基于單片機的便攜式心率測試儀設計

五邑大學 張 桀 孫建軍

1.引言

心率測試儀在醫學方面具有重要作用，也是身體狀況的一個重要指標，把心率儀小型化，操作簡易，給使用者帶來更多便利，就給設計提出了更高的要求。

2.心率測試儀基本原理

心率測試儀主要由三大模塊組成：傳感器模塊、信號處理模塊、單片機控制模塊。傳感器模塊主要實現物理量到電量的轉換，信號處理模塊主要對傳感器的信號進行處理，最后得到周期性的矩形波，單片機模塊主要讀取矩形波信號，然后控制顯示器顯示相關信息。系統的原路框 圖如圖1所示。

圖1 系統原理框架圖

3.心率測試儀系統模塊設計

3.1 傳感器的設計

傳感器模塊采用的是紅外光電對管，在沒有紅外光照時，紅外接受管的電阻很大，當接受管接收到紅外光時，它的電阻會變小，而且變化比較明顯。隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變。基于上述特性，將紅外對光放在手指兩側，可以在接受管得到變化的信號，經過調試發現，紅外對管采集到的信號比較穩定。傳感器電路圖如圖2所示，它的參數為直徑：3mm，波長：940nm，工作電壓：1.2v，工作電流：20mA，測量距離：＜20cm。波段為紅外光，受可見光干擾小。其中R2、R3是限流電阻。當手指放到兩管中間時，P1的1號腳就 會輸出有規律性的波形。

圖2 紅外對管電路

3.2 信號處理模塊設計

信號處理模塊包括電壓跟隨器、前級放大電路、濾波電路、后級放大電路、整形電路等電路設計[1-3]。由于紅外對管輸出的信號比較弱，帶負載能力比較差，所以要使用電壓跟隨器提高帶負載的能力。經過電壓跟隨器出來的波形還是比較微弱，所以還需要前級放大電路。由于輸出的信號里面混雜有高頻信號和超低頻信號，所以需要采用帶通濾波器，為了濾波的效果更好，采用低、高通濾波器串接的方式構成帶通濾波器。信號經過帶通濾波器后，得到的波形幅值還是比較小，因此，要對波形進一步放大。為了使單片機定時/計數器更精確的計數，要對放大后的信號進行整形，整形電路采用雙限比較器，最后輸出波形為周期性矩形波。信號處理模塊電路如圖3所示。

圖3 信號處理模塊電路

在傳感器出來的幅值大約為70mV，前級放大電路的放大倍數Au=-R7/R4=-4.7。心跳的測量范圍為30-220次/每分鐘，低通濾波電路采用二階有源濾波器，它的截至頻率為3.35Hz左右，高通濾波電路采用二階有源濾波器，它的頻率截至頻率為0.5Hz左右，后級放大電路放大倍數Au=-R18/R15=-10。

3.3 單片機控制模塊設計

單片機采用的型號是STC89C52，單片機的定時/計數器可以接受電平信號，先將傳感器采集到的心率信號轉換成波形信號，然后通過信號處理電路處理輸出矩形波，單片機的定時/計數器讀取矩形波信號，最后控制顯示模塊顯示心率次數。單片機控制模塊如圖4所示。

圖4 單片機控制模塊

4.仿真結果

實驗參數輸入一個幅值為毫伏級的低頻正弦波，通過在proteus軟件進行仿真，結果表明，單片機驅動LCD顯示能夠正確顯示每分鐘通過的周期數。

5.結束

本文從小型化，操作簡易化出發，設計一款便攜式心率測試儀，實現心率測試儀大眾化。使得在家的使用者也能隨時了解自己的心率變化。

[1]廖惜春,項華珍,徐秀平等.模擬電子技術基礎[M].武漢:華中科技大學出版社,2008.

[2]徐秀平.數字電路與邏輯設計[M].北京:電子工業出版社社,2010.

[3]何橋,段清明,邱春玲.單片機原理及應用[M].北京:中國鐵道出版社,2008.