摘 要

21世纪以来，人们的生活发生着巨大的变化，人们也也意识到了健康的重要性。同时现代医学也在不断进步，如今的现代医学涉及的不仅仅是医学知识，还融合了电子技术，生物工程等等专业知识。

本文介绍了一种心率检测系统，可以实时检测人体心率，并将心率值发送到手机APP端。本设计基于光学容积描记法（PhotoPlethysmoGraphy,PPG），通过得到人体组织毛细血管内的血流的变化来计算出心率。采用无创的方式得到人体心率，一共分为五个模块：前端数据采集模块，数据处理模块，蓝牙传输模块，APP接收模块，电源模块。前段数据采集模块，数据处理模块分别使用TI公司开发的AFE4400芯片和MSP430单片机，实现了心率的数据采集，放大，滤波，计算等作用，其优点为低功耗且方便携带。蓝牙传输模块使用低功耗BLE4.0。在完成对心率检测同时，实现便携，低功耗的特点。

关键词：心率检测；AFE4400；MSP430；低功耗

Abstract

Since the 21st century, people's lives have undergone tremendous changes, and people are aware of the importance of health.At the same time, modern medicine is also progressing, and today's modern medicine involves not only medical knowledge, but also the integration of electronic technology, bio-engineering and so on professional knowledge.

This article describes a heart rate detection system, you can always detect the human heart rate, and heart rate sent to the phone APP side. This design is based on optical volume tracings (PhotoPlethysmoGraphy, PPG), by obtaining human tissue capillary blood flow changes to calculate the heart rate. Using non-invasive way to get the human heart rate, a total of five modules: front-end data acquisition module, data processing module, Bluetooth transmission module, APP receiver module, power module. The data acquisition module and the data processing module respectively use the AFE4400 chip and the MSP430 single chip microcomputer developed by TI to realize the data acquisition, enlargement, filtering and calculation of heart rate. The advantages are low power consumption and convenient carrying. The Bluetooth transmission module uses low power consumption BLE4.0. In the completion of the heart rate test at the same time, to achieve portable, low power consumption characteristics.

Key words：Heart Rate Detection;AFE4400;MSP430;Low Power Consumption

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.1.1 心血管疾病的流行情况 1

1.1.2 心率检测系统在预防心血管疾病的意义 1

1.1.3 电子技术在医疗领域的应用 2

1.2 国内外研究现状及市场发展前景 2

1.2.1 国内外研究现状 2

1.2.2 市场前景 2

1.3 研究内容 3

第2章 光学心率检测系统的设计方案 4

2.1 无创心率检测的方法 4

2.2 心率检测系统的结构 4

2.3 本章小结 5

第3章 光学心率检测系统的硬件设计 6

3.1 单片机MCU选型 6

3.1.1 单片机MCU现状 6

3.1.2 MSP430F5528简介 6

3.1.3 单片机控制电路设计 7

3.2 信号采集端设计 9

3.2.1 AFE4400简介 9

3.2.2 AFE4400硬件电路设计 9

3.3 蓝牙模块 10

3.3.1 蓝牙技术的发展 10

3.3.2 低功耗CC2541芯片介绍 11

3.4 电源模块 11

3.5 本章小结 12

第4章 心率检测系统数据采集端的软件设计 14

4.1 程序总体流程图 14

4.2 系统初始化程序设计 15

4.3 数据处理程序设计 15

4.4 本章小结 16

第5章 低功耗蓝牙技术及软件程序 17

5.1 低功耗蓝牙技术概述 17

5.1.1 蓝牙4.0技术 17

5.1.2 蓝牙4.0技术的应用 17

5.1.3 蓝牙4.0技术的特点 17

5.2 蓝牙4.0技术协议栈 18

5.3 蓝牙接收APP的程序设计 19

5.3.1 APP程序设计的开发环境 19

5.4 软件设计 19

5.4 本章小结 21

第6章 数据结果分析 22

第7章 总结和展望 25

7.1 总结 25

7.2 展望 25

参考文献 26

致谢 27

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 心血管疾病的流行情况

心血管疾病是心脏血管疾病与脑血管疾病的统称，在20世纪30年代，心血管疾病逐渐引起了医生们的注意，因为在当时因心血管疾病死亡的人数急剧攀升^[3]。心血管疾病每年都会带走很多人的生命，严重危害着人类的生命健康。根据相关医务者的调查，心血管疾病与性别挂钩，性别不同，患病率也会不同，在我国男性患病率高达1.78%，而女性患病率就比男性要低0.68%.而且随着年龄增长，患心血管疾病的概率也会增多，可见年纪大的人需要更加警惕此疾病。不断增高的患病率令人担忧。在每年有350万心血管疾病患者死亡，每天有9590人死于该疾病，也就是说，每分钟因为心血管疾病死亡的人高达6人。各种死亡因素中，心血管疾病导致的死亡占到了41%，居各种死亡因素中的第一位。令人更加担忧的是，这一数据还在不断增加。由顾东风教授做的研究中预测，如果人们对心血管疾病不加以警惕，继续忽视它的话，预计在2030年，我国心血管疾病将增涨到2130万余人，因此失去生命的人数将增加到770万人。

心血管疾病大多是因为不正常的饮食或生活习惯造成的，目前中国已经脱离的当初的贫困时期，大家已经不用再为温饱担忧，越来越多的人开始胡吃海喝，导致人体摄入营养不均衡，脂肪类占得太多，而纤维素等却摄入的很少，长期如此就会导致肥胖等不良现象^[3]。不仅是家里的饮食，随着快餐文化的冲击，我国很多人都极其喜爱油炸等垃圾食品，这些食品热量太高，如果食用后没有合理运动，很容易造成脂肪堆积。不仅仅是肥胖，吸烟喝酒也对心血管有着很大的危险，我国似是一个吸烟喝酒大国，由于一些酒文化所致，太多人大量饮酒，这些情况都进一步加重大心血管疾病的发病率，这些情况着实令人担忧。

据统计，在2010一年内，我国因急性心梗住院的患者总花费约为42.87亿元，因颅内出血就医总花费约为为123.51亿元，因脑梗死就医总花费约为227.47亿元。因此加强对心血管疾病的防控，不仅仅是一项宝贵的健康投资，还可以减轻社会的经济负担。

1.1.2 心率检测系统在预防心血管疾病的意义

心率，即心脏每分钟内跳动的次数。与体温，呼吸，血压并称为生命体征的四项指标。医学上经常用心跳是否平稳，以及心率的数值来预测病人的寿命，心率是否稳定，是医生在检查患者是必须要检查的一项，也会因此判断病人是否需要继续接受治疗。根据大量的临床研究证明，心率异常与心血管疾病的发生密切相关^[2]。

心率在临床中很容易得到精确测量，故心率测量在心血管疾病的防预工作中获得越来越重要的地位。如今，我国老龄化的现象更加令人担忧，老年人所占的比重越来越大，在我国患心血管疾病的人数也呈现上涨趋势。所以老年人最好每天都要选择固定时间测量自己的心率，做好预防工作。

1.1.3 电子技术在医疗领域的应用

如今，电子技术的发展日新月异，各种材料更新换代，我们周围渐渐都用硅来制作电子产品，夸张一点来说，我们现代生活已经离不开电子产品。现代医疗也发生了很大的改变。现代医疗目前不仅仅只是涉及医学领域，更是融合了电子技术，生物工程等多个方面。与传统的医疗手段相比，融入电子技术的医疗手段更加准确，便捷，快速。

对心率的测量，传统医疗手段使用的听诊器，就有很大的局限性。没有医学专业知识的患者无法在家里测量自己的心率。而电子心率腕表就很好的解决了这一问题，患者可以在任何时间任何地点测量自己的心率^[7]。

1.2 国内外研究现状及市场发展前景

1.2.1 国内外研究现状

随着科技的不断进步，医疗设备也不断更新，心率的测量由以前的人工测量心率变为目前的自动化仪器测量。心率的记录也从以前的人工记录变为现在的通过WIFI将数据记录到PC端。目前市场上出现了许多测量心率的设备，不过目前市场上大多的心率测量系统体积较大，功耗较高，无法做到便携，低功耗。并且它们大多数链接的是PC端，这就对设备的使用造成了一定的局限性^[1]。

最近几年，智能手表，智能眼镜渐渐进入人们的视线内。这种便携式的电子设备逐渐受到人们的欢迎。所以高度集成，低功耗逐渐成为了电子医疗设备主要攻克的方向。

1.2.2 市场前景

近年来我国有越来越多的心脑血管患者，这些心脑血管患者大都为老年人。而我国同时也是老年人口大国，据统计，我国60岁以上的人数已经占总人数的14.8%。专家预计，从2025年到2050年，我国人口比例可能更加失衡，我国老年人口（60周岁以上）甚至能达到30%

同时我国国民对生活质量要求不断提高，不再是仅仅解决温饱了，养生进入了人们的视线，也是最近几年最流行的词汇。但是由于现代生活快节奏的特点，使年轻人很难抽出时间陪伴在父母身边。这些老年人很需要这种便捷可靠并能快速提供健康信息的电子设备。不光老年人，如今许多的年轻人也因为高强度的工作，他们因为年轻，所以会不太重视自己的身体，不规律的作息，不注重自己的身体，使他们的身体提前透支。由此可见养生，预防疾病，这些词不仅仅是老人的专有词汇，很多年轻人也需要这种可靠便携的电子医疗设备随时提供自己的健康信息^[4]。所以本设计拥有巨大的市场前景。

1.3 研究内容

设计一个心率检测系统，采用 TI 信号链、电源和连接组件。借助 TI的AFE4400，可以加速和简化基于手腕的 HRM 设计过程，同时仍可保障重要健身设计所需的测量性能。该参考设计还包含全套 BLE 连接设计。

本设计一共分为五个模块：前端数据采集模块，数据处理模块，蓝牙传输模块，APP接收模块，电源模块。

第2章 光学心率检测系统的设计方案

2.1 无创心率检测的方法

心率，即每分钟内心跳的次数。心率是可以通过心电信号得到的，也可以从脉搏中得到。一般来说，心率跟脉搏应该是一致的，当人体的心脏跳动时，血液会随着心肌的周期性收缩舒张而流动，并以压力波的形式向全身扩张。这种流动是有规律性的，我们只要测出这种规律，并将其波动的规律传给单片机模块，就能计算出心率。