一種基于單片機(jī)的紅外脈搏計(jì)

陳文明

摘要：本文從毛細(xì)血管的容積隨人體脈搏規(guī)律變化的生理現(xiàn)象出發(fā)，提出一種基于單片機(jī)的紅外脈搏計(jì)設(shè)計(jì)方案。該方案運(yùn)用紅外傳感器提取血管容積變化信息，通過(guò)信號(hào)放大電路，將微弱的容積變化信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀着袆e的數(shù)字脈沖，通過(guò)stc89c52單片機(jī)的處理，最終計(jì)算出人體的脈搏頻率。文中對(duì)影響計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性的噪聲產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，給出了減小干擾的幾點(diǎn)改進(jìn)方法。

關(guān)鍵詞：脈搏計(jì)數(shù) 單片機(jī) 紅外傳感器

中圖分類號(hào)：TH776 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）08-0015-02

脈搏是心腦血管健康狀況的重要指標(biāo)。脈搏的采集方法從簡(jiǎn)單的用手指感受，到使用復(fù)雜設(shè)備的提取[1]，從基本原理上分為以下幾種：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應(yīng)變式脈搏傳感器。相比較而言，光電檢測(cè)技術(shù)能夠有效避開(kāi)電磁干擾，具有良好的穩(wěn)定性，而且不會(huì)對(duì)被檢測(cè)者產(chǎn)生任何傷害，能夠做到非入侵的檢測(cè)病人的各種信息[2]。目前缺少一種便攜的低成本高準(zhǔn)確度和靈敏度的采用光電檢測(cè)技術(shù)的脈搏傳感器，基于這樣的市場(chǎng)需要，展開(kāi)設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 脈搏的提取

采用光電檢測(cè)技術(shù)，意在將脈搏的生物信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣饷}沖信號(hào)，后將光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)從而方便處理。血液的蛋白質(zhì)成分主要分為血紅蛋白和氧合血紅蛋白，血紅蛋白和氧合血紅蛋白對(duì)紅外線吸收相對(duì)較弱，因此在血液中紅外線更容易傳播。用紅外線照射毛細(xì)血管，隨著脈搏的起伏，血管中血紅蛋白和氧合血紅蛋白的數(shù)量在不斷變化，因此透射出來(lái)的紅外光線的強(qiáng)度也會(huì)不斷變化，形成光脈沖。采用光敏元件將光脈沖轉(zhuǎn)換為變化的電流信號(hào)，即完成了對(duì)脈搏生物信號(hào)的提取。

1.2 電信號(hào)處理

由于透射的紅外線相對(duì)微弱，變化也不明顯，因此電脈沖較為微弱，為了便于處理，需要進(jìn)行放大和整形。將正弦形式的信號(hào)放大整形為方波形式。之后將該信號(hào)送入單片機(jī)中進(jìn)行處理。得出數(shù)據(jù)并最終在液晶屏上顯示。

2 系統(tǒng)的硬件電路

硬件電路由信號(hào)采集電路，信號(hào)放大電路，信號(hào)處理電路和顯示電路四個(gè)部分組成。四部分流程圖如下圖1所示。

2.1 信號(hào)采集電路

信號(hào)采集電路的作用就是提取脈搏信號(hào)。我們采用成本低，電路易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)功耗低靈敏度高的F5紅外對(duì)管作為傳感器。

測(cè)量脈搏時(shí)紅外對(duì)管的使用方法目前主要有透射式和反射式兩種，經(jīng)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)，得出反射式可測(cè)信息較多可以準(zhǔn)確測(cè)出容積的變化，缺點(diǎn)是對(duì)電路的要求高，需要更高的靈敏度，實(shí)現(xiàn)成本高，難度大。而透射式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，雖然反映信息較少，但是可以準(zhǔn)確反映手指血液容積的變化，滿足我們的設(shè)計(jì)需求。因此采用透射式結(jié)構(gòu)。

電路圖如下圖2所示。

D2是紅外發(fā)射管，流經(jīng)電流越大，發(fā)射紅外線強(qiáng)度越大，紅外線發(fā)射角度越小，找到合適的電流值應(yīng)該根據(jù)不同的需要而定，經(jīng)測(cè)試R7使用360Ω的電阻可以達(dá)到較好的采集效果。如果R7過(guò)大，將導(dǎo)致紅外接收二極管（D3）接收到的紅外線微弱，無(wú)法區(qū)別透射過(guò)來(lái)的紅外線攜帶的脈搏信號(hào)。反之，R7過(guò)小，透射的紅外線強(qiáng)度高，導(dǎo)致變化的脈搏信號(hào)變化相對(duì)幅度減小，線紅外接收二極管無(wú)法正常判斷。采用電容C8隔斷直流分量是為了避免當(dāng)手指突然離開(kāi)紅外傳感器或檢測(cè)環(huán)境干擾光線較強(qiáng)時(shí)，輸入端的直流電壓出現(xiàn)劇烈變化，而對(duì)下級(jí)電路產(chǎn)生不良的影響。

2.2 信號(hào)放大整形電路

采集到的微弱的正弦信號(hào)需要進(jìn)行放大整流后變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)供處理電路處理。該部分電路如下圖3所示。

該部分電路選LM358，包括兩個(gè)運(yùn)算放大器。

第一級(jí)為閉環(huán)應(yīng)用，放大倍數(shù)為：

理論上放大倍數(shù)Av可達(dá)無(wú)窮。實(shí)際操作中調(diào)節(jié)變阻器R6使放大效果達(dá)到最好。C6是運(yùn)放輸入補(bǔ)償電容，防止上限頻率因R5的增大而降低，并消除因寄生電容產(chǎn)生的輸出電壓相位的滯后。

第二級(jí)為開(kāi)環(huán)應(yīng)用，Vcc設(shè)定為5V因此當(dāng)輸入電壓高于2.5V時(shí)輸出高電平，電壓低于2.5V時(shí)輸出低電平。供下級(jí)電路處理。

2.3 信號(hào)處理及顯示電路

信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后輸入該部分電路，經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)液晶屏顯示，因?yàn)樘幚黼y度不大，對(duì)處理芯片的要求不高。本設(shè)計(jì)使用較為常見(jiàn)且低價(jià)的STC89C52單片機(jī)作為處理芯片。顯示部分使用1602液晶屏。電路流程如下圖4所示。

2.4 噪聲處理

實(shí)際使用過(guò)程中，上述電路設(shè)計(jì)方法雖然能夠得到想要的結(jié)果，但是測(cè)量的精度有待進(jìn)一步提高，信號(hào)采集部分電路有待完善。由于人的脈搏基本處于50次/分鐘到200次/分鐘的范圍內(nèi)，所以頻率區(qū)間為0.78～3.33Hz，屬于低頻。因此在信號(hào)采集時(shí)可以通過(guò)添加高頻濾波來(lái)有效降低高頻干擾。

信號(hào)首先經(jīng)過(guò)R2，C3濾除高頻干擾，后由C1，C2耦合到線性放大器輸入端，集成運(yùn)放741和R5，C4構(gòu)成了低通濾波器。截至頻率為：1/（2πR5C4）≈3.39Hz。

3 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

該設(shè)計(jì)軟件部分主要有四個(gè)核心：液晶屏1602的控制、單片機(jī)中斷的控制、測(cè)量上下限的設(shè)置以及心率的計(jì)算。

1602液晶屏的控制按照器件說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)。單片機(jī)中斷的初始化在主函數(shù)中進(jìn)行，中斷的開(kāi)啟和關(guān)閉配合測(cè)量上下限的設(shè)置進(jìn)行調(diào)整。

在主函數(shù)中首先設(shè)置定時(shí)器中斷觸發(fā)時(shí)間為50ms，開(kāi)啟外部中斷，但此時(shí)并不開(kāi)啟定時(shí)器中斷。當(dāng)接收到電平跳變的信號(hào)時(shí)，外部中斷被觸發(fā)，此時(shí)打開(kāi)定時(shí)器中斷。

使用一個(gè)計(jì)數(shù)器，每次定時(shí)器中斷觸發(fā)計(jì)數(shù)器加一。在外部中斷中添加判斷，只有當(dāng)該計(jì)數(shù)器大于6時(shí)才進(jìn)行計(jì)算，小于6時(shí)此次中斷忽略。即當(dāng)且僅當(dāng)兩次外部中斷的觸發(fā)時(shí)間間隔大于300ms（50×6）才會(huì)被記錄。記錄兩次觸發(fā)的時(shí)間間隔作為一次脈搏間隔?？梢运愠鰷y(cè)量的上限脈搏為200次/分鐘（60000ms÷300ms）。在定時(shí)器中斷函數(shù)中添加判斷，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值大于25時(shí)所有參數(shù)清零，并關(guān)閉顯示。也就是時(shí)間間隔大于1250ms視為無(wú)脈搏關(guān)閉測(cè)量和顯示?？梢运愠鰷y(cè)量的下限為48次/分鐘。

連續(xù)測(cè)量到六次脈搏間隔，求期望后換算為一分鐘的脈搏顯示出來(lái)。假設(shè)心率為80次/分鐘，那么從開(kāi)始測(cè)量到顯示所需的時(shí)間為4.5秒，測(cè)量速度快。

4 抗干擾措施及方法

設(shè)計(jì)初步成型后存在顯示數(shù)據(jù)跳動(dòng)較大的問(wèn)題，經(jīng)分析主要有以下原因：

4.1 測(cè)量次數(shù)脈搏傳感器測(cè)量的影響

從程序說(shuō)明中可以看到我們的測(cè)量持續(xù)時(shí)間大概為4.5秒左右，持續(xù)時(shí)間短，從統(tǒng)計(jì)角度看不確定性大，因此測(cè)量結(jié)果跳變較大?？梢赃m當(dāng)?shù)脑黾訙y(cè)量次數(shù)，依據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，改變程序的參數(shù)，進(jìn)而得到符合使用條件的數(shù)據(jù)。

4.2 環(huán)境光對(duì)脈搏傳感器測(cè)量的影響

在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號(hào)不僅包含帶有所需脈搏信息的透射過(guò)手指的光的信號(hào)，而且包含測(cè)量環(huán)境中的背景光信號(hào)，對(duì)脈搏的測(cè)量產(chǎn)生了干擾，因此測(cè)量過(guò)程中要保持測(cè)量背景光的穩(wěn)定，并盡量減少背景光的照射，從而減少背景光的干擾[3]。測(cè)量環(huán)境下的背景光由兩部分組成，分別是環(huán)境光和在測(cè)量過(guò)程中引起的二次反射光。

降低環(huán)境光對(duì)脈搏信號(hào)的影響可以采用指套式的包裝。指套采用不透光的介質(zhì)。另外為了減少二次反射光的影響，可以在指套內(nèi)部表面涂上一層吸光物質(zhì)，吸收照射到表面的光線。

4.3 測(cè)量過(guò)程中運(yùn)動(dòng)噪聲的影響

在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)以下兩個(gè)簡(jiǎn)單的方法有效的減少運(yùn)動(dòng)噪聲：一是提高指套式傳感器的機(jī)械穩(wěn)定性；二是從軟件的角度入手，通過(guò)改進(jìn)算法來(lái)減小誤差。

5 結(jié)語(yǔ)

此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低廉，性價(jià)比較高，可快速測(cè)量脈搏，穩(wěn)定性好誤差小，維修簡(jiǎn)單。成品體積小，可以用于醫(yī)院和家庭，有廣泛的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)

[1]于賀輝.基于USB2.0接口的新型脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué)，2008.

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