袁紅梅

摘要：設計了一款便于攜帶的小型心率測量儀器，其信號的采集設備為紅外對管傳感器，采用最小單片機系統(tǒng)作為核心控制器，使用0，96寸的OLED屏幕顯示心率，且當心率不在人體正常心率范圍內(nèi)時，能及時發(fā)出報警信號。

關鍵詞：紅外對管；單片機；顯示器；報警

0引言

近年來，根據(jù)各類統(tǒng)計數(shù)據(jù)，由于各種因素并存導致每年有相當多的人死于心臟病。而心臟出現(xiàn)問題時，心率會發(fā)生相應的改變，因此如能及時測量心率，發(fā)現(xiàn)生命體征異常，將能大大提高搶救病人的成功率。目前市場上流行的心率測量儀品種較多，但大多都是采用壓力傳感器來采集心率信號，再送至相應電路處理。這種心率測量儀器雖然性能較穩(wěn)定，但是其體積較大，比較笨重，不便于攜帶，因此本文在此基礎上設計了一款便于攜帶的輕便的心率測量儀，使用戶能實時實地測量心率。

1設計原理

目前市場產(chǎn)品中心率測量方法主要分為動脈血壓法、心電信號測量法（ECG）、光電心率測量法（PPG）三種，考慮到便于攜帶，人體舒適度、成本等因素，本設計采用了光電心率測量法。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張與收縮頻率一致。當心臟出現(xiàn)收縮時，人體血管里的血液濃度高，此時透明度低，紅外對管的接收管處于截止狀態(tài)，電路無電流流過，因此輸出幅度較大的電壓：同樣，當脈搏擴張時，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，此時紅外對管接收管因正偏導通，電路輸出較低的電壓信號。信號采集電路采集此隨心臟擴張與收縮變化的電信號，并將此送入單片機進行處理，最終計算出人的心率值，通過OLED顯示屏顯示。

2系統(tǒng)設計

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，本設計主要包括光電傳感模塊、信號采集處理模塊、單片機控制模塊、顯示模塊、蜂鳴報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通過接收管轉換成電信號，從而便于電子線路分析處理。信號處理模塊的任務是將從前面模塊獲得的低頻電信號進行處理，包括濾除直流成分、兩級信號放大、半波整流去除負脈沖，RC濾波，得到與心臟跳動規(guī)律一致的低頻正脈沖信號。單片機控制模塊將信號采集模塊輸出的脈沖信號進行處理，從而測得心率。單片機控制模塊由C8051F410、外部中斷、外部晶振等組成。顯示模塊任務是，顯示測得的心率數(shù)據(jù)。蜂鳴報警模塊的作用是：當測得的心率值超過正常值時，電路發(fā)出報警信號。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。本設計框架如圖1所示。

3硬件設計

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管光電傳感器構成。使用光電傳感器，能直接把人體脈搏信號轉換成電信號。人體指尖的動脈比較發(fā)達，因此信號采集直接采集人體指尖信號，當被測試者把指尖放置到紅外對管中間時，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，此時反射回來的信號強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，并把其轉換成電信號送給后級電路。

3，2信號采集處理模塊

本模塊包括信號放大和信號比較兩部分，電路如圖2所示。

信號放大。由于人體的脈搏信號非常小，采集時容易產(chǎn)生很多干擾，不便于處理，因此，對于采集到的電信號需要進行濾波、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，保留隨脈搏變化的交流信號，此信號較弱，需送入放大電路放大成較強的信號。這里采用集成運放μA741，根據(jù)其使用說明，在其周圍接上相關元器件，使其工作在運放線性放大區(qū)。為了得到較大的電壓，本設計對信號進行了兩次放大。VD1實現(xiàn)半波整流，便于后面電路處理。

信號比較。本設計采用OP07進行電壓比較。工作原理為：在集成運放的同相輸入端和反相輸入端分別輸入兩個模擬信號，一個為待測信號，一個為基準信號，當基準信號幅度大于獲得的信號幅度時，電路輸出0V電壓，反之則顯示約8V的高電平。所以當待測信號不斷輸入時，在集成運放的輸出端則連續(xù)輸出幅度為8V和0V的矩形波信號，將此此信號進行分壓，送入單片機處理。

3.3單片機控制模塊

本次設計采用單片機8051F410，構成最小系統(tǒng)，信號來自于信號采集處理模塊INT，MCU設置成負跳變中斷觸發(fā)模式。當脈沖信號出現(xiàn)下降沿時，將觸發(fā)單片機的外部中斷，進入獲取定時器計數(shù)值，之后清除定時器計數(shù)值，讓定時器從0開始計數(shù)。當?shù)诙€脈沖下降沿出現(xiàn)時，再次讀取定時器數(shù)值，此數(shù)據(jù)即為相鄰兩次心跳間隔周期，最后經(jīng)過單片機程序計算出人體心率值。電路如圖3所示。

3.4顯示、報警模塊

根據(jù)本設計要求及特點，并綜合分析市場上各類顯示器，綜合其優(yōu)缺點，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，價格低，非常適合日常攜帶。因此本設計中OLED的3腳、4腳、5腳、6腳、7腳分別與單片機I/O口P1，3，P1，4，P1，5，P1，6，P1，7對接，實現(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，當心率值超過120或小于60時，單片機會發(fā)出信號，使蜂鳴器報警。由于單片機控制器的引腳輸出電流的能力較弱，不能自己驅(qū)動這些元件，因此需要在單片機的輸出端配接三極管，實現(xiàn)功率放大，使其輸出功率足夠驅(qū)動蜂鳴器發(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、單片機控制電路提供能量。由于信號處理電路部分需要±10V的直流電源，因此，5V電源需要送入MAX232電源轉換電路，使其輸出±10V電源，為信號處理電路提供能量。

4軟件設計

主程序流程如圖4所示。心率計主板初始上電后，單片機將首先執(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外設中的定時器配置代碼。設置外部中斷為下降沿觸發(fā)方式并開啟外部中斷，當有心率信號輸入時，產(chǎn)生外部中斷，進入外部中斷程序，此時獲取定時器累計的時間，包括定時器計數(shù)值、定時器TH0和TL0的值，通過計算獲取心率，清除定時器計數(shù)值、定時器TH0和TL0的值，以便下次外部中斷進入時再次獲取脈沖的間隔時間。當有外部中斷產(chǎn)生時，在主程序中執(zhí)行心率數(shù)據(jù)處理，處理方式為，通過計算相鄰兩次心率出現(xiàn)的間隔時間來獲得被測人員心率值。

5結束語

本設計的核心環(huán)節(jié)是信號的提取與分析處理以及單片機的控制電路的設置。采集人體心率信號時使用了紅外對管，因為人體血液濃度隨著心臟擴張與收縮而發(fā)生相應的變化，紅外對管就采集到這個變化的信號，并把它轉換成便于電路處理的電信號。隨后對其進行濾波、放大、比較等處理，篩選出與脈搏變化規(guī)律一致的電信號，并將其送至最小單片機系統(tǒng)，經(jīng)過單片機處理后，由顯示器顯示心率數(shù)值，并附帶報警功能。此款心率計使用了貼片單片機芯片，使用了0.96寸的OLED，因此其體積小也便與攜帶。