一个基于STC12单片机的无线脉搏监测系统

柳海华，卢路瑶，朱秀委

（温州医科大学 信息与工程学院，浙江 温州，325035）

为了减小设备体积，提高系统的灵活性，提出了一种采用STC12单片机、光电式传感器和NRF24L01的无线脉搏监测系统，给出了该系统的硬件和软件设计的具体方案，展示并分析了系统运行结果。该系统在10 m范围内可实时地监测脉搏信号，在软件界面中可显示、分析和保存数据，在发现生理参数异常时发出报警，适用于病人监护，具有一定实用价值。

中西医研究表明，脉搏波蕴藏着丰富的生理病理信息，在预防疾病、诊断治疗、保健康复等各个方面发挥着重要作用［1］。目前的脉搏信号监测系统中，传感器类型主要包括光电式、液体耦合腔式、压阻式以及应变式等［23］。其中，液体耦合式传感器的制作过程较为复杂且抗干扰差，压阻式传感器的实时性差且误差较大，而应变式脉搏传感器存在较大的非线性。相比之下，光电式传感器具有制作方便、精度较高、成本较低及线性度较好等优点，因而得以广泛应用。此外，大量导线的使用增大了系统规模和复杂度，同时降低了系统的便携性和扩展性，因此无线传输技术日益普遍［4］。

基于上述分析，本设计采用STC12C5A60S2单片机、光电式脉搏传感器和NRF24L01无线收发模块完成了一个无线脉搏信号监测系统。该系统先通过下位机采集电路对使用者的脉搏信号进行提取、去噪和放大处理，再以无线传输方式发送给连接PC的接收电路，接着上位机软件从串口接收数据实时显示波形，并进行参数（例如心率、脉搏间隔等）分析、参数异常报警和数据存储等。本系统不仅能对使用者进行脉搏实时诊断和分析，也可用于后续的数据统计和长期跟踪，有助于使用者生理状态的有效监测，具有一定的实际应用价值。

本系统的总体结构由6部分组成：电源模块、采集模块、单片机控制单元、无线模块、串口通信模块、上位机模块。系统的总体结构框图如图1所示。

系统前端采用光电式脉搏传感器，将人体的脉搏信号转化为电压信号。由于人体的脉搏信号微弱（毫伏电压），频谱范围包含工频干扰，因此需通过前置放大、高低通滤波、二级放大等处理［5］。从传感器获得的初始信号经过适当放大和处理之后，通过单片机控制的AD转换器将模拟信号转换为数字信号，继而通过无线模块实现信号的无线发送与接收。接收模块收到的数据通过串口通信电路传输至计算机的串口，最终由上位机软件对串口进行扫描而读取。上位机软件可实时显示接收到的脉搏信号波形，进行数据处理、分析和监视，也可存储数据以备后续统计与回访。为了保证系统中不同芯片的正常工作，本设计还包含了双电压输出的电源模块。

2系统硬件设计

2.1单片机控制单元

单片机是整个系统的核心，主要负责启动AD转换、配置无线发送与接收、与上位机通信等工作。本系统采用STC12C5A60S2单片机，其指令代码与传统的8051单片机兼容，工作电压为3.3~5.5 V，工作频率范围为0~40 MHz，自带8路10位AD转换器，处理速度比传统8051快8~12倍。本系统单片机最小系统的晶振为11.059 2 MHz，5 V电源供电，采集转换频率为100 Hz，由定时程序控制，即每10 ms启动一次AD转换。

2.2采集模块

采集模块的核心器件是传感器，它的性能直接影响整个系统的稳定性和精准性。因此，本设计采用综合性能优良的光电式脉搏传感器来完成，它可分为光源和光接收器两个主要部分。光源部分采用的是峰值波长为515 nm的绿光LED，型号为AM2520；光接收器的敏感峰值为565 nm，型号为APDS9008。据相关文献和实验结果表明，560~650 nm光波可较好地反映皮肤浅部微动脉信息，适合用来采集分析人体脉搏信号［6］。因此，本设计采用的传感器能有效收集脉搏信息，且灵敏度较高。此外，脉搏信号的频带范围为0.05~200 Hz，信号幅度是毫伏级的小信号，容易受到各种干扰。因此，在传感器后面连接一个低通滤波器和一个由运放MCP6001为核心的放大器，将初级脉搏信号放大300倍左右。同时，采用分压电阻设置直流偏置电压为电源电压的1/2，使输出信号更容易被单片机的AD采集，并由单片机的P1.7口输入。传感器相关电路图如图2所示。

2.3无线通信模块

实现无线数据传输，可减少设备复杂性，提高系统灵活性。本系统以NRF24L01模块为核心来实现脉搏数据在采集和接收模块之间的远程无线传输，类似工作可参见参考文献［7］、［8］。单片机通过AD转换将脉搏信号数字化后，将转换结果传给NRF24L01模块进行无线发送。无线模块的工作参数（包括信道、发送功率、发送频率等参数）由单片机配置。接收电路中的NRF24L01模块的工作参数也由单片机配置，且要求与发送端匹配。发送和接收的NRF24L01模块和单片机的连接如图3所示。

CE引脚与P1.2引脚连接，CSN引脚与P1.3引脚连接，SCK引脚与P1.1引脚连接，MOSI引脚与P1.4引脚连接，MISO引脚与P1.0引脚连接、IRQ引脚与P1.6引脚连接。

2.4串口通信模块

串口通信模块主要负责将接收到的数据传给上位机，本设计采用MAX232EPE来完成。由于串口一次最多只能通过8位二进制数，而单片机自带AD转换一次能产生10位的二进制数，因此要将10位数据分解成高2位和低8位。串口通信采用经典设置，即波特率9 600 b/s、校验位N、数据位8、停止位1。

2.5电源模块

由于本系统采用的单片机的供电要求为5 V，而无线收发模块的供电要求为3.3 V，因此要求电源模块能输出两种电压。其中，+5 V是由输出电压9 V、输出功率9 W的交流变压器、整流桥及7805芯片组成的电路产生的；+3.3 V是由5 V电源经LM1117芯片稳压和滤波后产生的。

3系统软件设计

为了保证系统正常稳定运行，需要良好的下位机硬件驱动程序和上位机软件界面。该系统的下位机软件是采用基于Keil C 集成开发环境的C语言进行设计和开发的，上位机的软件界面主要利用VB编程语言编程实现。

3.1下位机软件设计

下位机软件由以下子程序组成：AD转换控制程序、定时器程序、NRF24L01发送子程序、NRF24L01接收子程序和串口发送程序。模拟信号从P1.7输入单片机经过10位精度的AD转换。AD转换受定时程序的控制，定时程序达到设定阈值则启动AD转换，转换并发送数据完成后AD使能端被禁止，AD启动转换的频率被设定为100 Hz。两个NRF24L01模块分别由两个单片机控制，不断发送和接收数据，接收数据的单片机通过串口查询法不断将接收到的数据传给上位机。由于AD转换的结果是10位的二进制数，因此在串口发送之前要先将10位的二进制数拆成2个8位二进制数（高2位和低8位，分别存于ADC_RES和ADC_RESL两个寄存器中）才能通过串口发送。

NRF24L01相关子程序的主要任务是：先进行片选，即选好引脚P1.2并置低电平，再对芯片的状态、功率等参数进行配置，具体如表1所示。

系统软件程序流程图如图4所示。

3.2上位机软件设计

上位机软件采用VB语言编程实现。主界面包括数据显示区、快捷功能键、生理参数显示、串口选择和报警提示等部分。为了显示从串口读取的数据，采用iplot控件（集成C语言）作为画图工具。横纵坐标根据输出信号的强度能进行自动调节，实际运行时，先要对两次接收到的数据相加得到一个完整的数据，并通过不同时刻得到的数值进行比较得到波峰，记录当时的时刻，应用同样的方法判断出下一个波峰与时刻，将这一系列的数据由iplot控件进行绘图［9］。

快捷功能键主要包括图形区放大、缩小和数据保存等功能，另外的功能还在开发中，例如打印、自动缩放、注释等。生理参数显示暂时只考虑脉搏频率，其算法如下：取10 s左右长度的数据，用上述方法检测出每个周期中的峰值，对5个峰峰间期取平均得到准实时的脉搏频率［10］。串口选择功能是为了满足上位机软件对多个下位机采集电路的管理而设计的。尽管目前软件只能显示一个通道的数据变化情况，但预留了多通道显示的功能。报警提示功能是通过label控件来展示的，当上位机软件对一段时间的数据进行显示、处理和分析后，若发现生理参数超出正常范围则开始报警［11］。

4系统运行结果

系统运行时的上位机软件界面如图5所示。

显示的参数包括：实时脉搏波形［12］、计算得到的心率、参数异常报警提示。软件还具有数据存储功能，以便于数据回访和统计分析，对使用者的脉搏参数进行长期跟踪。与标准仪器的测量结果（示波器采集显示如图6所示）对比发现，本系统采集到的脉搏信号显示结果与之接近，从而同时验证了下位机信号采集、无线收发模块工作正常。其中，针对无线模块的性能测试结果表明，在15 m2内无障碍物环境下，数据传输流畅且无失真，按照每秒100个数据采集的速率计算，数据传输速度可达125 B/s。

5结论

本设计以STC12C5A60S2单片机、光电式脉搏传感器和NRF24L01无线收发模块为核心，完成了一个无线脉搏信号的实时监测系统。经测试，本系统可将被测人员的脉搏信号实时地显示在上位机软件中，显示结果与标准的示波器结果相吻合，在大约15 m2内系统运行稳定。除脉搏信号的实时显示，该系统还支持简单的数据分析（脉搏频率及强度等），并能实现阈值可调的报警监护功能。本系统为人体脉搏等生理信号监测系统的研发工作提供了一个实用案例，具有一定的实用价值和参考意义。下一步的工作中还可进一步完善本系统的软硬件功能。

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基于MSP430单片机的甲醛含量监测报警系统设计

曾宪阳1,杨红莉2,郁汉琪1,褚南峰1

(1.南京工程学院 工业中心，江苏 南京 211167；2.南京工程学院 数理部，江苏 南京 211167)

根据市场上甲醛检测装置存在误差大、功耗高等缺点，设计了以MSP430单片机作为控制核心，多子机网点辅助监测，无线模块进行数据通信的甲醛检测仪。使用单片机内部A/D转换模块将传感器采集到的模拟量转换成数字量，再经卡尔曼滤波器进行滤波，保证了采样数据的准确性。该监测系统检测精度高、功耗低、稳定性好，经试验验证，能很好地满足消费者需求。

低功耗；MSP430单片机；甲醛监测仪；卡尔曼滤波；多网点

当前，空气环境污染严重，特别是新装修的房间含有甲醛等有害物质［1-5］，影响到人们的身体健康。市面现有的甲醛检测系统多为单点测试，体积大、功耗高、检测单一、价格昂贵，且不能自动对甲醛含量高的区域进行重点实时监测［6-7］，因此本文设计了一种新的甲醛含量监控报警系统。该系统包括多个子机系统及一个主机系统，将每个子机系统分散安置在各个房间的某个区域，主机系统放置在卧室或客厅等住户常活动的位置，主机与子机之间采用NRF24L01无线网络进行通信。子机系统定时将采集到的甲醛含量信息通过无线网络传递给主机，主机通过中断接收各子机发来的信息并进行分析处理，同时根据需要将数据通过无线网络发送给上位机PC，给用户带来方便。

1系统设计思路

系统选用MSP430F149单片机作为主控制芯片，以减少功耗，提高效率。采用具有精度高、功耗低的AQM201传感器来检测甲醛含量。采用多个430单片机作为子机模块分别测量对应区域甲醛含量，然后各子机实时将采集到的甲醛含量信息传送给430主机模块，子机与主机之间采用NRF24L01无线模块进行通信。系统设计框图如图1所示。

子机系统中的甲醛传感器检测空气中的甲醛含量，经处理以模拟信号形式输出，经A/D转换为数字量后传送给CPU，考虑到传感器非线性因素，CPU将数据修正后转换为实际甲醛含量浓度百分比，通过各自无线通信模块通道传输给主机。以上过程每隔5 s重复采集发送一次，该采样时间可通过主机发送给子机的命令参数进行自动调整。

主机通过外部中断及时采集各子机发来的信息，并根据子机发来的地址码将各子机发来的信息进行归类，同一子机发来的信息存放在对应房间号的数组中。主机通过数组数据及时分析各房间的甲醛含量值，对于甲醛含量长时间未呈减少趋势的房间区域，主机将自动通知子机调整采样时间来进行重点监测。当甲醛含量连续多天一直超过设定上限值时，主机还会发出报警声，用以提示用户甲醛超标。在实际测量过程中，传感器接收到的信号包括环境干扰信号，因此各子机采用卡尔曼滤波器对采样数据进行滤波，更大程度地保证了采样数据的准确性。

2硬件电路设计

2.1MSP430单片机最小系统电路设计［8-9］

本系统选用MSP430F149单片机作为主控单元，其最小系统包含了时钟电路、复位电路、JTAG调试电路，如图2所示。单片机的引脚VeREF+为内部A/D转换参考电压，接3.3 V。为保证参考电压稳定，该引脚及单片机电源引脚DVCC均对地增加了滤波电容C8、C6以滤掉环境电磁干扰。由于430单片机为低电平复位，由R1、C5组成复位电路，系统上电后电容C5充电，相当于短路，RST端为低电平，充电完毕后RST变为高电平，完成上电自动复位功能。按键S2为系统增加了手动复位功能。JTAG电路为系统程序调试下载接口,连接MSP-FET430UIF仿真器即可实现程序调试下载工作。在主机系统电路设计中，增加了按键电路如图2中S3、S4、S5、S6所示。S3键为功能键,用于选择采样时间、显示模式、报警上下限等功能；S4、S5分别为增加、减少按键，用于参数调整；S6键作为备用按键，便于后期功能拓展开发。按键接至单片机具有外部中断功能的P1口，CPU可随时进入按键中断服务子程序对相应参数进行设定调整。

2.2甲醛传感器模块电路设计［10］

所设计的甲醛传感器模块电路如图3所示。由于甲醛传感器AQM201输出模拟量，需经A/D转换后得到数字量方可送给单片机处理。考虑到MSP430单片机内部自带高精度12位A/D转换器，满足设计要求，因此直接采用430单片机内部A/D转换器将信号转换为数字量后供单片机CPU处理。由于甲醛传感器输出模拟量电压范围为0～5 V，而单片机A/D采样满量程电压为3.3 V，因此传感器输出的模拟量还需进行电压量程匹配转换。如图3所示，R2、R3组成分压电路，阻值分别为1.7 kΩ、3.3 kΩ。3.3 kΩ电阻两端的电压作为模拟电压输出，此时该模块输出模拟电压范围将为0～3.3 V，与单片机A/D转换量程匹配，该输出信号接至单片机A/D转换口P6.0。

2.3无线通信模块电路设计

无线通信采用NRF24L01模块［11-12］,电路如图4所示，N1为无线通信模块，其中第8脚为中断请求输出端，接至单片机的外部中断P1.4口。各无线通信模块在接收到数据后，将数据保存在自身存储器中，然后向单片机发出中断请求，以便单片机及时读取保存在自身存储器中的数据，防止该数据被新接收的数据覆盖。

主机中的无线通信模块IRQ引脚接至单片机外部中断接口，以便主机及时响应各子机发来的数据。系统中各子机将定义各自的地址码，代表各子机所在的不同房间。子机在发送数据的同时连同自身的地址码一并发出，主机接收到数据后，通过地址码来区分各个子机的数据信息，从而得到对应房间区域的甲醛含量浓度。主机采集到信息后在液晶显示屏上显示当前各个区域的甲醛浓度百分比，以及甲醛含量随时间变化的曲线图，便于用户分析甲醛浓度分布及走向。

2.4报警模块电路设计

选用蜂鸣器作为报警发生装置，采用PNP三极管9012作为驱动，如图5中Q1所示。考虑到I/O口的驱动能力，单片机将以灌电流形式控制蜂鸣器发声，控制I/O口由单片机的P5.5引脚提供，当I/O口为低电平时，蜂鸣器发声，为高电平时，蜂鸣器停止发声。

2.5显示模块电路设计

如图6所示，显示模块采用LCD12864HZ液晶显示器，其自带汉字字库，可显示汉字、字符及图形，使用方便。液晶直接采用3.3 V电压供电，便于与单片机I/O口电平匹配。为简化电路设计，节约I/O口开支，液晶显示模块与单片机的接口采用串行接口进行通信，SCLK、SID、CS三引脚分别接至单片机的P3.5、P3.6、P3.7三个引脚。

3软件程序设计

3.1子机系统软件设计

在子机系统中，传感器每隔一定时间采集一次数据，经数据处理、卡尔曼滤波［13-15］后,通过无线通信模块发送给主机，同时子机实时准备接收主机发送过来的设置命令（用于设置子机传感器采样时间间隔等）。因此子机系统软件任务包含传感器数据采集、数据处理、数据发送、数据接收几个部分。由于无线接收任务属于紧急任务，该任务由外部中断来完成。主程序将完成传感器数据采集、数据处理、数据发送任务，流程图如图7所示。

3.2主机系统软件设计

主机要完成的任务有：本机数据采集、子机数据接收、数据存储、数据显示、传感器检测、按键扫描、发送数据给上位机、报警等。根据任务的紧急性将数据接收、按键扫描任务均设置为外部中断模式，并将数据接收设置为高优先级中断。数据显示、传感器检测以及报警任务程序在主程序中循环调用。其中，初始化函数包含了时钟配置、I/O口初始化、中断初始化、各功能模块初始化等，为系统工作做好准备。外部中断入口对应的中断源为主机系统单片机的P1.4引脚，在初始化函数中将该引脚设置为外部中断模式。主机流程图在此不再赘述。

3.3系统数据处理

图8为甲醛传感器模拟输出特性曲线图，横轴为浓度值，纵轴为采集到的电压，根据图中提供的数据可知，对采集到的数据进行处理即可计算出甲醛在空气中的含量。设采集到的电压为Vx，甲醛浓度为Y,则计算公式为：

4结论

图9为系统主机实物图及实时监测曲线显示。系统包括硬件设计和软件编程两部分,实现了对室内甲醛含量的实时监控与报警监测。采用卡尔曼滤波器对传感器采集到的信号进行滤波，保证了采样数据的准确性。系统检测精度高、功耗低、稳定性好，可用于建筑室内甲醛气体含量监测，也可用于电厂、化工、地下管道等施工环境监测，防止甲醛中毒事故发生。

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