基于MSP430和压电传感器的人体心率检测系统设计
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2020-08-11
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基于基于MSP430和压电传感器的人体心率检测系统设计和压电传感器的人体心率检测系统设计
心率的精确检测具有重要意义，本文采用基于压电陶瓷传感器和超低功耗的MSP430单片机的小型便携式心率采
集系统。
0 引言
心率是描述心动周期的专业术语，指心脏每分钟跳动的次数，以第一声音为准。心率测量是常用的医学检查项目之一，实时准
确的心率测量在临床医学、老年人体征监测和竞技体育等方面具有重要意义和广泛应用。正常情况下，成年人心率有显著的个
体差异，一般安静时为60～100次/分，平均约75次/分。心率可因年龄、性别及其他生理情况而改变。同一个人，在安静或睡
眠时心率慢，运动、情绪激动或突发病情时心率加快。心动过速和过缓都会影响健康，尤其对老人和心脏有问题的人，心率是
一个非常重要的参数。因此，心率的精确检测具有重要意义，本文采用基于压电陶瓷传感器和超低功耗的MSP430单片机的小
型便携式心率采集系统。
图1 系统结构图
1 系统结构
心率是人体非常重要的生理参数，而传统的脉诊由于其非定量和主观性影响了心率测试的精度，为了提高对心率监测的精度和
监测的方便性，本系统采用压电陶瓷传感器和MSP430芯片组成测试系统，系统硬件结构如图1所示。通过ADC10片上温度传
感器采集温度，就可以在数码管上显示。同时SC0073压电陶瓷传感器采集的信号经滤波和放大后与设定压力阈值进行比较，
对脉搏波信号进行处理，并根据处理结果进行精确计数和显示。
1.1 心率检测传感器
目前用于检测心率的仪器比较多，常见的有基于压力传感器、电容传感器、光电传感器和电声传感器等类型的测试系统，但不
同传感器对心率测试部位的要求不一。常见的基于红外原理的传感器，主要依靠红外检测血流压力波动信号，即当血液输送到
人体组织时，组织的半透明度会减小，当血液流回心脏时半透明度会增加，这种现象在指尖最为明显，红外检测虽然是一种较
好的检测方法，但由于平时需要洗手以及劳动等因素，不便于长时间携带，无法长时间检测。
为便于长时间携带，本系统腕式结构设计。为满足这一要求，本文采用压电陶瓷片采集脉搏信号，由于心脏的搏动，人体腕部
的脉压波动相对明显，当脉搏跳动时，压电陶瓷片检测到相应的信号。若传感器放置腕部，传感器检测压力波信号和进行预处
理，再进行整形转换为脉冲信号，然后计数和显示，从而实现实时检测心率次数。
1.2 MSP430芯片
本心率检测系统由于面向家庭和医院，而目前空巢老人较多，因此，芯片选择上采用超小型压、超低功耗MSP430g2553单片
机，结合压电陶瓷片采集压力信号，从而达到整个系统的尺寸小型化，手腕式佩戴设计，从而实现一天24小实时心率监测。
MSP430系列单片机是美国TI公司1996年推向市场的16位单片机，该单片机是一款具有精简指令集和超低功耗的混合型单片
机，具有极低功耗、丰富的片内外设备和方便灵活的开发手段，成为许多高精度设备电子产品设计的首选。
2 系统硬件设计
信号经过前置差动放大，低通滤波等处理，放大至合适的幅值送入AD转换成数字信号。采集系统在MSP430控制下进行，为
保证采集系统稳定可靠工作，内部各模块电路均配置稳压器件，具有启动快、方便、安全等特点。
根据心率信号特点，系统主要包括传感器接口电路、信号采集、放大和滤波电路，信号前置级应满足如下要求：1)高输入阻
抗。通过传感器检测的脉搏信号是不稳定的微弱信号，为了减小信号源内阻的影响，必须提高放大器的输入阻抗；2)高共模抑
制比CMRR。人体所产生的干扰以及测量参数以外的干扰，一般为共模干扰；3)低噪声、低漂移；4)高安全性，以确保人体绝
对安全。
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