基于光電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的創(chuàng)新探索

武昌首義學(xué)院信科院 劉雯娟 陳 青 劉 麗

基于光電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的創(chuàng)新探索

武昌首義學(xué)院信科院 劉雯娟 陳 青 劉 麗

本文主要介紹了在光電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上利用已有的紅外光電傳感模塊及外圍電路搭建快速心率測(cè)試儀系統(tǒng)，其中介紹了心率測(cè)試儀設(shè)計(jì)構(gòu)成及工作原理，分析了光電采樣及濾波放大電路，給出軟件設(shè)計(jì)思想流程圖，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論。

光電傳感器；濾波放大；脈搏測(cè)量；心率

本系統(tǒng)以光電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的單片機(jī)為核心,利用反射式紅外光電傳感器模塊作為信號(hào)測(cè)量器件,測(cè)量脈搏時(shí)人把手指的放在光電傳感器上方,由傳感器獲取脈搏信號(hào),經(jīng)過帶通濾波器過濾掉不需要的雜波,然后經(jīng)過放大器和比較器得到與脈搏相關(guān)的直流脈沖信號(hào),該脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù),從而算出心率周期,最終得到每分鐘心臟的跳動(dòng)次數(shù)(即心率)并在LCD液晶屏上進(jìn)行顯示,同時(shí)還可以設(shè)定上限次數(shù)和下限次數(shù),當(dāng)測(cè)量的結(jié)果超過預(yù)設(shè)的范圍則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警,二極管發(fā)出亮光提醒用戶。

圖1 心率測(cè)量?jī)x構(gòu)成

1 心率測(cè)試儀設(shè)計(jì)構(gòu)成及工作原理

系統(tǒng)由STC89C52、按鍵、LCD1602、紅外光電傳感器、運(yùn)算放大器等部分構(gòu)成,如圖1所示,脈搏測(cè)量的時(shí)候?qū)⑹种阜旁诠怆妭鞲衅魃戏?可以不用接觸)。人脈搏跳動(dòng)的時(shí)候,血管中的動(dòng)脈舒張和收縮的變化將會(huì)引起血液流速的改變,由于靜脈血和動(dòng)脈血對(duì)光的透過率是不一樣的,在光的路徑中就表現(xiàn)為光強(qiáng)的改變,紅外二極管的集電極產(chǎn)生的電流也會(huì)因此而變化,這樣將二極管獲取到的直流信號(hào),通過后續(xù)電路對(duì)其進(jìn)行帶通濾波、放大、對(duì)比整形后,再通過主控系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)處理,最終得到的結(jié)果就是人體每分鐘心率的次數(shù),測(cè)量結(jié)果在液晶屏上顯示出來。另外本系統(tǒng)還設(shè)置有按鍵模塊,方便用戶調(diào)整時(shí)間,以便記錄測(cè)量時(shí)間,還可以設(shè)置心率最大值和最小值,當(dāng)超過預(yù)設(shè)范圍的時(shí)候,單片機(jī)會(huì)觸發(fā)蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出警報(bào)和提醒。

2 硬件主要構(gòu)成

信號(hào)采集電路的功能是利用傳感器獲取脈搏信號(hào)再轉(zhuǎn)換為電信號(hào),但是要獲得系統(tǒng)能識(shí)別的電信號(hào)還必須進(jìn)行帶通濾波,將不規(guī)則的干擾信號(hào)過濾掉。這是得到的電信號(hào)是十分微弱,通常為幾十毫伏,就必須經(jīng)過放大電路加以放大,以滿足整形電路所需的電壓,通常為幾伏。然后再通過整形電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行修正或變換,經(jīng)過整形之后輸出直流的高低電平,這時(shí)信號(hào)就符合計(jì)數(shù)器的要求了。具體電路如圖2所示：ST188為光電傳感器,R7、R8、R12、C5、C6構(gòu)成帶通濾波電路,LM358完成小信號(hào)放大功能,并通過7腳提供單片機(jī)P3.2外部中斷0的脈沖讀入。

3 程序設(shè)計(jì)思想

系統(tǒng)軟件程序是用C語言編寫和調(diào)試的。軟件部分包括顯示模塊、按鍵模塊、紅外傳感器檢測(cè)模塊、采樣后信息處理模塊。通電后單片機(jī)首先進(jìn)行初始化,等待脈搏測(cè)量啟動(dòng),當(dāng)用戶按下開始鍵后則進(jìn)入檢測(cè),當(dāng)檢測(cè)到經(jīng)電路濾波、放大、整形后的紅外傳感器信號(hào)時(shí),判斷是否屬于正常的脈搏信號(hào),這里選用150次/分的脈搏值作為比較值,因?yàn)槿说恼Ｃ}搏不會(huì)超過150次/分,然后程序進(jìn)入中斷,測(cè)出每次脈搏跳動(dòng)的時(shí)間,測(cè)量五次后取平均值,再用60000除以所測(cè)的值,就換算出對(duì)應(yīng)的真實(shí)的脈搏次數(shù),然后在液晶屏幕上顯示。其總體流程圖如圖3所示。

圖2 信號(hào)采集濾波電路

圖3 系統(tǒng)流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試與誤差分析

在進(jìn)行在線調(diào)試觀察時(shí),發(fā)現(xiàn)按鍵掃描函數(shù)沒有添加軟件防抖,造成按鍵讀取不靈活,添加防抖程序如下：

delay_1ms(1);

if(((P3 & 0x78)!= 0x78) && (key_new == 1))

在調(diào)試過程中還發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)只能測(cè)量一次心率,即當(dāng)手指第二次離開傳感器檢測(cè)范圍時(shí),屏幕上仍然顯示前一次所測(cè)的心率值,且一直不變,無法進(jìn)行下一次測(cè)量。通過對(duì)程序軟件的檢查,發(fā)現(xiàn)沒有重新裝載定時(shí)器的預(yù)裝載值,中斷服務(wù)函數(shù)里面少了兩行TH0=0x3c; TL0=0xb0;導(dǎo)致定時(shí)器無法進(jìn)入下一次中斷,在添加了預(yù)裝載值后,這個(gè)問題就得到了解決。

經(jīng)過一系列的調(diào)試和修改,對(duì)心率儀的測(cè)量準(zhǔn)確度做了一個(gè)檢測(cè)分析。先用聽診器測(cè)量一分鐘的實(shí)際心率作為參考值,然后使用心率儀先后檢測(cè)五次,每測(cè)量一次重新復(fù)位系統(tǒng),這樣算出一個(gè)平均值與實(shí)際值進(jìn)行比較,然后重復(fù)上述操作五次,共得到五組數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 誤差分析表

然后由均方差公式計(jì)算得：

誤差分析：在誤差允許的范圍內(nèi),心率測(cè)試儀的設(shè)計(jì)符合測(cè)量要求。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)是一種無創(chuàng)非接觸式便攜心率測(cè)試系統(tǒng),其特點(diǎn)就是體外間接測(cè)量人體生理參數(shù),不傷害人的身體,測(cè)量精度要比依靠手工脈診要高,還能夠自動(dòng)消除儀表自身系統(tǒng)的誤差。該設(shè)計(jì)體積小,集成度高,實(shí)時(shí)可視,易于使用等優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)完成后通過實(shí)際測(cè)試證明系統(tǒng)己能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。