一種基于單片機的紅外脈搏計

陳文明

摘要：本文從毛細血管的容積隨人體脈搏規律變化的生理現象出發，提出一種基于單片機的紅外脈搏計設計方案。該方案運用紅外傳感器提取血管容積變化信息，通過信號放大電路，將微弱的容積變化信號轉變為容易判別的數字脈沖，通過stc89c52單片機的處理，最終計算出人體的脈搏頻率。文中對影響計數準確性的噪聲產生的原因進行了分析，給出了減小干擾的幾點改進方法。

關鍵詞：脈搏計數 單片機 紅外傳感器

中圖分類號：TH776 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0015-02

脈搏是心腦血管健康狀況的重要指標。脈搏的采集方法從簡單的用手指感受，到使用復雜設備的提取[1]，從基本原理上分為以下幾種：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應變式脈搏傳感器。相比較而言，光電檢測技術能夠有效避開電磁干擾，具有良好的穩定性，而且不會對被檢測者產生任何傷害，能夠做到非入侵的檢測病人的各種信息[2]。目前缺少一種便攜的低成本高準確度和靈敏度的采用光電檢測技術的脈搏傳感器，基于這樣的市場需要，展開設計。

1 設計思路

1.1 脈搏的提取

采用光電檢測技術，意在將脈搏的生物信號轉變為光脈沖信號，后將光脈沖信號轉變為電信號從而方便處理。血液的蛋白質成分主要分為血紅蛋白和氧合血紅蛋白，血紅蛋白和氧合血紅蛋白對紅外線吸收相對較弱，因此在血液中紅外線更容易傳播。用紅外線照射毛細血管，隨著脈搏的起伏，血管中血紅蛋白和氧合血紅蛋白的數量在不斷變化，因此透射出來的紅外光線的強度也會不斷變化，形成光脈沖。采用光敏元件將光脈沖轉換為變化的電流信號，即完成了對脈搏生物信號的提取。

1.2 電信號處理

由于透射的紅外線相對微弱，變化也不明顯，因此電脈沖較為微弱，為了便于處理，需要進行放大和整形。將正弦形式的信號放大整形為方波形式。之后將該信號送入單片機中進行處理。得出數據并最終在液晶屏上顯示。

2 系統的硬件電路

硬件電路由信號采集電路，信號放大電路，信號處理電路和顯示電路四個部分組成。四部分流程圖如下圖1所示。

2.1 信號采集電路

信號采集電路的作用就是提取脈搏信號。我們采用成本低，電路易實現，同時功耗低靈敏度高的F5紅外對管作為傳感器。

測量脈搏時紅外對管的使用方法目前主要有透射式和反射式兩種，經調研和實驗，得出反射式可測信息較多可以準確測出容積的變化，缺點是對電路的要求高，需要更高的靈敏度，實現成本高，難度大。而透射式設計簡單，易實現，雖然反映信息較少，但是可以準確反映手指血液容積的變化，滿足我們的設計需求。因此采用透射式結構。

電路圖如下圖2所示。

D2是紅外發射管，流經電流越大，發射紅外線強度越大，紅外線發射角度越小，找到合適的電流值應該根據不同的需要而定，經測試R7使用360Ω的電阻可以達到較好的采集效果。如果R7過大，將導致紅外接收二極管（D3）接收到的紅外線微弱，無法區別透射過來的紅外線攜帶的脈搏信號。反之，R7過小，透射的紅外線強度高，導致變化的脈搏信號變化相對幅度減小，線紅外接收二極管無法正常判斷。采用電容C8隔斷直流分量是為了避免當手指突然離開紅外傳感器或檢測環境干擾光線較強時，輸入端的直流電壓出現劇烈變化，而對下級電路產生不良的影響。

2.2 信號放大整形電路

采集到的微弱的正弦信號需要進行放大整流后變為方波信號供處理電路處理。該部分電路如下圖3所示。

該部分電路選LM358，包括兩個運算放大器。

第一級為閉環應用，放大倍數為：

理論上放大倍數Av可達無窮。實際操作中調節變阻器R6使放大效果達到最好。C6是運放輸入補償電容，防止上限頻率因R5的增大而降低，并消除因寄生電容產生的輸出電壓相位的滯后。

第二級為開環應用，Vcc設定為5V因此當輸入電壓高于2.5V時輸出高電平，電壓低于2.5V時輸出低電平。供下級電路處理。

2.3 信號處理及顯示電路

信號經過處理后輸入該部分電路，經過處理后通過液晶屏顯示，因為處理難度不大，對處理芯片的要求不高。本設計使用較為常見且低價的STC89C52單片機作為處理芯片。顯示部分使用1602液晶屏。電路流程如下圖4所示。

2.4 噪聲處理

實際使用過程中，上述電路設計方法雖然能夠得到想要的結果，但是測量的精度有待進一步提高，信號采集部分電路有待完善。由于人的脈搏基本處于50次/分鐘到200次/分鐘的范圍內，所以頻率區間為0.78～3.33Hz，屬于低頻。因此在信號采集時可以通過添加高頻濾波來有效降低高頻干擾。

信號首先經過R2，C3濾除高頻干擾，后由C1，C2耦合到線性放大器輸入端，集成運放741和R5，C4構成了低通濾波器。截至頻率為：1/（2πR5C4）≈3.39Hz。

3 系統的軟件實現

該設計軟件部分主要有四個核心：液晶屏1602的控制、單片機中斷的控制、測量上下限的設置以及心率的計算。

1602液晶屏的控制按照器件說明書設計。單片機中斷的初始化在主函數中進行，中斷的開啟和關閉配合測量上下限的設置進行調整。

在主函數中首先設置定時器中斷觸發時間為50ms，開啟外部中斷，但此時并不開啟定時器中斷。當接收到電平跳變的信號時，外部中斷被觸發，此時打開定時器中斷。

使用一個計數器，每次定時器中斷觸發計數器加一。在外部中斷中添加判斷，只有當該計數器大于6時才進行計算，小于6時此次中斷忽略。即當且僅當兩次外部中斷的觸發時間間隔大于300ms（50×6）才會被記錄。記錄兩次觸發的時間間隔作為一次脈搏間隔?？梢运愠鰷y量的上限脈搏為200次/分鐘（60000ms÷300ms）。在定時器中斷函數中添加判斷，當計數器的值大于25時所有參數清零，并關閉顯示。也就是時間間隔大于1250ms視為無脈搏關閉測量和顯示。可以算出測量的下限為48次/分鐘。

連續測量到六次脈搏間隔，求期望后換算為一分鐘的脈搏顯示出來。假設心率為80次/分鐘，那么從開始測量到顯示所需的時間為4.5秒，測量速度快。

4 抗干擾措施及方法

設計初步成型后存在顯示數據跳動較大的問題，經分析主要有以下原因：

4.1 測量次數脈搏傳感器測量的影響

從程序說明中可以看到我們的測量持續時間大概為4.5秒左右，持續時間短，從統計角度看不確定性大，因此測量結果跳變較大?？梢赃m當的增加測量次數，依據不同的應用環境，改變程序的參數，進而得到符合使用條件的數據。

4.2 環境光對脈搏傳感器測量的影響

在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號不僅包含帶有所需脈搏信息的透射過手指的光的信號，而且包含測量環境中的背景光信號，對脈搏的測量產生了干擾，因此測量過程中要保持測量背景光的穩定，并盡量減少背景光的照射，從而減少背景光的干擾[3]。測量環境下的背景光由兩部分組成，分別是環境光和在測量過程中引起的二次反射光。

降低環境光對脈搏信號的影響可以采用指套式的包裝。指套采用不透光的介質。另外為了減少二次反射光的影響，可以在指套內部表面涂上一層吸光物質，吸收照射到表面的光線。

4.3 測量過程中運動噪聲的影響

在實際應用中，可以通過以下兩個簡單的方法有效的減少運動噪聲：一是提高指套式傳感器的機械穩定性；二是從軟件的角度入手，通過改進算法來減小誤差。

5 結語

此設計實現簡單，成本低廉，性價比較高，可快速測量脈搏，穩定性好誤差小，維修簡單。成品體積小，可以用于醫院和家庭，有廣泛的市場前景。

參考文獻

[1]于賀輝.基于USB2.0接口的新型脈搏波檢測系統設計[D].電子科技大學，2008.

[2]白國政.基于STC89C52便攜脈搏測量儀的研制[J].信息技術，2014，08期：158-162. DOI：doi：10.3969/j.issn.1009-2552.2014.08.043.

[3]戴君偉，王博亮.光電脈搏傳感器的研制和噪聲分析[J].現代電子技術，2006，02期：78-80.DOI：doi：doi：10.3969/j.issn.1004-373X.2006.02.031.