便攜式心率監(jiān)測器的研制

王嘯東

摘 要： 心率指人體心臟每分鐘跳動的次數(shù)，是反映心臟是否正常工作的一個(gè)重要參數(shù)，也是心血管疾病診斷的重要生理指標(biāo)。本文介紹了便攜式心率監(jiān)測器的研制方法，主要包括設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)組成、技術(shù)指標(biāo)等。

關(guān)鍵詞： 心率 光電傳感器 單片機(jī) A/D轉(zhuǎn)換

1.引言

心率指是人體心臟每分鐘跳動的次數(shù)，它是反映心臟是否正常工作的一個(gè)重要參數(shù)，綜合反映了人體內(nèi)各種生理變化的一扇“窗口”，通過它，能夠比較準(zhǔn)確地描述身體機(jī)能對運(yùn)動刺激的即刻反應(yīng)和慢性適應(yīng)。心率是心血管疾病診斷的重要生理指標(biāo)，心血管疾病是目前死亡率最高的疾病之一，這類疾病發(fā)作的主要前兆是心率異常，因此早期防治十分重要，若能進(jìn)行實(shí)時(shí)心率監(jiān)測，在發(fā)病之初進(jìn)行及時(shí)搶救，患者的生存率將會大幅提升。

近年來由運(yùn)動引發(fā)猝死的事件多次發(fā)生，引發(fā)教育界和醫(yī)學(xué)界的深入思考。學(xué)校對身體狀況異常的同學(xué)進(jìn)行適度運(yùn)動，并在運(yùn)動過程中進(jìn)行心率監(jiān)測顯得十分必要。

目前，醫(yī)院使用的各種心率監(jiān)測儀器價(jià)格昂貴、體積大、檢測過程復(fù)雜，不便于隨身攜帶。本文介紹了便攜式心率監(jiān)測器的研制方法，為學(xué)生體育運(yùn)動與生命安全提供保障。同時(shí)，為患有心血管疾病的人們，提供安全、便捷、家用便攜式醫(yī)療電子設(shè)備，為醫(yī)生的醫(yī)療過程提供數(shù)據(jù)與幫助。

2.便攜式心率監(jiān)測器的設(shè)計(jì)原理

“便攜式心率監(jiān)測器”的設(shè)計(jì)原理：由于人體組織的半透明性，隨著心臟的跳動，當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明度會減小；當(dāng)血液流回心臟，人體組織的半透明度又會增加。這種現(xiàn)象在手指尖、耳垂、手臂等部位尤為明顯，因此可以用光電傳感器照射上述部位，同時(shí)檢測透射光，并把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號的頻率與人體心率一致，再將該頻率信號放大、濾波、整形后，提供給單片機(jī)識別、計(jì)算。

3.便攜式心率監(jiān)測器的結(jié)構(gòu)組成

“便攜式心率監(jiān)測器”（如圖1）以單片機(jī)AT89C51為核心，由光電傳感器采集脈搏信號，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，該脈沖信號作為中斷信號交由單片機(jī)進(jìn)行脈沖周期的計(jì)算，計(jì)算出每分鐘的脈搏搏動次數(shù)（即心率），并在數(shù)碼管上顯示心率值。同時(shí)，通過記憶電路將數(shù)值記錄下來，以便通過按鍵查看心率的歷史數(shù)據(jù)。利用程序?qū)崿F(xiàn)上下限報(bào)警功能，在測量數(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，提醒使用者注意。

3.1光電傳感器及信號處理電路

光電傳感器采用紅外對管HR1068C-O5Y2和PT331C。由于從人體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(shù)量級范圍，而且在測試過程中由于肢體動作和較強(qiáng)的工頻干擾而產(chǎn)生大量噪聲。同時(shí)將采集到的脈搏信號經(jīng)過前置級放大電路進(jìn)行高倍放大，這就要求電路具有高增益和高共模抑制比，即集成運(yùn)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(shù)要盡量精確，放大電路由電阻網(wǎng)絡(luò)和OP07組成。

3.2單片機(jī)控制及顯示電路

單片機(jī)控制及顯示電路采用動態(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。利用P3.0、P3.1、P3.2、P3.3作為4只數(shù)碼管的選通信號。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(jī)AT89C512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，經(jīng)二極管驅(qū)動報(bào)警器報(bào)警。

3.3程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序?qū)⒁@示心率數(shù)千位、百位、十位、個(gè)位數(shù)分別存放在AT89C51單片機(jī)內(nèi)部的41H、42H、43H、44H單元內(nèi)。采用動態(tài)掃描，每隔5ms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)50ms，循環(huán)定時(shí)1200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。

4.結(jié)語

便攜式心率監(jiān)測器通過光電傳感器測量人體組織的透明度，進(jìn)行人體脈搏的無創(chuàng)監(jiān)測，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)高效、實(shí)時(shí)、快捷、準(zhǔn)確地進(jìn)行心率測量，為人們提供生命安全保障，可以在高校、健身場所和醫(yī)療機(jī)構(gòu)普及使用，也可以為醫(yī)生的醫(yī)療過程提供數(shù)據(jù)與幫助。

參考文獻(xiàn)：

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南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級課題（項(xiàng)目編號：Y150003）