基于太陽能供電智能心率檢測裝置設計

摘要：現在的醫學測量儀器多種多樣并且日新月異，給檢查人們身體的健康程度帶來了一定的保證與便捷。本設計以單片機技術為主實現心率檢測以及實時監控與顯示，并通過太陽能來給系統提供電源。設計輕便易攜帶，可以用于家庭及體育運動者中。特別采用太陽能供電，對于戶外運動以及缺電的偏遠地區的人們檢測心率采集健康數據提供了方便。

Abstract： Now， the medical instruments have an amazing variety and change with each passing day， has brought a certain guarantee and convenient for people's health. This design is based on SCM technology for heart rate detection and real-time monitoring and display， and through the solar system to provide power supply. The design is portable and can be used for family and sports. Particularly it uses solar power supply to provide a convenience for outdoor sports and people in remote areas of power shortage to detect heart rate and select health data.

關鍵詞：心率檢測；AT89S52單片機；太陽能；反射式光電傳感器

Key words： heart rate detection；AT89S52 SCM；solar energy；reflective photoelectric sensor

中圖分類號：TP732 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）19-0139-03

0 引言

在科學技術飛速發展、社會經濟不斷增長的時代，健康問題是一個令人十分關注的重要問題。雖然現代的科學技術給人們帶來了越來越好的條件，但是人們的身體狀況并沒有像想象的那樣更好。更嚴重的是，現在的人們更多的是亞健康，他們有的會食欲不振、情緒不穩、失眠、關節疼痛、頭暈、疲乏無力等等。其中，心血管疾病的發病率逐年提高。目前，患者的年齡卻逐漸降低，心血管疾病對人類身體健康產生的威脅也越來越大。從專家的說法來看，人們在現代生活中坐著工作，不愛運動是導致心臟發病的重要原因之一。所以大部分人都認識到了運動的重要性。不管是老年人還是運動員又或者是身體亞健康的年輕人都需要運動去鍛煉身體，在運動后心率的實時監測就顯得尤為重要。在未來幾年內，運動監測設備將逐漸普及心率監測功能，必然會大量地生產相關設備以幫助人們獲得更好的運動條件，甚至幫助醫療領域更好對抗心臟類疾病。本設計以智能單片機技術為核心，并以太陽能提供電源，利用數字液晶顯示頻顯示心跳數及時間等，實用方便，有利于戶外運動及缺電的偏遠地區的人們檢測心率提供了方便。

1 系統的總體設計分析

心率是指單位時間內心臟搏起的次數，一般把每分鐘的心跳次數看做是臨床常規檢查的生理指標之一。心率包含了大量的人體健康狀況的信息，所以現在各種各樣的心率檢測儀器出現在了市面上。心率檢測儀器應準確、客觀、便捷。本設計以AT89S52單片機作為主控元件，采用反射式光電傳感器SON1303可以通過檢測身體各個部位采集心跳信號，利用單片機內部系統定時器來計算時間，然后由脈沖累加得到一分鐘內心臟跳動的次數。由LCD1602數字液晶顯示頻顯示心跳數及時間等。本設計的系統模塊可以劃分為4個部分：①心率傳感器部分；②單片機處理電路部分；③太陽能充電電路；④顯示電路。本設計結構硬件框圖如圖1所示。

2 系統硬件電路分析

單片機采用AT89S52，由一個10K電阻和一個10微法的電解電容組成復位電路，由兩個30pF的電容和一個12MHz的石英晶體組成時鐘電路及供電電路等，組成單片機最小系統。顯示電路廣泛采用于便攜式儀表的1602液晶顯示芯片。

2.1 心率信號采集電路

心率傳感電路主要包括心率信號的采集、信號放大電路。主要器件是SON1303傳感器，它內部集成了高科技納米涂層的環境光檢測傳感器，采用高集成脈沖反射方法的脈沖計模塊來采集人的心跳，這個模塊集成了雙綠色LED進行信號的發射，接收電路部分的光耦濾波則集成了光敏IC和低噪聲放大器，測量的靈敏度更高，再將變化的信號進行運放多級放大后送到單片機進行處理，單片機計算出心跳速度并將計算結果通過LCD實時刷新，實現從采集心跳到心率顯示的過程。

信號放大電路是利用低功耗運放集成電路LM358M來實現的，充分運用了它的緩沖放大性能（內部的兩組放大電路，即1，2，3腳為一組，5，6，7腳為一組）。信號放大電路如圖2。

2.2 太陽能充電電路

現在社會能源稀缺，設計中利用了太陽能板輸出7-12V電壓，系統需要的5V電壓，需要利用降壓轉換器LM2575來輸出穩定的5V電壓對鋰電池進行反復的充電，節省能源。充電電路如圖3所示。

3 系統的軟件設計

整個程序主要是通過SON1303集成式傳感器采集腕脈的跳動，傳感器采集到的信號通過放大，形成一個高低電平的脈沖信號，通過單片機外部中斷端口P3.2接口（Heart）采集。心跳計數值在小于255次以內，每來一次進行一次計數。

4 結論

將太陽能板垂直于陽光，測得太陽能輸出電壓的正負兩端的數據為9.84V；穩壓電路的輸入端的電壓5.56V，輸出端電壓4.93V，符合電路要求的5V電壓范圍。電源電路可以正常供電給整個系統電路。將傳感器板子放在手腕的部分，可以看到紅色LED燈只是隨著心跳在閃爍。把手腕不停地晃動，它仍然可以很穩定地在閃爍。成功感應到脈搏信號時，傳感器模塊上的紅色LED呈現與心跳一致的脈搏規律。測試過程中，保持身體不動，防止肌電干擾。保持手腕的放松和穩定大約30s即可測出上一分鐘的脈搏次數，顯示在顯示器上，經過多次的反復試驗，誤差不超過0.5%。

本設計利用太陽能提供電源，節約能源。選擇SON1303這種高度集成的傳感器，心率信號的采集更加穩定，單片機進行數據處理，通過LCD顯示。實驗結果表明，系統能夠正常運行并且測量靈敏度高，充分達到了設計的要求。并且該裝置體積小，方便攜帶，可作為日常生活檢測心率的一種工具。

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