一種便攜式心率檢測儀的設計

石肖伊，王先全，趙雨倩

（重慶理工大學，重慶 400054）

0 引言

心率是體現(xiàn)血液循環(huán)機能的重要生理指標，準確、及時記錄心率等數(shù)據(jù)，能夠有效預防心腦血管疾病，幫助問診［1］?；诳萍嫉牟粩喟l(fā)展，越來越先進的檢測技術不斷產(chǎn)生。國內(nèi)外設計各種各樣的心率檢測系統(tǒng)，研究心率傳感器是設計心率檢測系統(tǒng)的根本。

姚鳴放等［2］采用由發(fā)射角寬的紅外線發(fā)光二極管和光電三極管組成的心臟搏動信號換能器。其中光電三極管［2］紅外光匹配性能強、透鏡敏感度高、集電極電流范圍大。由于血液中的血紅蛋白具有吸收近紅外線的生物效應，因此換能器具有高靈敏度和穩(wěn)定的輸出信號。但是該傳感器測得的心率值誤差較大、心率數(shù)值不穩(wěn)定且受外界干擾影響較大。呂峻達等［3］選用了型號為ST188的紅外光電傳感器。手指腹部置于發(fā)射端和接收端之間，光電二極管根據(jù)心率的不斷變化采集信號。該傳感器占用的體積較小，重量較輕，可以進行高靈敏度進行識別。盧超［4］選用了HK-2000B 脈搏傳感器，HK-2000B 脈搏傳感器采用高度集成化工藝將力敏元件（PVDF 壓電膜）、靈敏度溫度補償元件、感溫元件、信號調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)。該傳感器［4］具有靈敏度高、抗干擾能力強、過載能力大、一致性好、性能穩(wěn)定、使用壽命長等特點。但是采用脈搏傳感器的壓電陶瓷片只能適用于手腕和頸部，會存在無法避免的誤差，有時是和信號相似的低頻率波形，即使通過了濾波電路仍不可完全消除，且人體手腕或頸部的運動，會對信號采集存在一定的影響。綜上所述，從傳感器的制作工藝、材料的選取、受外界的干擾信號的干擾程度和制作過程中前級電路的處理難易程度上考慮，利用光電式傳感器原理簡單易懂，操作簡單、佩戴方便、可靠性高。

本設計的中心控制單元選擇STC89C52［5］，選用光電傳感器接收不同信號，間接測量人體心率。單片機與LCD連接以顯示心率數(shù)據(jù)。本設計的心率檢測儀功耗低、穩(wěn)定性好，方便日常生活檢測。

1 心率檢測原理

心臟器官跳動，人體組織半透明度則會產(chǎn)生較為顯著的變化。當血液傳送回心臟部位時［6］，組織的半透明度會增大；但是血液輸送人體各部位時，則會減小。這種現(xiàn)象常見于指尖等部位。

紅外光電二極管發(fā)射紅外光，血液反射紅外光［7-11］，高靈敏度光電晶體管吸收反射紅外光。不同的血液量反射的紅外線量不同，這種不同經(jīng)過濾波、放大和整形后得到高低電平，采集、計算后可得到心率。如圖1 所示。

圖1 手指光吸收量變化示意圖

本設計采用ST188紅外光電傳感器采集指尖心率信號［12］，經(jīng)過傳感器獲得的心率信號約略為正弦波，然后經(jīng)過濾波、放大和整形電路的處理變?yōu)榉讲?。將方波輸入到單片機內(nèi)部進行程序處理得到心率數(shù)值，通過單片機電路與液晶顯示電路的相互轉(zhuǎn)換，把獲取到的心率數(shù)值最終顯示在液晶屏上。由此，可以精確、方便地讀取測量者的心率值。本課題設置了心率報警電路。當讀取的心率數(shù)值低于或者高于設定閾值時，單片機驅(qū)動蜂鳴器實現(xiàn)報警功能。心率檢測系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 心率檢測原理

2 方案設計

2.1 硬件電路

2.1.1 信號采集與處理模塊

圖3 所示為手指心率信號的采集電路，U2 是紅外發(fā)射和接收裝置。將手指指腹放置于ST188 傳感器的上方，該傳感器會精確識別心率信號并采集轉(zhuǎn)換為電信號。該傳感器體積小、性價比與精確度都高。

圖3 反射式光電傳感器

圖4 所示為信號采集電路ST188 由紅外光電二極管和高敏度光電晶體管組成ST188 光電式傳感器，采用反射式非接觸檢測。二極管電路中的電流越大，二極管產(chǎn)生的發(fā)射強度越大。傳感器電路檢測接收管的信號，通過示波器觀察接收管是否接收到反射的紅外線。

圖4 信號采集電路

2.1.2 濾波電路

光電傳感器將采集到的心率信號轉(zhuǎn)換成電信號，發(fā)送給濾波電路［13］以便于實現(xiàn)對采集信號的濾波。之所以選擇設置頻率內(nèi)的心率信號是因為人體的心率信號比較微弱。選擇3 個電阻和3 個電容，將高通與低通濾波電路串聯(lián)為帶通濾波電路，使測量所需的該頻帶內(nèi)的信號可以通過，提高電路的干擾能力。

根據(jù)帶通濾波電路可知：

所以該濾波電路濾除了大于15.92 Hz 和小于0.66 Hz的干擾。按照正常人心率為60～100 次/min 考慮，該濾波電路滿足要求。如圖5 所示。

圖5 濾波電路

2.1.3 信號處理模塊

選擇LM382 芯片來設置信號放大電路和整形電路，該芯片有兩個獨立的運算放大器，具有高增益和內(nèi)部頻率補償?shù)奶攸c，能夠滿足設計要求。本設計選用了同相放大電路。放大倍數(shù)為：

雖然通過濾波、放大后的信號容易測量，但無法避免一些低頻和不規(guī)則脈沖信號的干擾。因此在放大電路之后設計了電壓比較器對心率信號處理。當電壓比較器接收到心率信號時，心率信號將會與參考電壓相比。如果參考電壓小于心率信號，將輸出高電平，否則是低電平。在信號輸出端接了一個LED燈用作指示心率信號的跳動狀態(tài)。如果傳感器檢測到了心率信號，則LED燈會有規(guī)律地閃爍。如圖6 所示。

圖6 信號處理電路

2.1.4 STC89C52 單片機電路

本設計采用的是STC89C52 單片機作為控制芯片，它是由STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8 K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。單片機電路中設置了復位電路和晶振電路。STC89C52 的P0 口連接了10 K的排阻且與LCD的7～14 相連。心率采集輸出電路與P1.0 相連，鍵盤電路則由P3.0、P3.1、P3.2所構成，報警電路與P2.4 連接。主控電路如圖7 所示。

圖7 STC89C52 主控電路

2.1.5 數(shù)據(jù)顯示模塊

LCD1602 液晶顯示模塊用于數(shù)據(jù)顯示［14］。7～14 為傳輸顯示數(shù)據(jù)的引腳；LCD 的R/W 連接單片機的P2.6口并通過編程實現(xiàn)對LCD 讀和寫的操作；RS 為寄存器的選擇功能；液晶屏的使能端為引腳E；為了實現(xiàn)液晶屏的亮度調(diào)節(jié)，采用R11 和R12 的分壓電路連接。具體電路連接如圖8 所示。

圖8 LCD1602

2.1.6 數(shù)據(jù)報警模塊

數(shù)據(jù)報警模塊由心率設置范圍電路和報警電路組成。心率設置范圍電路由SW2、SW3、SW4 所按鍵組成。SW1 實現(xiàn)LCD 頁面切換。心率的上下限由按鍵SW3、SW4 設置。SW4 具體顯示心率值。蜂鳴器、三極管和電阻組成報警電路。當單片機的P2.4 輸出低電平時，三極管導通，蜂鳴器電路有電流會響。輸出高電平時，三極管不導通，蜂鳴器不響。當檢測得到的心率數(shù)值超過心率設置范圍時，由單片機控制蜂鳴器則會發(fā)出鳴叫。如圖9～10 所示。

圖9 鍵盤電路

2.2 系統(tǒng)軟件

軟件設計的開發(fā)環(huán)境為Keil。由主程序、液晶顯示子程序、定時器子程序等構成了系統(tǒng)的軟件設計。

首先進行單片機的初始化，清除一些參數(shù)和設置心率上下限的初始值。當被測者按下按鍵時，則會實現(xiàn)相應的功能。當輸入心率信號到單片機中，通過1min的測量獲取到心率值，在LCD1602 顯示屏上顯示。通過控制按鍵2、按鍵3、按鍵4 設置心率上下限。如果超出上下限則會驅(qū)動蜂鳴器響，實現(xiàn)報警功能。如圖11所示。

圖10 蜂鳴器電路

圖11 主程序流程

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 信號采集模塊

按照最早所設計的原理圖，如圖12 所示。把整個信號采集與處理模塊的電路圖焊接完畢。測試時LED不會隨著手指心率的改變而隨之閃爍。經(jīng)過分析與測試，確定是濾波電路存在問題。在設置濾波電路前加入帶通濾波電路，找到心率信號。

圖12 設計之初的信號采集電路圖

傳感器輸出的正弦波幅度很小，經(jīng)整形輸出后檢測到的脈沖還是很弱，在確定電路沒有問題的情況下把圖12 的R10 改為電位器，加強信號的放大倍數(shù)。在準確設置R10 的電阻值后，把指尖放到傳感器測得的心率信號就很靈敏，且LED1 會隨著心率信號的跳動隨之閃爍，具體焊接實物如圖13 所示。為了使采集的心率值更加精確、穩(wěn)定，根據(jù)所示的原理圖設計了PCB板，實物圖如圖14 所示。單片機輸入信號如圖15所示。

圖13 焊接采集心率電路

圖14 心率采集模塊

圖15 心率采集信號

3.2 單片機最小系統(tǒng)

單片機這一部分首先根據(jù)電路圖在洞洞板進行焊接。在進行測試時發(fā)現(xiàn)設置的線路多且雜，只能通過杜邦線連接。線路連接的杜邦線較多且線路連接不穩(wěn)定，LCD顯示屏不能正確顯示。通過萬用表測試電路，發(fā)現(xiàn)電路部分沒有問題。所以最后改用了PCB板來實現(xiàn)單片機系統(tǒng)的功能。PCB板如圖16 所示。

圖16 單片機系統(tǒng)模塊

3.3 系統(tǒng)測試

根據(jù)程序通過信號發(fā)生器輸出頻率的改動，觀察LCD屏幕的心率值是否正確。經(jīng)測試，程序能夠正確顯示心率值。但當使用采集心率模塊時，發(fā)現(xiàn)心率值并不穩(wěn)定且數(shù)值的波動范圍大。根據(jù)網(wǎng)上查閱有關心率相關的知識及資料，修改所設計的程序，使得利用采集心率電路輸入信號，能夠精確、穩(wěn)定地顯示心率值。

通過多次測試之后，把電源轉(zhuǎn)換為設計的USB 電源，發(fā)現(xiàn)電路的電壓并未達到設計的電壓值。更換電源采用的電路模塊，減少電源模塊的杜邦線連接，設計心率檢測儀的PCB板，保證電路電源電壓的穩(wěn)定。

進人測量狀態(tài)后，測量值不穩(wěn)定，主要是光電傳感器受到手指指尖汗液的影響以及手機等電磁波干擾，將手機關機且測量前擦干指尖汗液即可。

3.4 數(shù)據(jù)分析

心率測量儀整體系統(tǒng)于2022 年4 月29 日15∶00 在第三實驗大樓A120 進行測試，采用測試者1 與測試者2的采集心率數(shù)據(jù)，標準數(shù)值與測量值對照如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)對照表

由于測試者1 在當時測量的心率標準值一樣，根據(jù)標準差公式對胡蝶的心率數(shù)據(jù)進行計算：

標準差σ可作為測量數(shù)據(jù)中測量不可靠性的評定標準。標準差σ的數(shù)值越小，測量的可靠性越大，測量精度高。由式（4）知，測得胡蝶的心率數(shù)值比較可靠。

在實際測量時，人工與檢測儀測量的數(shù)值會有誤差。這是由于系統(tǒng)誤差和人為誤差共同影響所造成的。系統(tǒng)誤差是由實際檢測時，人體脈搏強度不穩(wěn)定所造成。人為誤差是由計數(shù)開始和結(jié)束時間把握不準所造成。

4 結(jié)束語

手指心率檢測儀的采用以STC89C52 單片機為控制核心，采用紅外光電傳感技術，通過對心率信號的分析和處理，最終在LCD1602 顯示心率值。該系統(tǒng)能夠準確、實時地測量心率，采用了報警功能來提醒測量者的心率值異常且具有高精度、可靠性高等特點，能夠滿足日常生活中的檢測需求，有效實現(xiàn)對心率的實時監(jiān)測，具有較好的市場前景以及推廣價值。由于設計時間短，知識有限，本次設計還存在一些不足，如電路板復雜，程序不夠簡練，光電傳感器的靈敏度不夠高；同時此次設計的測量儀功能比較單一，沒有如語音系統(tǒng)實現(xiàn)自動讀出心跳次數(shù)等人性化功能。對本設計加以改進的話，能夠?qū)崿F(xiàn)在手機App 和電腦上實現(xiàn)通信，實時檢測家人的心率情況以及更多的智能設置。