一種便攜式心率檢測儀的設(shè)計(jì)

石肖伊，王先全，趙雨倩

（重慶理工大學(xué)，重慶 400054）

0 引言

心率是體現(xiàn)血液循環(huán)機(jī)能的重要生理指標(biāo)，準(zhǔn)確、及時(shí)記錄心率等數(shù)據(jù)，能夠有效預(yù)防心腦血管疾病，幫助問診［1］。基于科技的不斷發(fā)展，越來越先進(jìn)的檢測技術(shù)不斷產(chǎn)生。國內(nèi)外設(shè)計(jì)各種各樣的心率檢測系統(tǒng)，研究心率傳感器是設(shè)計(jì)心率檢測系統(tǒng)的根本。

姚鳴放等［2］采用由發(fā)射角寬的紅外線發(fā)光二極管和光電三極管組成的心臟搏動(dòng)信號換能器。其中光電三極管［2］紅外光匹配性能強(qiáng)、透鏡敏感度高、集電極電流范圍大。由于血液中的血紅蛋白具有吸收近紅外線的生物效應(yīng)，因此換能器具有高靈敏度和穩(wěn)定的輸出信號。但是該傳感器測得的心率值誤差較大、心率數(shù)值不穩(wěn)定且受外界干擾影響較大。呂峻達(dá)等［3］選用了型號為ST188的紅外光電傳感器。手指腹部置于發(fā)射端和接收端之間，光電二極管根據(jù)心率的不斷變化采集信號。該傳感器占用的體積較小，重量較輕，可以進(jìn)行高靈敏度進(jìn)行識別。盧超［4］選用了HK-2000B 脈搏傳感器，HK-2000B 脈搏傳感器采用高度集成化工藝將力敏元件（PVDF 壓電膜）、靈敏度溫度補(bǔ)償元件、感溫元件、信號調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)。該傳感器［4］具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、過載能力大、一致性好、性能穩(wěn)定、使用壽命長等特點(diǎn)。但是采用脈搏傳感器的壓電陶瓷片只能適用于手腕和頸部，會(huì)存在無法避免的誤差，有時(shí)是和信號相似的低頻率波形，即使通過了濾波電路仍不可完全消除，且人體手腕或頸部的運(yùn)動(dòng)，會(huì)對信號采集存在一定的影響。綜上所述，從傳感器的制作工藝、材料的選取、受外界的干擾信號的干擾程度和制作過程中前級電路的處理難易程度上考慮，利用光電式傳感器原理簡單易懂，操作簡單、佩戴方便、可靠性高。

本設(shè)計(jì)的中心控制單元選擇STC89C52［5］，選用光電傳感器接收不同信號，間接測量人體心率。單片機(jī)與LCD連接以顯示心率數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)的心率檢測儀功耗低、穩(wěn)定性好，方便日常生活檢測。

1 心率檢測原理

心臟器官跳動(dòng)，人體組織半透明度則會(huì)產(chǎn)生較為顯著的變化。當(dāng)血液傳送回心臟部位時(shí)［6］，組織的半透明度會(huì)增大；但是血液輸送人體各部位時(shí)，則會(huì)減小。這種現(xiàn)象常見于指尖等部位。

紅外光電二極管發(fā)射紅外光，血液反射紅外光［7-11］，高靈敏度光電晶體管吸收反射紅外光。不同的血液量反射的紅外線量不同，這種不同經(jīng)過濾波、放大和整形后得到高低電平，采集、計(jì)算后可得到心率。如圖1 所示。

圖1 手指光吸收量變化示意圖

本設(shè)計(jì)采用ST188紅外光電傳感器采集指尖心率信號［12］，經(jīng)過傳感器獲得的心率信號約略為正弦波，然后經(jīng)過濾波、放大和整形電路的處理變?yōu)榉讲ā⒎讲ㄝ斎氲絾纹瑱C(jī)內(nèi)部進(jìn)行程序處理得到心率數(shù)值，通過單片機(jī)電路與液晶顯示電路的相互轉(zhuǎn)換，把獲取到的心率數(shù)值最終顯示在液晶屏上。由此，可以精確、方便地讀取測量者的心率值。本課題設(shè)置了心率報(bào)警電路。當(dāng)讀取的心率數(shù)值低于或者高于設(shè)定閾值時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。心率檢測系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 心率檢測原理

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路

2.1.1 信號采集與處理模塊

圖3 所示為手指心率信號的采集電路，U2 是紅外發(fā)射和接收裝置。將手指指腹放置于ST188 傳感器的上方，該傳感器會(huì)精確識別心率信號并采集轉(zhuǎn)換為電信號。該傳感器體積小、性價(jià)比與精確度都高。

圖3 反射式光電傳感器

圖4 所示為信號采集電路ST188 由紅外光電二極管和高敏度光電晶體管組成ST188 光電式傳感器，采用反射式非接觸檢測。二極管電路中的電流越大，二極管產(chǎn)生的發(fā)射強(qiáng)度越大。傳感器電路檢測接收管的信號，通過示波器觀察接收管是否接收到反射的紅外線。

圖4 信號采集電路

2.1.2 濾波電路

光電傳感器將采集到的心率信號轉(zhuǎn)換成電信號，發(fā)送給濾波電路［13］以便于實(shí)現(xiàn)對采集信號的濾波。之所以選擇設(shè)置頻率內(nèi)的心率信號是因?yàn)槿梭w的心率信號比較微弱。選擇3 個(gè)電阻和3 個(gè)電容，將高通與低通濾波電路串聯(lián)為帶通濾波電路，使測量所需的該頻帶內(nèi)的信號可以通過，提高電路的干擾能力。

根據(jù)帶通濾波電路可知：

所以該濾波電路濾除了大于15.92 Hz 和小于0.66 Hz的干擾。按照正常人心率為60～100 次/min 考慮，該濾波電路滿足要求。如圖5 所示。

圖5 濾波電路

2.1.3 信號處理模塊

選擇LM382 芯片來設(shè)置信號放大電路和整形電路，該芯片有兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器，具有高增益和內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)選用了同相放大電路。放大倍數(shù)為：

雖然通過濾波、放大后的信號容易測量，但無法避免一些低頻和不規(guī)則脈沖信號的干擾。因此在放大電路之后設(shè)計(jì)了電壓比較器對心率信號處理。當(dāng)電壓比較器接收到心率信號時(shí)，心率信號將會(huì)與參考電壓相比。如果參考電壓小于心率信號，將輸出高電平，否則是低電平。在信號輸出端接了一個(gè)LED燈用作指示心率信號的跳動(dòng)狀態(tài)。如果傳感器檢測到了心率信號，則LED燈會(huì)有規(guī)律地閃爍。如圖6 所示。

圖6 信號處理電路

2.1.4 STC89C52 單片機(jī)電路

本設(shè)計(jì)采用的是STC89C52 單片機(jī)作為控制芯片，它是由STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8 K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。單片機(jī)電路中設(shè)置了復(fù)位電路和晶振電路。STC89C52 的P0 口連接了10 K的排阻且與LCD的7～14 相連。心率采集輸出電路與P1.0 相連，鍵盤電路則由P3.0、P3.1、P3.2所構(gòu)成，報(bào)警電路與P2.4 連接。主控電路如圖7 所示。

圖7 STC89C52 主控電路

2.1.5 數(shù)據(jù)顯示模塊

LCD1602 液晶顯示模塊用于數(shù)據(jù)顯示［14］。7～14 為傳輸顯示數(shù)據(jù)的引腳；LCD 的R/W 連接單片機(jī)的P2.6口并通過編程實(shí)現(xiàn)對LCD 讀和寫的操作；RS 為寄存器的選擇功能；液晶屏的使能端為引腳E；為了實(shí)現(xiàn)液晶屏的亮度調(diào)節(jié)，采用R11 和R12 的分壓電路連接。具體電路連接如圖8 所示。

圖8 LCD1602

2.1.6 數(shù)據(jù)報(bào)警模塊

數(shù)據(jù)報(bào)警模塊由心率設(shè)置范圍電路和報(bào)警電路組成。心率設(shè)置范圍電路由SW2、SW3、SW4 所按鍵組成。SW1 實(shí)現(xiàn)LCD 頁面切換。心率的上下限由按鍵SW3、SW4 設(shè)置。SW4 具體顯示心率值。蜂鳴器、三極管和電阻組成報(bào)警電路。當(dāng)單片機(jī)的P2.4 輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器電路有電流會(huì)響。輸出高電平時(shí)，三極管不導(dǎo)通，蜂鳴器不響。當(dāng)檢測得到的心率數(shù)值超過心率設(shè)置范圍時(shí)，由單片機(jī)控制蜂鳴器則會(huì)發(fā)出鳴叫。如圖9～10 所示。

圖9 鍵盤電路

2.2 系統(tǒng)軟件

軟件設(shè)計(jì)的開發(fā)環(huán)境為Keil。由主程序、液晶顯示子程序、定時(shí)器子程序等構(gòu)成了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

首先進(jìn)行單片機(jī)的初始化，清除一些參數(shù)和設(shè)置心率上下限的初始值。當(dāng)被測者按下按鍵時(shí)，則會(huì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。當(dāng)輸入心率信號到單片機(jī)中，通過1min的測量獲取到心率值，在LCD1602 顯示屏上顯示。通過控制按鍵2、按鍵3、按鍵4 設(shè)置心率上下限。如果超出上下限則會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器響，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。如圖11所示。

圖10 蜂鳴器電路

圖11 主程序流程

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 信號采集模塊

按照最早所設(shè)計(jì)的原理圖，如圖12 所示。把整個(gè)信號采集與處理模塊的電路圖焊接完畢。測試時(shí)LED不會(huì)隨著手指心率的改變而隨之閃爍。經(jīng)過分析與測試，確定是濾波電路存在問題。在設(shè)置濾波電路前加入帶通濾波電路，找到心率信號。

圖12 設(shè)計(jì)之初的信號采集電路圖

傳感器輸出的正弦波幅度很小，經(jīng)整形輸出后檢測到的脈沖還是很弱，在確定電路沒有問題的情況下把圖12 的R10 改為電位器，加強(qiáng)信號的放大倍數(shù)。在準(zhǔn)確設(shè)置R10 的電阻值后，把指尖放到傳感器測得的心率信號就很靈敏，且LED1 會(huì)隨著心率信號的跳動(dòng)隨之閃爍，具體焊接實(shí)物如圖13 所示。為了使采集的心率值更加精確、穩(wěn)定，根據(jù)所示的原理圖設(shè)計(jì)了PCB板，實(shí)物圖如圖14 所示。單片機(jī)輸入信號如圖15所示。

圖13 焊接采集心率電路

圖14 心率采集模塊

圖15 心率采集信號

3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)這一部分首先根據(jù)電路圖在洞洞板進(jìn)行焊接。在進(jìn)行測試時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)置的線路多且雜，只能通過杜邦線連接。線路連接的杜邦線較多且線路連接不穩(wěn)定，LCD顯示屏不能正確顯示。通過萬用表測試電路，發(fā)現(xiàn)電路部分沒有問題。所以最后改用了PCB板來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的功能。PCB板如圖16 所示。

圖16 單片機(jī)系統(tǒng)模塊

3.3 系統(tǒng)測試

根據(jù)程序通過信號發(fā)生器輸出頻率的改動(dòng)，觀察LCD屏幕的心率值是否正確。經(jīng)測試，程序能夠正確顯示心率值。但當(dāng)使用采集心率模塊時(shí)，發(fā)現(xiàn)心率值并不穩(wěn)定且數(shù)值的波動(dòng)范圍大。根據(jù)網(wǎng)上查閱有關(guān)心率相關(guān)的知識及資料，修改所設(shè)計(jì)的程序，使得利用采集心率電路輸入信號，能夠精確、穩(wěn)定地顯示心率值。

通過多次測試之后，把電源轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)的USB 電源，發(fā)現(xiàn)電路的電壓并未達(dá)到設(shè)計(jì)的電壓值。更換電源采用的電路模塊，減少電源模塊的杜邦線連接，設(shè)計(jì)心率檢測儀的PCB板，保證電路電源電壓的穩(wěn)定。

進(jìn)人測量狀態(tài)后，測量值不穩(wěn)定，主要是光電傳感器受到手指指尖汗液的影響以及手機(jī)等電磁波干擾，將手機(jī)關(guān)機(jī)且測量前擦干指尖汗液即可。

3.4 數(shù)據(jù)分析

心率測量儀整體系統(tǒng)于2022 年4 月29 日15∶00 在第三實(shí)驗(yàn)大樓A120 進(jìn)行測試，采用測試者1 與測試者2的采集心率數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值與測量值對照如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)對照表

由于測試者1 在當(dāng)時(shí)測量的心率標(biāo)準(zhǔn)值一樣，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差公式對胡蝶的心率數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算：

標(biāo)準(zhǔn)差σ可作為測量數(shù)據(jù)中測量不可靠性的評定標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)差σ的數(shù)值越小，測量的可靠性越大，測量精度高。由式（4）知，測得胡蝶的心率數(shù)值比較可靠。

在實(shí)際測量時(shí)，人工與檢測儀測量的數(shù)值會(huì)有誤差。這是由于系統(tǒng)誤差和人為誤差共同影響所造成的。系統(tǒng)誤差是由實(shí)際檢測時(shí)，人體脈搏強(qiáng)度不穩(wěn)定所造成。人為誤差是由計(jì)數(shù)開始和結(jié)束時(shí)間把握不準(zhǔn)所造成。

4 結(jié)束語

手指心率檢測儀的采用以STC89C52 單片機(jī)為控制核心，采用紅外光電傳感技術(shù)，通過對心率信號的分析和處理，最終在LCD1602 顯示心率值。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地測量心率，采用了報(bào)警功能來提醒測量者的心率值異常且具有高精度、可靠性高等特點(diǎn)，能夠滿足日常生活中的檢測需求，有效實(shí)現(xiàn)對心率的實(shí)時(shí)監(jiān)測，具有較好的市場前景以及推廣價(jià)值。由于設(shè)計(jì)時(shí)間短，知識有限，本次設(shè)計(jì)還存在一些不足，如電路板復(fù)雜，程序不夠簡練，光電傳感器的靈敏度不夠高；同時(shí)此次設(shè)計(jì)的測量儀功能比較單一，沒有如語音系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)讀出心跳次數(shù)等人性化功能。對本設(shè)計(jì)加以改進(jìn)的話，能夠?qū)崿F(xiàn)在手機(jī)App 和電腦上實(shí)現(xiàn)通信，實(shí)時(shí)檢測家人的心率情況以及更多的智能設(shè)置。