基于CC430单片机的便携式血氧戒指的设计与实现

摘要

血氧饱和度是一种重要的生命体征参数，它能够有效反映人体的血管运输氧能力以及人体呼吸系统的好坏。尤其是随着老龄化人群的增加，各类心脑血管疾病的发病率逐渐升高，对人体进行连续和实时的血氧饱和度监测，对预防一些潜在的疾病十分重要。
　　目前市场上的血氧饱和度测量仪种类繁多，但大多采用指夹结构的传感器，不易携带且功耗比较高，不能满足人们对便携式和连续监护的需求。本文基于Lambert-beer定律，设计了一种无创的便携式血氧戒指，能够远程监测人体的血氧饱和度及脉率。
　　本文研究了血氧饱和度的测量原理，并在此基础上提出血氧戒指的设计方案。首先是硬件电路的设计和实现。本设计选取CC430F5137单片机作为核心处理器，传感器设计为戒指的形状，体积小，便于携带;设计了滤波和放大电路，能够对传感器采集的信号进行初步的模拟信号处理;参照CC430单片机的数据手册，完成了射频模块的外围电路设计。其次是戒指端软件系统的设计。系统以IAR Embedded Workbench为软件开发工具，完成了对脉搏信号的A/D转换;设计了9阶的FIR低通滤波器和8点移动平均滤波器对信号进行预处理;采用阈值法提取脉搏波信号的特征参数，并根据脉搏信号的特点利用阈值判别法去除运动伪差来获取有效的脉搏信号，以此对系统定标，计算出血氧饱和度和脉率;设计了无线发送功能，通过CC430单片机内部的CC1101射频模块将血氧饱和度和脉率发送至接收模块，由接收模块通过串口传给上位机。最后是上位机端脉搏波的去噪处理。设计了基于提升格式的固定小波去噪算法和基于LMS自适应算法的提升小波去噪方案来去除脉搏波信号噪声，保证系统在信噪比较低的情况下仍能检测到清晰的脉搏波形，便于进一步分析和处理。
　　实验表明，该系统能够远程监测人体血氧饱和度和脉率，且具有便于携带、低功耗等特点，其体积远远小于市场上常见的其他脉搏血氧模块。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 血氧饱和度测量的发展状况

1．3 脉搏血氧饱和度测量仪的发展趋势

1．4 本课题的研究内容与安排

第2章 脉搏血氧饱和度测量原理与方法

2．1 血氧饱和度检测方法

2．2 无创脉搏血氧饱和度测量的原理和方法

2．2．1 透射式脉搏血氧饱和度监测原理

2．2．2 测量波长及测量部位的选取

2．3 血氧饱和度测量的关键技术

2．3．1 环境光干扰的去除

2．3．2 电磁干扰及高频噪声的去除方法

2．3．3 运动伪差去除算法

2．3．4 脉搏波特征提取

2．4 本章小结

第3章 系统的硬件设计与实现

3．1 系统的总体结构

3．2 电源管理模块

3．3 戒指形传感器及预放大模块

3．3．1 传感器戒指

3．3．2 预放大模块

3．4 信号分离模块

3．5 滤波模块

3．5．1 低通滤波模块

3．5．2 高通滤波模块

3．6 交流放大及电平抬升模块

3．7 无线传输模块

3．8 硬件系统的整体电路

3．9 本章小结

第4章 戒指端软件系统设计

4．1 CC430F5137单片机简介

4．2 系统软件设计的整体流程

4．3 系统时钟配置

4．4 驱动脉冲的产生

4．5 A／D转换

4．6 数字滤波

4．6．1 FIR数字滤波

4．6．2 移动平均滤波

4．7 脉搏波信号的检出

4．7．1 特征提取

4．7．2 运动伪差的去除

4．7．3 计算血氧饱和度和脉率

4．8 实验定标及测量结果

4．9 无线传输

4．10 本章小结

第5章 上位机端脉搏波去噪处理

5．1 小波变换与小波展开

5．1．1 小波变换概述

5．1．2 Mallat算法

5．2 基于提升格式的小波变换

5．2．1 小波分解与重构的多相位表示

5．2．2 双正交小波的基本提升步骤

5．3 基于小波变换的阈值去噪方法

5．4 LMS自适应滤波器

5．4．1 最小均方(LMS)算法

5．4．2 步长因子的确定

5．5 基于提升小波的脉搏波去噪算法的实现

5．5．1 提升小波分解层数的确定

5．5．2 基于提升格式的固定小波去噪算法

5．5．3 基于LMS自适应算法的提升小波去噪方法

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢