一款便于攜帶心率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

袁紅梅

摘要：設(shè)計(jì)了一款便于攜帶的小型心率測(cè)量?jī)x器，其信號(hào)的采集設(shè)備為紅外對(duì)管傳感器，采用最小單片機(jī)系統(tǒng)作為核心控制器，使用0，96寸的OLED屏幕顯示心率，且當(dāng)心率不在人體正常心率范圍內(nèi)時(shí)，能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

關(guān)鍵詞：紅外對(duì)管；單片機(jī)；顯示器；報(bào)警

0引言

近年來，根據(jù)各類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，由于各種因素并存導(dǎo)致每年有相當(dāng)多的人死于心臟病。而心臟出現(xiàn)問題時(shí)，心率會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，因此如能及時(shí)測(cè)量心率，發(fā)現(xiàn)生命體征異常，將能大大提高搶救病人的成功率。目前市場(chǎng)上流行的心率測(cè)量?jī)x品種較多，但大多都是采用壓力傳感器來采集心率信號(hào)，再送至相應(yīng)電路處理。這種心率測(cè)量?jī)x器雖然性能較穩(wěn)定，但是其體積較大，比較笨重，不便于攜帶，因此本文在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款便于攜帶的輕便的心率測(cè)量?jī)x，使用戶能實(shí)時(shí)實(shí)地測(cè)量心率。

1設(shè)計(jì)原理

目前市場(chǎng)產(chǎn)品中心率測(cè)量方法主要分為動(dòng)脈血壓法、心電信號(hào)測(cè)量法（ECG）、光電心率測(cè)量法（PPG）三種，考慮到便于攜帶，人體舒適度、成本等因素，本設(shè)計(jì)采用了光電心率測(cè)量法。由于人體血液濃度一直處于變化狀態(tài)，其變化頻率與心臟擴(kuò)張與收縮頻率一致。當(dāng)心臟出現(xiàn)收縮時(shí)，人體血管里的血液濃度高，此時(shí)透明度低，紅外對(duì)管的接收管處于截止?fàn)顟B(tài)，電路無電流流過，因此輸出幅度較大的電壓：同樣，當(dāng)脈搏擴(kuò)張時(shí)，人體血管內(nèi)血液濃度低，紅外發(fā)射管發(fā)射的光比較容易透過血管，此時(shí)紅外對(duì)管接收管因正偏導(dǎo)通，電路輸出較低的電壓信號(hào)。信號(hào)采集電路采集此隨心臟擴(kuò)張與收縮變化的電信號(hào)，并將此送入單片機(jī)進(jìn)行處理，最終計(jì)算出人的心率值，通過OLED顯示屏顯示。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，本設(shè)計(jì)主要包括光電傳感模塊、信號(hào)采集處理模塊、單片機(jī)控制模塊、顯示模塊、蜂鳴報(bào)警模塊及電源模塊等部分。

光電式傳感器的作用是把光信號(hào)通過接收管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而便于電子線路分析處理。信號(hào)處理模塊的任務(wù)是將從前面模塊獲得的低頻電信號(hào)進(jìn)行處理，包括濾除直流成分、兩級(jí)信號(hào)放大、半波整流去除負(fù)脈沖，RC濾波，得到與心臟跳動(dòng)規(guī)律一致的低頻正脈沖信號(hào)。單片機(jī)控制模塊將信號(hào)采集模塊輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，從而測(cè)得心率。單片機(jī)控制模塊由C8051F410、外部中斷、外部晶振等組成。顯示模塊任務(wù)是，顯示測(cè)得的心率數(shù)據(jù)。蜂鳴報(bào)警模塊的作用是：當(dāng)測(cè)得的心率值超過正常值時(shí)，電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)。最后，各模塊工作需要能量，它們的能量都由電源模塊集中提供。本設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

3硬件設(shè)計(jì)

3，1光電傳感器模塊

綜合考慮各方面因素，本模塊主要由紅外對(duì)管光電傳感器構(gòu)成。使用光電傳感器，能直接把人體脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。人體指尖的動(dòng)脈比較發(fā)達(dá)，因此信號(hào)采集直接采集人體指尖信號(hào)，當(dāng)被測(cè)試者把指尖放置到紅外對(duì)管中間時(shí)，紅外發(fā)射管發(fā)射出的光線穿透人體生物組織，并通過指骨反射送回紅外接收管，此時(shí)反射回來的信號(hào)強(qiáng)度隨著血液濃度變化規(guī)律一致，紅外接收管接收反射回來的光信號(hào)，并把其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送給后級(jí)電路。

3，2信號(hào)采集處理模塊

本模塊包括信號(hào)放大和信號(hào)比較兩部分，電路如圖2所示。

信號(hào)放大。由于人體的脈搏信號(hào)非常小，采集時(shí)容易產(chǎn)生很多干擾，不便于處理，因此，對(duì)于采集到的電信號(hào)需要進(jìn)行濾波、整形、放大等處理。電容C36作用，隔直通交，濾除采集到的無用的直流信號(hào)，保留隨脈搏變化的交流信號(hào)，此信號(hào)較弱，需送入放大電路放大成較強(qiáng)的信號(hào)。這里采用集成運(yùn)放μA741，根據(jù)其使用說明，在其周圍接上相關(guān)元器件，使其工作在運(yùn)放線性放大區(qū)。為了得到較大的電壓，本設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行了兩次放大。VD1實(shí)現(xiàn)半波整流，便于后面電路處理。

信號(hào)比較。本設(shè)計(jì)采用OP07進(jìn)行電壓比較。工作原理為：在集成運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端分別輸入兩個(gè)模擬信號(hào)，一個(gè)為待測(cè)信號(hào)，一個(gè)為基準(zhǔn)信號(hào)，當(dāng)基準(zhǔn)信號(hào)幅度大于獲得的信號(hào)幅度時(shí)，電路輸出0V電壓，反之則顯示約8V的高電平。所以當(dāng)待測(cè)信號(hào)不斷輸入時(shí)，在集成運(yùn)放的輸出端則連續(xù)輸出幅度為8V和0V的矩形波信號(hào)，將此此信號(hào)進(jìn)行分壓，送入單片機(jī)處理。

3.3單片機(jī)控制模塊

本次設(shè)計(jì)采用單片機(jī)8051F410，構(gòu)成最小系統(tǒng)，信號(hào)來自于信號(hào)采集處理模塊INT，MCU設(shè)置成負(fù)跳變中斷觸發(fā)模式。當(dāng)脈沖信號(hào)出現(xiàn)下降沿時(shí)，將觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，進(jìn)入獲取定時(shí)器計(jì)數(shù)值，之后清除定時(shí)器計(jì)數(shù)值，讓定時(shí)器從0開始計(jì)數(shù)。當(dāng)?shù)诙€(gè)脈沖下降沿出現(xiàn)時(shí)，再次讀取定時(shí)器數(shù)值，此數(shù)據(jù)即為相鄰兩次心跳間隔周期，最后經(jīng)過單片機(jī)程序計(jì)算出人體心率值。電路如圖3所示。

3.4顯示、報(bào)警模塊

根據(jù)本設(shè)計(jì)要求及特點(diǎn)，并綜合分析市場(chǎng)上各類顯示器，綜合其優(yōu)缺點(diǎn)，最終選定0.96寸的OLED為顯示器。其體積非常小、因此重量很輕，性能很穩(wěn)定，價(jià)格低，非常適合日常攜帶。因此本設(shè)計(jì)中OLED的3腳、4腳、5腳、6腳、7腳分別與單片機(jī)I/O口P1，3，P1，4，P1，5，P1，6，P1，7對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。

根據(jù)資料顯示，健康人體的心率值在每分鐘60-120之間，當(dāng)心率值超過120或小于60時(shí)，單片機(jī)會(huì)發(fā)出信號(hào)，使蜂鳴器報(bào)警。由于單片機(jī)控制器的引腳輸出電流的能力較弱，不能自己驅(qū)動(dòng)這些元件，因此需要在單片機(jī)的輸出端配接三極管，實(shí)現(xiàn)功率放大，使其輸出功率足夠驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲響。

3.5電源模塊

電源模塊采用鋰電池輸出3.3V電壓，經(jīng)過TP5410升壓電路，輸出5V電源，該電源為OLED顯示電路、單片機(jī)控制電路提供能量。由于信號(hào)處理電路部分需要±10V的直流電源，因此，5V電源需要送入MAX232電源轉(zhuǎn)換電路，使其輸出±10V電源，為信號(hào)處理電路提供能量。

4軟件設(shè)計(jì)

主程序流程如圖4所示。心率計(jì)主板初始上電后，單片機(jī)將首先執(zhí)行初始化程序，其主要用來配置液晶顯示器的初始化代碼、wifi的初始化代碼及單片機(jī)外設(shè)中的定時(shí)器配置代碼。設(shè)置外部中斷為下降沿觸發(fā)方式并開啟外部中斷，當(dāng)有心率信號(hào)輸入時(shí)，產(chǎn)生外部中斷，進(jìn)入外部中斷程序，此時(shí)獲取定時(shí)器累計(jì)的時(shí)間，包括定時(shí)器計(jì)數(shù)值、定時(shí)器TH0和TL0的值，通過計(jì)算獲取心率，清除定時(shí)器計(jì)數(shù)值、定時(shí)器TH0和TL0的值，以便下次外部中斷進(jìn)入時(shí)再次獲取脈沖的間隔時(shí)間。當(dāng)有外部中斷產(chǎn)生時(shí)，在主程序中執(zhí)行心率數(shù)據(jù)處理，處理方式為，通過計(jì)算相鄰兩次心率出現(xiàn)的間隔時(shí)間來獲得被測(cè)人員心率值。

5結(jié)束語

本設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)是信號(hào)的提取與分析處理以及單片機(jī)的控制電路的設(shè)置。采集人體心率信號(hào)時(shí)使用了紅外對(duì)管，因?yàn)槿梭w血液濃度隨著心臟擴(kuò)張與收縮而發(fā)生相應(yīng)的變化，紅外對(duì)管就采集到這個(gè)變化的信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成便于電路處理的電信號(hào)。隨后對(duì)其進(jìn)行濾波、放大、比較等處理，篩選出與脈搏變化規(guī)律一致的電信號(hào)，并將其送至最小單片機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)過單片機(jī)處理后，由顯示器顯示心率數(shù)值，并附帶報(bào)警功能。此款心率計(jì)使用了貼片單片機(jī)芯片，使用了0.96寸的OLED，因此其體積小也便與攜帶。