率形式下，一起内部带有FIFO，最多能够存储32个采样数据，所以处理器不需求在每次采样后都读取芯片数据，而是当FIFO满的时分再进行数据的读取。
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，现在，较经典的办法有光学法和酶电极法[3-4]，本丈量仪选用酶电极法进行血糖检测，运用血样与试纸中的氧化酶发生反响，发生自由电子，并在试纸电极两头加安稳鼓励电压，自由电子就会定向移动构成电流。血糖浓度不同，所发生的电流值也不同，并呈必定的线性关系，依据电流值的巨细可核算出血糖值的巨细。经过硬件电路对发生的电流值进行扩大滤波，转化成能够被单片机内部A/D转化器识其他信号后转化成数字信号，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接口接血糖检测验纸，运放U7B用来供给0.3V直流偏压，因而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响，发生自由电子，自由电子在鼓励电压作用下发生定向移动，构成电流I，约10秒后电流趋于安稳，由此能够核算得到U7A输出电压为(10000*I+0.3)V，因为电流I很小，所以再运用INA333外表扩大器，对电压信号进行扩大处理，经过单片机内部的A/D采样，换算出实践的血糖值，再送OLED显现。
1.4 体温检测单元
体温是一项重要的生理参数，为了便利、快速完成体温丈量，选用红外测温的办法完成非触摸式人体温度丈量，选用MELEXIS公司出产的MLX90614医用级红外测温传感器，用于人体测温只要±0.2℃的差错[5-6]，温度分辨率为0.02℃，供给2线式SMBus通讯接口，节省了单片机IO接口，外围电路简略，易于驱动，单片机读取温度数据后，送OLED显现，详细电路衔接如图4所示。
1.5 锂电池充电办理单元
生理参数丈量仪选用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运用，为了对锂电池进行充电办理，选用了TP4054单节锂离子电池安稳电流 / 安稳电压线性充电芯片，其充电电流最高可达500mA ，集高精度预充电、安稳电流充电、安稳电压充电、电池状况检测、温度监控、充电完毕低走漏、充电状况指示等功用于一身，广泛使用于手持便携设备上。
因为单片机选用3.3V电压供电，锂电池输出电压最高可达4.2V，因而需求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，因为体系功耗较低，所以满意体系运用需求。
2 软件规划
单片机程序规划选用模块化的分层编程规划思维，首要分为底层驱动程序和顶层使用程序，底层驱动程序首要包含：模仿I2C总线设备驱动、OLED液晶模块的驱动、AD转化程序、SMBus驱动程序，顶层程序首要包含：心率核算程序、血氧提取程序、体温数据读取和转化程序、血糖换算等。
主程序流程如图6所示，接通电源后，首要进行体系的初始化设置，之后进入大循环，大循环中需求对温度、血氧、心率、血糖进行数据收集、转化和显现，其间人体体温数据能够经过MLX90614传感器接口函数直接读取，血氧和心率数据需求经过I2C总线读取MAX30102的采样数据，一起，因为读取的采样数据有搅扰和动摇，因而还需求进行数据的处理，来提取心率值和血氧值，关于血糖的丈量并不是实时进行的，只要在需求的时分才发动血糖的丈量，血糖丈量的发动经过按键来操控，按键按下后，因为血糖检测时电流的安稳需求10秒种的时刻，因而，在10秒钟之后，再读取AD转化的数据，依据核算公式算出实践的血糖值，大循环每循环一次，就要更新一次OLED显现数据，如此循环往复，体系中并没有设置休眠形式，可是设置了硬件电源开关，当无需丈量时，直接断开电源开关，以完成最优的省电作用。
3 定论
终究完成的生理参数丈量仪的著作如图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，套在手指上即可完成血氧和心率的丈量，体温丈量须将红外传感器对准脑门或许耳蜗处，血糖丈量无需佩带，只需求将浸入指尖血的血糖仪试纸刺进试纸插口，再按下发动丈量按钮，即可完成血糖检测，经过著作的试制与测验，证明该计划可行，各参数准确性较高，便利运用，可充电，易于带着，后续需要进一步完善，参加蓝牙通讯功用，上传各项参数到手机APP，可完成对各项生理参数的动态检测。
参考文献：
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本文来源于《电子产品世界》2017年第12期第49页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
