可監(jiān)測(cè)人體脈搏波及心率鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)
人體脈搏波中蘊(yùn)藏著豐富的生理病理信息,大量的臨床實(shí)測(cè)結(jié)果證實(shí),脈搏波的特征與心血管疾病有著密切的關(guān)系。脈搏波所表現(xiàn)出來(lái)的形態(tài)、強(qiáng)度、速率與節(jié)律等方面的綜合信息的確在相當(dāng)程度上反映出人體心血管系統(tǒng)的許多生理和病理特征。因此采用簡(jiǎn)單易懂的方法獲得人體脈搏波就顯得很重要。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
本文提出了一種可監(jiān)測(cè)人體脈搏波及心率的健康鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)方法,其系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)共分為九個(gè)部分:反射式脈搏波光電傳感器、脈搏波信號(hào)濾波電路、脈搏波信號(hào)放大模塊、鼠標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊、鼠標(biāo)控制模塊、鼠標(biāo)數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機(jī)控制模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊以及Micro USB接口。如圖1所示。
通過(guò)反射式脈搏波光電傳感器采集到包含人體多種生理參數(shù)的信號(hào),然后由脈搏波信號(hào)濾波電路與脈搏波信號(hào)放大模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大,并和鼠標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)在鼠標(biāo)數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機(jī)控制模塊匯集,經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理之后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸模塊形成適合傳輸?shù)诫娔X端的信號(hào)形式,再經(jīng)由Micro USB接口傳輸?shù)诫娔X端進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)處理和顯示。
1.1 反射式脈搏波光電傳感器
將反射式脈搏波光電傳感器放在正常使用鼠標(biāo)時(shí)大拇指所處的位置上(見(jiàn)圖2),采用HG40系列反射式傳感器,紅外發(fā)光二極管作為快速光源,3DU5系列光電三極管作為接收管,組成紅外發(fā)射-接收對(duì)管。光從紅外發(fā)光二極管快速光源發(fā)出后,透過(guò)皮膚和組織,除一部分光被皮膚、肌肉、血液和指甲等吸收外,一部分由血液反射回,由3DU5系列光電三極管轉(zhuǎn)換為電信號(hào),傳感器外部覆有直徑1 cm的濾光片,對(duì)外部光源進(jìn)行過(guò)濾。
1.2 信號(hào)初步處理電路
本電路由脈搏波信號(hào)濾波電路、脈搏波信號(hào)放大模塊兩個(gè)模塊組成,對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大。如圖3,圖4所示。
脈搏波濾波電路輸入端與反射式脈搏波光電傳感器輸出端連接,對(duì)50 Hz工頻干擾信號(hào)進(jìn)行濾除,并傳輸至脈搏波數(shù)據(jù)放大模塊。
由于采集到的信號(hào)微弱,于是設(shè)置脈搏波數(shù)據(jù)放大模塊,接收經(jīng)脈搏波濾波電路濾波后的信號(hào),對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,并將放大后的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)绞髽?biāo)數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機(jī)控制模塊。
1.3 鼠標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊與鼠標(biāo)控制模塊
本部分用于實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的基本功能,包含鼠標(biāo)數(shù)據(jù)采集與鼠標(biāo)控制兩個(gè)模塊。
鼠標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊采用OM02芯片,其中OM02芯片接收來(lái)自LED_XY口與LED發(fā)光管形成的信號(hào),得到鼠標(biāo)方向數(shù)據(jù)。
鼠標(biāo)控制模塊采用eKM8022芯片,鼠標(biāo)控制模塊eKM8022芯片的1管腳L端連接一個(gè)點(diǎn)擊觸發(fā)器SL用于鼠標(biāo)左鍵控制,鼠標(biāo)控制模塊 eKM8022芯片的5管腳R端連接一個(gè)點(diǎn)擊觸發(fā)器SR用于鼠標(biāo)右鍵控制,鼠標(biāo)控制模塊eKM8022芯片3管腳Z1與4管腳Z2連接一個(gè)滾輪作為鼠標(biāo)中間滾輪,鼠標(biāo)控制模塊eKM8022芯片12管腳D+端與13管腳D-端作為信號(hào)輸出端,用于信號(hào)輸出。
上述兩個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)了鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)采集和控制功能。
1.4 單片機(jī)控制模塊
鼠標(biāo)數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機(jī)控制模塊,如圖6所示。針對(duì)反射式脈搏波光電傳感器所采集的信號(hào)特點(diǎn),設(shè)有脈搏波信號(hào)模/數(shù)采集模塊、脈搏波信號(hào)平滑濾波模塊、鼠標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)處理模塊、信號(hào)發(fā)送模塊。
在本模塊,信號(hào)將會(huì)依次進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,平滑濾波等處理,同時(shí)整合鼠標(biāo)采集來(lái)的數(shù)據(jù),發(fā)送到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸模塊。
1.5 電壓轉(zhuǎn)換電路
各個(gè)模塊的工作電壓,驅(qū)動(dòng)電壓要求不同,所以設(shè)置電壓轉(zhuǎn)換電路,將電壓轉(zhuǎn)換成適用于各個(gè)模塊工作的電壓。
電壓轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)USB接口連接電腦端供電,電壓轉(zhuǎn)換模塊的OUT口與脈搏波數(shù)據(jù)放大模塊中的MCP6002芯片的VINB+、 VINB-連接,脈搏波數(shù)據(jù)放大模塊的輸出端VOUTB與鼠標(biāo)數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用單片機(jī)控制模塊電源端口連接,其他模塊供電與電壓轉(zhuǎn)換模塊的OUT口連接。
1.6 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸模塊及Micro USB接口
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸模塊采用CP2102芯片,輸入端接收來(lái)自鼠標(biāo)數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機(jī)控制模塊的數(shù)據(jù)信號(hào),將信號(hào)并行輸入轉(zhuǎn)為通用串行總線,通過(guò)Micro USB接口與電腦端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
2 結(jié) 論
將鼠標(biāo)和反射式光電傳感器結(jié)合制成成品之后,經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試,傳感器能夠很好的測(cè)得人體在手指處的脈搏波并輸出。再經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)端配套軟件對(duì)信號(hào)的處理,能夠很好地、直觀地向用戶(hù)呈現(xiàn)其身體健康狀況。本方案的理念即為將健康引入鼠標(biāo),將健康監(jiān)測(cè)與日常生活融為一體,讓用戶(hù)在日常生活中不用刻意去測(cè)量自身的生理信號(hào),鼠標(biāo)即可自動(dòng)檢測(cè)使用者的多項(xiàng)生理參數(shù)信息,從而了解自己的身體狀況。
本鼠標(biāo)各個(gè)模塊中,除了將反射式脈搏波光電傳感器放在正常使用鼠標(biāo)時(shí)大拇指所處的位置上,其他供電模塊,數(shù)據(jù)處理模塊等均置于鼠標(biāo)內(nèi)部,集成到鼠標(biāo)電路板上。無(wú)論是外觀還是手感,本鼠標(biāo)與普通鼠標(biāo)并無(wú)明顯差異,完全融入到了用戶(hù)的正常生活之中,在用戶(hù)使用鼠標(biāo)的不經(jīng)意狀態(tài)時(shí)檢測(cè)并記錄脈搏波及心率。