基于單片機(jī)的數(shù)字心率測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

單淑慧 張博聞 王藝穎 安康 楊明 龐闖

【摘 ?要】本設(shè)計(jì)采用STC89C51單片機(jī)作為控制處理單元核心，紅外傳感器ST188作為信號(hào)檢測(cè)傳感器。當(dāng)心率測(cè)量?jī)x開(kāi)始工作時(shí)，由于人體手指豐富的血管會(huì)隨著心跳改變透光性，所以通過(guò)紅外光電傳感器可以檢測(cè)出人體心跳所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形后，輸入單片機(jī)內(nèi)相應(yīng)的控制單元。經(jīng)過(guò)單片機(jī)程序計(jì)算出每分鐘脈搏跳動(dòng)次數(shù)[1]，然后直接顯示在通過(guò)LCD1602液晶上。當(dāng)心率異常超出正常范圍時(shí)，設(shè)計(jì)發(fā)出聲音報(bào)警，警報(bào)范圍可以實(shí)時(shí)通過(guò)按鍵更改設(shè)定。本設(shè)計(jì)傳感器可以直觀有效的實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的心率結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);心率測(cè)量?jī)x;紅外光電傳感器;液晶顯示

數(shù)字心率檢測(cè)儀作為醫(yī)療中不可或缺的一種基礎(chǔ)醫(yī)療設(shè)施，正在向著大眾化邁進(jìn)。心率檢測(cè)也作為一種新興功能融合進(jìn)新出現(xiàn)的可穿戴設(shè)備中。作為佩戴人日常身體健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之一，心率檢測(cè)儀正以微縮化的身影融入進(jìn)我們?nèi)粘Ｉ钪小Ｒ虼耍疚奶岢隽艘环N有效的基于單片機(jī)的數(shù)字心率測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)。

1.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)硬件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由鍵盤(pán)輸入模塊、脈搏信號(hào)采集與處理模塊、單片機(jī)主控單元模塊、數(shù)據(jù)輸出顯示與報(bào)警模塊、電源供給模塊組成。由于人體手指豐富的血管會(huì)隨著心跳改變透光性，光電傳感器ST88收集這種隨心跳而改變透光性造成的紅外光光強(qiáng)信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。但由于這種信號(hào)較弱，所以信號(hào)處理電路將其放大、濾波、整形后傳輸進(jìn)單片機(jī)主控模塊。其次即可計(jì)算出心率數(shù)值。心率結(jié)果通過(guò)單片機(jī)接口傳輸給LCD1602顯示出來(lái)，如果心率超出或低于警示范圍值時(shí)，單片機(jī)會(huì)同時(shí)接通蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出警報(bào)。電源電路向各個(gè)模塊電路提供的電源，采用4.5～5V外置穩(wěn)壓電源。

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)STC89C51為控制核心，實(shí)現(xiàn)心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本測(cè)量功能[2]。該系統(tǒng)的硬件框圖如圖1 所示。

當(dāng)手指放在ST188光電傳感器上時(shí)，隨著心臟的跳動(dòng)，手指血管中血液的流量將發(fā)生變換，手指血管的透光性也隨之改變，光電傳感器ST88中紅外光電二極管發(fā)出的紅外光經(jīng)過(guò)血管后被ST188中高靈敏度光電晶體管接受，而接受的光強(qiáng)會(huì)隨著透光性的周期性改變而改變，因此ST88將這種隨心跳而改變透光性造成的紅外光光強(qiáng)周期性改變信號(hào)收集并轉(zhuǎn)換成脈沖電信號(hào)，這種信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、整形后，輸出到單片機(jī)電路，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算處理后將結(jié)果輸出到LCD602顯示出來(lái)，如果超出或低于報(bào)警范圍值時(shí)，同時(shí)接通報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)。

2.信號(hào)采集模塊電路設(shè)計(jì)

信號(hào)采集電路的功能是由ST188傳感器將心跳信號(hào)收集并轉(zhuǎn)換為脈沖電信號(hào)，但一般此時(shí)的信號(hào)只有幾十毫伏，有時(shí)甚至低至幾毫伏，所以需要電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)百倍的放大以達(dá)到電路后續(xù)信號(hào)處理電路所需的信號(hào)電壓要求。脈沖信號(hào)經(jīng)放大后一般為幾伏電壓。因此，信號(hào)彩激電路總體設(shè)計(jì)中需要光電傳感器采集信號(hào)、放大電路、濾波電路、整形電路及其他部分。

并且整個(gè)信號(hào)采集電路如下圖2所示。

本設(shè)計(jì)中采用ST188光電傳感器采集心率信號(hào)，然后心率信號(hào)初步低通濾波，然后經(jīng)過(guò)LM358搭建的功放電路進(jìn)行放大，幾微伏的信號(hào)被放大到幾伏，然后通過(guò)有緣濾波電路將波去掉，得到脈沖信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)整形電路整形，就得到了可被單片機(jī)主控電路識(shí)別的心率信號(hào)。

3.系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

單片機(jī)上電后先進(jìn)行定時(shí)器、液晶等的初始化，主函數(shù)會(huì)調(diào)用定時(shí)器初始化函數(shù)和液晶初始化函數(shù)，為程序正常運(yùn)行做準(zhǔn)備，此時(shí)液晶初始化顯示“Hrart Rate：’’，并打開(kāi)定時(shí)器，然后進(jìn)入while循環(huán)。

當(dāng)進(jìn)行心率測(cè)量時(shí)，先進(jìn)行定時(shí)器初始化，后續(xù)心率測(cè)量過(guò)程中定時(shí)器都設(shè)置為10ms檢測(cè)一次心率信號(hào)。當(dāng)定時(shí)器檢測(cè)到有心率采集電路輸送到的信號(hào)中斷產(chǎn)生時(shí)，判定為有信號(hào)輸入。但是考慮到有時(shí)會(huì)因?yàn)殡娫礋艄軣艄獾韧獠恳蛩氐挠绊懀穆什杉降母哳l的非心率信號(hào)，所以程序設(shè)計(jì)中采用定時(shí)器T0對(duì)信號(hào)進(jìn)行掃描計(jì)數(shù)，只有連續(xù)4次掃描到脈沖信號(hào)才認(rèn)定為心率信號(hào)，即采集到信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)間只有大于等于30ms才會(huì)認(rèn)定為心率信號(hào)。

當(dāng)程序確定采集到的信號(hào)為心率信號(hào)后進(jìn)行對(duì)信號(hào)的判斷，如果此信號(hào)為第一次檢測(cè)到心率信號(hào)，即計(jì)數(shù)器中心率計(jì)數(shù)為0，程序繼續(xù)采集信號(hào)，直到采集到第二次認(rèn)定為心率的信號(hào)為止;如果此信號(hào)為第二次檢測(cè)到心率信號(hào)，即計(jì)數(shù)器中心率技術(shù)為1，則根據(jù)和上一次記錄到心率信號(hào)時(shí)間差，計(jì)算出一分鐘的心率數(shù)。然后輸出到LCD液晶屏上，當(dāng)心率數(shù)超出或低于報(bào)警范圍值時(shí)，就會(huì)輸出信號(hào)接通報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警。

4.軟件測(cè)量計(jì)算

設(shè)K個(gè)連續(xù)的動(dòng)脈搏動(dòng)所用時(shí)間為t（秒），在時(shí)間t內(nèi)心率的平均值為n（次/分），則：n=60K/t。為了能夠精確測(cè)定t值，本設(shè)計(jì)采用心率信號(hào)控制單片機(jī)的定時(shí)器T0定時(shí)（定時(shí)為1ms中斷一次），單片機(jī)的工作寄存器對(duì)中斷次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后讀取計(jì)數(shù)值。設(shè)該計(jì)數(shù)值為N，對(duì)于K個(gè)心率周期內(nèi)：t=0.001N化簡(jiǎn)可得：n=60k/0.001N=60000K/N。

即為本設(shè)計(jì)單片機(jī)測(cè)定每分鐘心率值的數(shù)學(xué)模型（誤差小于0.4%）。軟件設(shè)計(jì)中K值可以通過(guò)修改單片機(jī)源程序更改。本設(shè)計(jì)考慮到心率測(cè)量的快速便捷，將K值設(shè)定為1。這樣數(shù)字心率檢測(cè)儀就可以實(shí)現(xiàn)人體心率的連續(xù)檢測(cè)，檢測(cè)出人體心率的實(shí)時(shí)值。倘若外接示波器的話(huà)，就可以對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行量化，顯示出人體心率波形圖。

總結(jié)語(yǔ)：

心率作為臨床常規(guī)檢查的重要生理指標(biāo)之一，側(cè)面反映出了人體很多心腦血管和心臟方面的健康信息。通過(guò)測(cè)量人的心率，便可初步判斷人的健康狀況。本設(shè)計(jì)可以方便快捷的測(cè)量心率，并在心率異常時(shí)發(fā)出警報(bào)，因此，本數(shù)字心率測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)將能夠得到很好的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱彤、李婉媚.脈搏波傳導(dǎo)速度測(cè)定的新認(rèn)識(shí)[J].醫(yī)療保健器具，2006.（8）.

[2] 劉文，楊欣，張鎧麟.基于AT89C2051單片機(jī)的指脈檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J].醫(yī)療裝備學(xué)報(bào)，2005，第17卷，第9期，2-14.

（作者單位：河南理工大學(xué)）