智能人體心率檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

孫　亮　胡　澤　李　丹

摘 要：介紹一種以AT89C2051為控制核心的智能人體心率檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方法。利用光電傳感器采集人體脈搏信號(hào)，經(jīng)過前置級(jí)放大、濾波、積分比較等信號(hào)處理電路，將其轉(zhuǎn)換成脈沖電壓信號(hào)，再利用單片機(jī)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算出心率并顯示。由于傳感器信號(hào)十分微弱，其幅度一般在微伏到毫伏的數(shù)量級(jí)范圍，且夾雜著各種噪聲和干擾，因此要求前置級(jí)放大電路具有高增益、高共模抑制比等技術(shù)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)方案合理，實(shí)現(xiàn)了微小信號(hào)放大、顯示及報(bào)警功能。具有測(cè)量靈敏度高、實(shí)時(shí)性好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：心率；光電轉(zhuǎn)換；前置級(jí)放大；噪聲分析

中圖分類號(hào)：TN98,TP368.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004 373X(2009)02 164 03

Design of Intelligent Heart－rate Measuring Instrument

SUN Liang,HU Ze,LI Dan

(Southwest Petroleum University,Chengdu,610500,China)

Abstract：The design method of intelligent heart－rate measuring instrument based on AT89C2051 is introduced.The pulse is collected by photoelectric－sensor,and it is converted into pulse voltage signal through the signal processing circuits of pre－amplifying,LPF,integral comparator and so on,then the pulse voltage signal inputs the single chip microcomputer which can calculate heart－rate and display.The sensor signal is so weakly that its amplitude in the range of micro－voltage to MV,and includs all kinds of noise and interference,therefore the pre－amplifier must has high－gain,high common－mode rejection ratio,and other technical parameters.Experimental results show that the system scheme and hardware/software is rational,and it has such functions as small signal amplification,real－time display and alarm.Also has the advantages of high sensitivity of measure,real－time,high performance－cost and so on.

Keywords：heart－rate;photo electricity transformation;pre－amplify;noise analysis

0 引 言

心率是人體中一個(gè)非常重要的生命信息，而傳統(tǒng)的脈診由于其定性化和主觀性影響了心率測(cè)試的精度，成為中醫(yī)脈診應(yīng)用、發(fā)展和交流中的制約因素。為了提高對(duì)此類生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的測(cè)試精度，必須結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。目前用于檢測(cè)心率的儀器很多，常見的有基于壓力傳感器、光電傳感器、電容傳感器和電聲傳感器等類型的測(cè)試裝置［1］，但是對(duì)脈搏測(cè)試部位的選擇沒有太大區(qū)別，對(duì)于能在指端進(jìn)行脈搏精確測(cè)量的儀器還是比較少。這里介紹的智能人體心率檢測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)人體指端的無創(chuàng)測(cè)量，測(cè)試過程簡(jiǎn)單，能精確測(cè)量出心跳次數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和上、下限報(bào)警功能。

1 裝置組成及工作原理

系統(tǒng)組成如圖1所示。此設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89C2051為核心，由光電傳感器采集脈搏信號(hào)，經(jīng)過前置放大電路、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(hào)，該脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)交由單片機(jī)進(jìn)行脈沖周期的計(jì)算。然后得出每分鐘的脈搏搏動(dòng)次數(shù)(即心率)，并在數(shù)碼管上顯示心率，同時(shí)利用軟件實(shí)現(xiàn)上下限報(bào)警功能，在測(cè)量數(shù)據(jù)超過正常范圍(如大于180次/min或小于45次/min)時(shí)進(jìn)行報(bào)警以提醒醫(yī)生注意。

2 裝置硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器及信號(hào)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(duì)其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測(cè)到的光強(qiáng)相對(duì)較大，因此光電式脈搏傳感器的測(cè)量部位在人體指尖。將一對(duì)紅外發(fā)射與接收探頭置于手指兩側(cè)，當(dāng)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(hào)，從而采集到心臟搏動(dòng)信號(hào)。

檢測(cè)心率的傳感器采用紅外對(duì)管HR1068C－O5Y2和 PT331C［2］。由于從人體手指采集到的生理信號(hào)十分微弱，其幅度一般在微伏到毫伏的數(shù)量級(jí)范圍，而且在測(cè)試過程中由于肢體動(dòng)作以及較強(qiáng)的工頻干擾而產(chǎn)生大量的噪聲［3］。同時(shí)要將采集到的脈搏信號(hào)經(jīng)過前置級(jí)放大電路進(jìn)行高倍放大［4,5］，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(yùn)放要有很高的共模抑制比和極低的零漂［6］等，所選的電阻參數(shù)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。

由于內(nèi)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(hào)非常微弱，淹沒在干擾信號(hào)中，由于脈搏信號(hào)主峰頻率在1 Hz左右，能量較強(qiáng)的分量也在20 Hz以下，所以設(shè)計(jì)低通濾波器的上限截止頻率為40 Hz［7］。對(duì)于工頻干擾，采用對(duì)稱性雙T阻容有源陷波器對(duì)其專門濾除。再通過積分、比較電路整形之后便可以得到單片機(jī)所需要的標(biāo)準(zhǔn)的0~5 V脈沖信號(hào)。濾波、陷波電路及積分比較電路如圖3所示。

2.2 單片機(jī)控制及顯示電路

單片機(jī)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(jī)的P₁口的P₁.0~P₁.6作為數(shù)碼管七段碼的輸入［8］。利用P_3.0，P_3.1，P_3.2，P_3.3作為4只數(shù)碼管的選中信號(hào)(見圖4)。從光電傳感器輸出的心率脈沖作為中斷信號(hào)直接接到單片機(jī)89C2051的9腳(即T₁端)。由T₀定時(shí)，T₁計(jì)數(shù)。P₁.7輸出心率的上、下限報(bào)警信號(hào)，經(jīng)二極管驅(qū)動(dòng)報(bào)警器報(bào)警。當(dāng)心率低于下限45次/min時(shí)報(bào)警發(fā)出長音報(bào)警。當(dāng)心率高于上限180次/min時(shí)報(bào)警器發(fā)出短音報(bào)警。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。將要顯示心率數(shù)千位、百位、十位、個(gè)位數(shù)分別存放在89C2051單片機(jī)內(nèi)部的41H，42H，43H，44H單元內(nèi)。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(dāng)單片機(jī)的第9腳有一上升沿時(shí)，T₁腳計(jì)數(shù)1次，T₀定時(shí)50 ms，循環(huán)定時(shí)1 200次，T₁計(jì)數(shù)即為心率次數(shù)。然后返回主程序繼續(xù)執(zhí)行顯示程序［9］。

4 電路調(diào)試及噪聲分析

電路調(diào)試主要是對(duì)輸入的脈搏信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，調(diào)試的效果直接關(guān)系到數(shù)據(jù)采集的精確度。通過測(cè)試可以得知，脈搏信號(hào)中存在嚴(yán)重的噪聲干擾，前置級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。使用寧波中策電子有限公司的DF1405數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器來模擬脈搏信號(hào)，信號(hào)頻率較高，信號(hào)處理電路對(duì)于高頻信號(hào)(106 Hz左右)有很好的衰減作用，當(dāng)信號(hào)頻率適中的時(shí)候，信號(hào)可以按照設(shè)計(jì)的需要進(jìn)行放大。50 Hz陷波器對(duì)工頻干擾起到了很好的抑制作用。通過積分、比較電路對(duì)脈搏信號(hào)整形可以得到單片機(jī)需要的脈沖信號(hào)。通過整機(jī)調(diào)試，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

在測(cè)量過程中，傳感器采集到的脈搏信號(hào)十分微弱，容易受到外界環(huán)境干擾，因此需要對(duì)脈搏傳感器的干擾噪聲進(jìn)行分析［10］。光電式脈搏傳感器的主要有測(cè)量環(huán)境光干擾、電磁干擾、測(cè)量過程運(yùn)動(dòng)噪聲干擾。為了減少環(huán)境光對(duì)脈搏信號(hào)測(cè)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［11］，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。通過光電轉(zhuǎn)換得到的包含脈搏信息的電信號(hào)一般比較微弱，容易受到外界電磁信號(hào)的干擾，因此對(duì)硬件電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠帘翁幚怼Ｃ}搏信號(hào)變化緩慢，特別容易受到工頻信號(hào)的干擾，利用陷波器有效地解決了這一問題。在測(cè)量過程當(dāng)中，讓指套和手指更緊的接觸減少了他們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，降低了運(yùn)動(dòng)噪聲。

5 結(jié) 語

心率檢測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)在于傳感器的制作和微弱脈搏信號(hào)的放大問題。通過實(shí)際的設(shè)計(jì)制作，結(jié)果證實(shí)了該設(shè)計(jì)的合理性和可行性，說明用科學(xué)設(shè)計(jì)的透射式傳感器可實(shí)現(xiàn)手指脈搏的無損檢測(cè)。但是在小信號(hào)放大技術(shù)方面有待于進(jìn)一步研究。同其他心率檢測(cè)儀相比較，該裝置的體積小，重量輕，成本低，使用方便，測(cè)量準(zhǔn)確等，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

［1］劉文,唐輝,商洪濤.光電脈搏傳感器在脈搏采集中的研究［J］.中國醫(yī)學(xué)裝備,2005(9):22－23.

［2］何道清.傳感器與傳感器技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社,2004.

［3］高晉占.微弱信號(hào)檢測(cè)［M］.北京:清華大學(xué)出版社,2004.

［4］樓剛,李偉,鄧學(xué)博.小信號(hào)放大設(shè)計(jì)電路［J］.浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007(11):661－664.

［5］侯俊欽,吳小培,楊一軍.微伏信號(hào)放大系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2007(10):198－201.

［6］佚名.智能傳感器中儀表放大器的應(yīng)用［J］.電子元器件應(yīng)用,2006(6):45－47.

［7］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ):模擬部分［M］.北京:高等教育出版社,2000.

［8］沈翠風(fēng).光電式智能心率檢測(cè)儀［J］.鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào),2002(6):66－67.

［9］晁陽.單片機(jī)MCS－51原理及應(yīng)用開發(fā)教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社,2007.

［10］戴君偉,王博亮.光電脈搏傳感器的研制與噪聲分析［J］.傳感器技術(shù),2006(6):67－69.

［11］焦洋.指端脈搏信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)研究.長春:長春理工大學(xué),2007.

作者簡(jiǎn)介

孫 亮 男，1984年出生，四川宣漢人，在讀碩士研究生。研究方向?yàn)樾⌒盘?hào)放大及儀表設(shè)計(jì)。