一款心率戒指的设计

2020.9一款心率戒指的设计
Design of a heart rate ring
杨风健1，孙艳红2，赵宏杰2
（1.吉林医药学院 生物医学工程学院，吉林 吉林 132013；2.吉林市中医院，吉林 吉林 132011）
摘 要：本文介绍了一款心率戒指的设计，利用光电传感器检测食指指间动脉的PPG信号，并对该信号进行放大、滤波处理，再利用STM32F103C8T6单片机内置A/D转换模块进行模拟/数字信号的转换和采样，最后编写单片机程序，通过FFT算法提取心率信息，另具有心率显示、蓝牙通信、运动检测功能。

本文详细论述了电路的设计思路、原理以及元器件参数，经测试，在运动幅度较小时，该电路可以实现对心率信号的稳定检测，在进行周期性幅度较大的运动时，尚需研究合适的算法消除运动伪差。

关键词：心率；戒指；PPG；FFT
0 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，戒指是一种穿戴饰品，因其美观、小巧、不影响生活受到人们的广泛喜爱，传统戒指功能相对单一，仅具有装饰作用，已无法满足人们对于穿戴类产品的智能化需求。

目前，国内外检测心率的主要方法为：动脉血压法，光电测量法，动脉血压法，而比较适合在穿戴式设备上使用的方法为光电测量法[2
]，因此，本文基于光电测量法设计了一种具有心率检测、运动计步、蓝牙通信、锂电池供电、可充电功能的心率戒指。

1 设计思路
１．１　手指ＰＰＧ信号检测
食指指间动脉循行如图1所示，根据人体动脉网络在手上的分布，可发现在每根手指两侧均有动脉血管走行，而食指指间动脉血流量相比其他手指更强一些，同一根手指的指根部位搏动最强，因此，本文选择的食指的手指根部内侧作为PPG 信号的采样点。

尽管如此，手指的PPG 信号依然相对较弱，而且受限于电路体积。

因此，PPG 信号的采集与处理仍然是本设计的一大难点。

作者简介：杨风健（1987—），男，硕士，吉林医药学院教师。

图１　手指动脉走行示意图
１．２　电路总体设计
电路总体设计框图如图2所示，主要包括的电路单元有：STM32F103主控制器电路、MPU6050加速度传感器电路、OLED 显示电路、蓝牙通信电路、报警电
路、锂电池供电电路、光电传感器与信号调理电路。

图２　系统硬件电路框图
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ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2020.9
设计应用
esign & Application
D
2 电路设计
２．１　ＰＰＧ信号检测单元
为了尽可能降低电路板占用戒指的体积与空间，同时为了降低成本，便于改进，将PPG 信号的检测电路单独设计成一块电路板，该电路板与主控板相分离，并通过软线连接，进行信号的传输控制。

具体电路如图3所示，其中光电传感器选择的至关
重要，因为整个戒指的体积较小，导致锂电池的容量较低，电路设计的每一个环节均需考虑功耗的问题，本设计中，光电传感器的型号为SON7015，其工作电流只有0.2 mA ，传感器尺寸4 mm ×2 mm ×1 mm ，内部集成2个绿光LED 及前置放大电路，外围电路也非常简单，非常适用于手指动脉的PPG 信号检测。

该电路中，只有在接收到单片机控制信号时才驱动LED 发光，为了降低电流消耗，可采用具有一定占空比的方波进行驱动，在经过SON7015内部的前置放大后，输出信号经过一级带通滤波及放大处理，该滤波器电路的中间电平为1.5 V ，以此来实现PPG 信号围绕1.5 V 电平进行波动，便于后期将信号送入单片机A /D 进行采样处理。

图３　ＰＰＧ信号采集与处理电路
该部分电路在布线时，需要尽量节省空间，电阻电容皆可选择0402封装，运算放大器选择SSOP 封装。

２．２　主控制器单元
主控制器选择STM32F103C8T6单片机，内部自带A /D 转换硬件电路[3]，可以减少电路体积，同时由于需要进行一定信号滤波、FFT 变换等信号的运算处理，因
此对单片机的运算处理速度有一定要求，同时这款32位的单片机共有48管脚，相对来说，体积较小，因此综合考量，采用该单片机作为硬件的核心控制器，同时，为减小电路复杂度，缩小体积，时钟电路采用芯片内置的时钟电路，复位方式采用RC 复位电路，辅以电阻、电容等单片机工作的最小系统电路。

具体电路参见官方手册，本文不再赘述。

２．３　电池及供电单元
本设计中，采用300 mAh 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，由于整个电路系统采用3.3 V 电压供电，锂电池输出电压最高可达4.2 V ，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3.3 V ，最大电流可达150 mA ，由于系统功耗较低，所以满足系统使用需求，具体电路如图4所示。

图４　电源电路
２．４　加速度传感＆蓝牙通信单元
加速度传感器选用MPU6050芯片，辅以少量外围器
件即可工作[4
]，并且采用I 2C 总线与主控制器进行数据通
讯，占用I /O 口线少，有助于PCB 布线。

蓝牙与通信模块采用TI 公司出产的CC2640芯片，体积小，整个模块体积8 mm ×8 mm ，贴片封装，串口通信，比较适合在
穿戴式设备上使用。

3 软件设计
单片机程序设计需要实现以下功能：PPG 信号显示、蓝牙数据双向传输、心率数据提取及显示。

如图5所示，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I 2
C 总线设备驱动、OLE
D 液晶模块
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2020.9的驱动、A /D 转换程序、UART 驱动程序。

顶层应用程序主要包括：FFT 心率提取程序、PPG 信号显示程序、
蓝牙数据通信程序等。

图５　主程序流程图
软件部分的核心为心率信号的提取，由于采用光电法进行PPG 信号采样，不可避免地会引入运动伪差，因此如何从PPG 信号中提取心率信号是心率戒指的1个核心问题[5
]，本设计中采用心率信号提取的主流程如下。

存储A /D 采样到的PPG 数据和MPU6050加速度传感器数据→PPG 数据均值滤波处理→加速度传感器数据进行FFT 变换，得到运动干扰信号频率→对PPG 采样信号进行FFT 变换→在PPG 采样信号谱里面找到第1谱峰和第2谱峰→正常情况下，2个谱峰中有一个为心率信号，另一个为运动干扰信号→根据已知运动干扰信号频率，即可明确心率信号频率→心率（单位：bpm ）=心率信号频率×60(s )。

4 结语
最终实现的心率戒指如图6所示，OLED 屏幕上可显示实时的PPG 波形，同时每隔6 s 更新1次心率值，并可将采集到的数据通过蓝牙上传到手机端.通过戒指的试制与测试，证实该方案可行，能够采集到手指上的PPG 信号并计算得到心率，戒指体积大小可以接受，无明显不适，可充电。

但是在剧烈运动的情况下，计算得到心率数值会产生失真，心率提取算法尚有待改进；体积方
面可进一步缩小，例如可尝试采用柔性电路板制作电
路，以使戒指的内部空间更加紧凑。

图６　心率戒指实物图
参考文献：
[1] 杨风健,齐秋菊,郭红壮,等.可穿戴生理参数测量仪的设计[J].电子产品世界,2017,24(12):49-51+55.
[2] 辛毅.基于前项差分和动态阈值的PPG心率测量算法[J].电子产品世界,2019,26(09):27-29+26.
[3] 李浩.采用STM32F103芯片的红外测温仪设计[J].电子产品世界,2013,20(09):45-47+56.
[4] 龙恺,龚涛.基于CMOS摄像头HMC5883+MPU6050 的模拟灭火训练系统[J].电子产品世界,2015,22(11):62-64+67.[5] 马艳阁.可穿戴式心率监测仪研究[D].天津:天津科技大学, 2017.
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