基于MSP430的人体生理参数采集系统设计

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州310018)

0 引 言

居家健康监护技术的迅猛发展和快速进步，不仅促进了人们生活水平的提高，也为居家健康提供了更有力的保障，如何方便、快捷、准确地测量体温、脉搏、血氧饱和度等人体最基本的生理参数成为实现健康监护的基本前提。随着电子和通讯技术的发展，现代健康监护设备逐渐向低功耗、小型化、易操作等方向发展。国内外专家在采集人体生理参数的技术上做了大量地探索和研究，设计了基于掌上电脑(Personal Digital Assistant，PDA)的人体重要生理参数测量和分析系统，通过PDA的音频口实现体温、脉搏波、ECG等数据的传输[1]。基于智能手机和光传感器的无创生理参数采集方法的研究，提出了利用手机摄像头与光传感器结合实现脉搏波和血氧饱和度的无创测量方法[2]。基于MSP430的可存储式人体皮温测量仪，采用热敏电阻实现人体温度测量[3]。目前生理参数采集系统价格比较昂贵、体积大、功能单一、操作复杂，在居家健康监护领域具有一定的局限性，特别是不便于老年人使用。本文基于超低功耗单片机MSP430F5438，设计了便携式体温、脉搏和血氧饱和度等生理参数测量系统，具有体积小、功耗低、性能稳定、操作简单等特点，并通过蓝牙进行数据传输，实现人体健康状态的实时监测、异常报警、无线传输等功能。

1 系统总体方案

系统整体框图如图1所示。

图1 系统整体框图

图1中热敏电阻对体温进行感知，感知信号经过非平衡电桥和仪表放大电路后实现A/D 转换，计算出热敏电阻的阻值并求得体温。通过分时处理交替驱动血氧探头内的两种波长的LED，探头内的红外线发射管接收头感应透射手指后的光线强度，输出微弱的电流信号经过跨阻放大电路后转换成电压信号，并进行了信号放大，滤除直流信号的交流电压信号传送到MSP430 单片机进行A/D 转换，经过数字信号滤波和处理，计算并存储血氧含量和脉搏值，监测结果在本地LCD 显示的同时也可以通过蓝牙传送到手机等移动终端进行处理[4-6]。系统根据正常的生理参数范围设定报警阈值，当测量值异常时系统发出异常信号进行报警。

2 体温测量

本设计采用的是NTC 热敏电阻MF54，30 Ω 档测温精度为37 ℃时误差小于±0.012 ℃。体温测量电路如图2所示，由电桥电路、仪表放大电路和电压跟随偏置电路组成，电桥的4个桥臂电阻都相同，热敏电阻值忽略时，电压输出为0 V，电桥的平衡被打破时，电桥输出一个反应热敏电阻阻值大小的电压[3]。小信号电压经过放大器INA333 转换成大电压，在电压输出端添加差分放大器OPA350，一端输入为偏置电压，另一路输入为电桥输出电压，输出端接入数模转换接口电压为:

式中，G为INA333的放大倍数，MSP430 单片机内部ADC 进行电压采样，采样值为M，则电阻值为:

根据热敏电阻和温度的关系可以计算出温度，其中RT0是标定温度T0时的电阻值，B为热敏电阻材料常数。

图2 体温测量电路

3 血氧脉搏信号测量

H 桥光源驱动电路如图3所示。

图3 H 桥光源驱动电路

图3中通过单片机控制端口实现分时驱动两种光源信号，其中I/O1和I/O3为一组，驱动RED 二极管，I/O2和I/O4为一组，驱动IRED 二极管。

在接收管处的信号采集处理电路如图4所示，通过U1A 提供偏置电压，接收管接收透射光后输出微小的电流信号，经过U1B 跨阻放大，电流信号转换成电压信号，通过隔直电容后输入到一端输入为放大之前信号的两级差分放大器，放大后的交流信号传送到LM358组成的有源带通滤波器进行滤波，最后将放大滤波后的交流信号传送到ADC 进行转换。

图4 接收管处的信号采集与处理电路

系统基于Lambert-Beer 光吸收定律，计算血氧饱和度:

其中Sa(O2)为血氧饱和度，Hb(O2)为氧合血红的蛋白，Hb为可结合血红蛋白，A和B是常数为双波长吸收比率[5]。根据脉搏强度的70%查寻红外存储数据期间的相近点数，计算相应的血液循环周期，进而可以推算一分钟内脉搏的次数，完成脉搏的计算。

4 系统软件控制流程

系统通过单片机的定时器和中断功能，实现了定时采样、数据存储、体温测量等功能。ADC数据采集与存储如图5所示，脉搏测量如图6所示。

图5 ADC数据采集与存储

图6 脉搏测量

5 系统性能测试

在进行血氧脉搏检测时，注意指夹式血氧探头要有较好的避光性，以便减少外界光线对测量结果的影响，被测者应尽量保持手指清洁，在测量体温时要使NTC 热敏电阻贴近测量位置。系统分别对25 岁和50 岁不同年龄、不同性别的测试者进行了测试比较，针对体温的测量，分别测量了手腕和耳部的体温，测量结果如表1所示，测试结果前3组数据是女性测量数据，后3组是男性测量数据。

表1 不同部位、年龄、性别的体温测量与检测数据表℃

从表1中可以看出，系统存在一定的测量误差，年轻人的体温在手腕和耳部均比中老年人要高，同等年龄的男性体温略高于女性体温，其体温测量值基本可以满足健康监护的要求，但其精度和稳定性还有待进一步地提高，以便更好地满足监护需求。系统对不同年龄、不同性别的测试者进行了血氧脉搏的测量，测量结果如表2所示，其中前3组数据是女性测量数据，后3组是男性测量数据。

表2 不同年龄、性别的血氧和脉搏测量与检测数据表

从表2中可以看出，年轻人的血氧饱和度和脉搏的测量值比中老年人的略大，测量值基本可以作为健康监护的依据。系统存在一定的误差，主要由系统本身和对比测量方法的误差引起的，通过测量数据说明了本设计方案的可行性。

6 结束语

本系统实现了对体温、脉搏和血氧饱和度的实时测量，具有便携、实时、操作简单、功耗低、体积小等特点，在日常的生活中起到医疗监护作用。系统通过设定报警阈值，实现异常报警功能，在人口老龄化加剧和生活节奏加快的形势下具有很好的应用价值和市场前景。

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