人體心率智能檢測裝置設計方案

1 裝置組成及工作原理

系統組成如圖1所示。此設計以單片機AT89C2051為核心，由光電傳感器采集脈搏信號，經(jīng)過(guò)前置放大電路、濾波電路、積分和比較電路后得到與脈搏相關(guān)的脈沖信號，該脈沖信號作為中斷信號交由單片機進(jìn)行脈沖周期的計算。然后得出每分鐘的脈搏搏動(dòng)次數(即心率)，并在數碼管上顯示心率，同時(shí)利用軟件實(shí)現上下限報警功能，在測量數據超過(guò)正常范圍(如大于180次/min或小于45次/min)時(shí)進(jìn)行報警以提醒醫生注意。

圖1：智能人體心率檢測裝置原理框圖

2 裝置硬件電路設計

2.1 傳感器及信號處理電路

由于在人體指尖組織中的動(dòng)脈成分含量高，而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄，透過(guò)手指后檢測到.的光強相對較大，因此光電式脈搏傳感器的測量部位在人體指尖。將一對紅外發(fā)射與接收探頭置于手指兩側，當動(dòng)脈血管隨心臟周期性的收縮和舒張，動(dòng)脈血管的血液容積隨之發(fā)生變化時(shí)，紅外接收探頭便接收到隨心臟周期性地收縮和舒張的動(dòng)脈搏動(dòng)光脈沖信號，從而采集到心臟搏動(dòng)信號。

檢測心率的傳感器采用紅外對管HRl068C一05Y2和PT331C。由于從人體手指采集到的生理信號十分微弱，其幅度一般在微伏到毫伏的數量級范圍，而且在測試過(guò)程中由于肢體動(dòng)作以及較強的工頻干擾而產(chǎn)生大量的噪聲。同時(shí)要將采集到的脈搏信號經(jīng)過(guò)前置級放大電路進(jìn)行高倍放大，這就要求電路具有高增益和高共模抑制比，至少在80 dB以上，即集成運放要有很高的共模抑制比和極低的零漂等，所選的電阻參數要盡量精確。放大電路由電阻網(wǎng)絡(luò )和OP07組成，傳感器及前置放大電路如圖2所示。

圖2：傳感器及前置放大電路

由于內外噪聲及50 Hz工頻干擾等因素，即使電路具有很高的共模抑制比，但是脈搏信號非常微弱，淹沒(méi)在于擾信號中，由于脈搏信號主峰頻率在1 Hz左右，能量較強的分量也在20 Hz以下，所以設計低通濾波器的上限截止頻率為40 Hz。對于工頻干擾，采用對稱(chēng)性雙T阻容有源陷波器對其專(zhuān)門(mén)濾除。再通過(guò)積分、比較電路整形之后便可以得到單片機所需要的標準的0～5 V脈沖信號。濾波、陷波電路及積分比較電路如圖3所示。

圖3：慮波、陷波電路及積分比較電路

2.2 單片機控制及顯示電路

單片機控制及顯示電路如圖4所示。采用動(dòng)態(tài)顯示方式，利用單片機的P1口的P1.0～P1.6作為數碼管七段碼的輸入。利用P3.0,P3.1,P3.2,P3.3作為4只數碼管的選中信號(見(jiàn)圖4)。從光電傳感器輸出的心率脈沖作為中斷信號直接接到單片機89C2051的9腳(即T1端)。由T0定時(shí)，T1計數。P1.7輸出心率的上、下限報警信號，經(jīng)二極管驅動(dòng)報警器報警。當心率低于下限45次/min時(shí)報警發(fā)出長(cháng)音報警。當心率高于上限180次/min時(shí)報警器發(fā)出短音報警。

圖4：?jiǎn)纹瑱C控制及顯示電路

3 軟件設計

系統軟件流程圖如圖5所示。將要顯示心率數千位、百位、十位、個(gè)位數分別存放在89C2051單片機內部的41H，42H，43H，44H單元內。采用動(dòng)態(tài)掃描，每隔5 ms分別輪流顯示千位、百位、十位、個(gè)位。當單片機的第9腳有一上升沿時(shí)，T1腳計數1次，T0定時(shí)50 ms，循環(huán)定時(shí)1 200次，T1計數即為心率次數。然后返回主程序繼續執行顯示程序。

圖5：系統軟件流程圖

4 電路調試及噪聲分析

電路調試主要是對輸入的脈搏信號進(jìn)行濾波和放大，調試的效果直接關(guān)系到數據采集的精確度。通過(guò)測試可以得知，脈搏信號中存在嚴重的噪聲干擾，前置級放大電路的設計至關(guān)重要。使用寧波中策電子有限公司的DFl405數字合成信號發(fā)生器來(lái)模擬脈搏信號，信號頻率較高，信號處理電路對于高頻信號(106 Hz左右)有很好的衰減作用，當信號頻率適中的時(shí)候，信號可以按照設計的需要進(jìn)行放大。50 Hz陷波器對工頻干擾起到了很好的抑制作用。通過(guò)積分、比較電路對脈搏信號整形可以得到單片機需要的脈沖信號。通過(guò)整機調試，系統達到了預期的設計要求。

在測量過(guò)程中，傳感器采集到的脈搏信號十分微弱，容易受到外界環(huán)境干擾，因此需要對脈搏傳感器的干擾噪聲進(jìn)行分析。光電式脈搏傳感器的主要有測量環(huán)境光干擾、電磁干擾、測量過(guò)程運動(dòng)噪聲干擾。為了減少環(huán)境光對脈搏信號測量的影響，同時(shí)考慮到傳感器使用的方便性，采用密封的指套式的包裝方式，整個(gè)外殼采用不透光的介質(zhì)和顏色，盡量減小外界環(huán)境光的影響。通過(guò)光電轉換得到的包含脈搏信息的電信號一般比較微弱，容易受到外界電磁信號的干擾，因此對硬件電路進(jìn)行適當的屏蔽處理。脈搏信號變化緩慢，特別容易受到工頻信號的干擾，利用陷波器有效地解決了這一問(wèn)題。在測量過(guò)程當中，讓指套和手指更緊的接觸減少了他們之間的相對運動(dòng)，降低了運動(dòng)噪聲。

5 結 語(yǔ)

心率檢測中的關(guān)鍵技術(shù)在于傳感器的制作和微弱脈搏信號的放大問(wèn)題。通過(guò)實(shí)際的設計制作，結果證實(shí)了該設計的合理性和可行性，說(shuō)明用科學(xué)設計的透射式傳感器可實(shí)現手指脈搏的無(wú)損檢測。但是在小信號放大技術(shù)方面有待于進(jìn)一步研究。同其他心率檢測儀相比較，該裝置的體積小，重量輕，成本低，使用方便，測量準確等，具有很好的應用前景。