淺析便于室外使用的液晶顯示型心率計

引言

過(guò)去人們測量脈搏時(shí)常用的方法是使用測量脈搏的聽(tīng)診器，或者使用吸附在人體上的電極等老式測量方法，這些方法無(wú)疑都不便于室外場(chǎng)所使用。

本心率計在設計時(shí)就充分考慮到了這一點(diǎn)。它采用紅外線(xiàn)來(lái)進(jìn)行檢測采集人體的脈搏，檢測的部位為被檢測人的任意一個(gè)手指或者是耳垂。檢測的基本原理是：隨著(zhù)心臟的搏動(dòng)，人體組織半透明度隨之改變。當血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明度減小;當血液流回心臟，組織的半透明度增大。這種現象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。

因此，本心率計將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線(xiàn)照射到人體的上述部位，并用裝在該部位另一側或旁邊的紅外光電管來(lái)檢測機體組織的透明程度并把它轉換成電信號。由于此信號的頻率與人體每分鐘的脈搏次數成正比，故只要把它轉換成脈沖并進(jìn)行整形、計數和顯示，就能實(shí)現實(shí)時(shí)檢測脈搏次數的目的。

硬件電路設計

筆者設計的這款便攜式單片機控制液晶顯示型心率計，硬件整體電路如圖1所示。它可分為兩個(gè)大的電路組成部分，即心率采集處理電路和單片機控制顯示部分?！?/p>

圖1 心率采集處理電路

心率采集處理電路如圖2所示。該部分電路主要由脈搏次數紅外檢測采集電路模塊、信號抗干擾電路模塊、信號整形電路模塊等三個(gè)主要的電路模塊組成?！?/p>

圖2 心率采集處理電路

其中，紅外線(xiàn)發(fā)射管D1和紅外線(xiàn)接收管Q1組成了紅外檢測采集電路;R2與C1、C2與C3、R4與C4和IC1a共同構成了信號抗干擾電路組，它們分別承擔了對信號的低通濾波、干擾光線(xiàn)的光電隔離、殘余高頻干擾的濾除等任務(wù)。另外，IC1b、C5與R10、IC1c則共同組成了信號整形電路模塊。

心率采集處理電路工作的基本過(guò)程如下：

首先，紅外檢測采集電路中D1發(fā)射紅外線(xiàn)，而Q1則接收相應組織的半透明度，同時(shí)轉換為電信號。由于脈搏一般在50次/分~200次/分之間，對應的頻率范圍在0.78Hz~3.33Hz之間，因此經(jīng)紅外檢測采集到并轉換得到的電信號頻率就非常低。為了防止信號因外界高頻信號干擾而使檢測結果有誤，信號就必須先進(jìn)行低通濾波，以便濾出絕大部分的高頻干擾。電路中采用R2和C1來(lái)完成濾除高頻干擾的任務(wù)。

然后，由于本心率計設計的適用場(chǎng)所為室外，因此它必然會(huì )遇到強光輻射的情況。為了避免在接收正常脈搏紅外線(xiàn)時(shí)受到強光的干擾，電路中設計使用C2、C3背靠背串聯(lián)組成的雙極性耦合電容構成一個(gè)簡(jiǎn)單的光電隔離電路，從而實(shí)現了對于干擾光線(xiàn)的隔離。此外，為了防止前面對于高頻干擾濾除的不夠徹底，電路中還設計連接了由IC1a、R4、C4組成的截止頻率為10Hz左右的低通濾波器電路，以便進(jìn)一步濾除干擾，同時(shí)將前面的信號放大200倍左右。

經(jīng)前面處理得到的信號為疊加有噪聲的脈沖正弦波，接下來(lái)必須對這個(gè)信號經(jīng)過(guò)整形。先是通過(guò)比較器IC1b將正弦波轉換成方波。利用R8可以實(shí)現將比較器的閾值調定在正弦波的幅值范圍之內的目的。接下來(lái)，從IC1b的7引腳輸出的方波信號經(jīng)C5、R10構成的微分電路，進(jìn)行微分處理后將成為正負相間的尖脈沖。

為了穩定脈沖的輸出，電路設計時(shí)是將此脈沖輸入到單穩多諧振蕩器IC1c的反相輸入端，并利用IC1c的輸出來(lái)作為后極工作的實(shí)際使用脈沖。IC1c在工作時(shí)，凡有輸入信號時(shí)，它會(huì )在輸入信號后沿到來(lái)時(shí)輸出高電平，從而使C6通過(guò)R11充電。大約持續20ms之后，IC1c同相輸入端的電位會(huì )因C3充電電流減小而降低，當此電位低于反相輸入端的電位時(shí)(尖脈沖已過(guò)去很久)， IC1c就將改變狀態(tài)并再次輸出低電平。這20ms的脈沖時(shí)間是與脈搏同步的，這種脈沖在電路工作時(shí)是與紅色發(fā)光二極管D3的閃爍情況相對應的。

經(jīng)過(guò)IC1c之后的脈沖就是后面單片機控制電路所需的實(shí)際脈沖，通過(guò)R12送到單片機P3.3引腳后，就可實(shí)現后面的計數和顯示了。IC1a、IC1b、IC1c工作所需的4.5V電源電壓，在電路中是通過(guò)R14、R15對9V分壓并經(jīng)IC1d緩沖而得到的。這樣的設置，就使得即使電池電壓降低到6V，本電路也能實(shí)現正常工作。

單片機控制電路

單片機控制電路如圖3所示。本部分電路主要由AT89C2051單片機、SMC1602A液晶顯示芯片、12MHz的晶振電路以及復位電路等幾個(gè)部分組成?！?/p>

圖3 單片機控制電路

電路主要完成對于前面采集處理得到的脈沖進(jìn)行計數和顯示的任務(wù)。經(jīng)采集處理后得到的脈沖信號，通過(guò)P3.3引腳被輸入到單片機中。單片機被設為負跳變中斷觸發(fā)模式。因此，每次脈沖下降沿到達時(shí)，單片機就將被觸發(fā)并產(chǎn)生中斷進(jìn)行計時(shí);而當下一次脈沖的下降沿到達時(shí)，單片機就對兩次脈沖間的時(shí)間間隔進(jìn)行運算，運算的結果就是心率。這個(gè)結果值，將通過(guò)P1口送至SMC1602A液晶顯示芯片的數據端口，從而被顯示出來(lái)。