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一款便于携带心率测量仪的设计

范文

袁红梅

摘要：设计了一款便于携带的小型心率测量仪器，其信号的采集设备为红外对管传感器，采用最小单片机系统作为核心控制器，使用0，96寸的OLED屏幕显示心率，且当心率不在人体正常心率范围内时，能及时发出报警信号。

关键词：红外对管；单片机；显示器；报警

0引言

近年来，根据各类统计数据，由于各种因素并存导致每年有相当多的人死于心脏病。而心脏出现问题时，心率会发生相应的改变，因此如能及时测量心率，发现生命体征异常，将能大大提高抢救病人的成功率。目前市场上流行的心率测量仪品种较多，但大多都是采用压力传感器来采集心率信号，再送至相应电路处理。这种心率测量仪器虽然性能较稳定，但是其体积较大，比较笨重，不便于携带，因此本文在此基础上设计了一款便于携带的轻便的心率测量仪，使用户能实时实地测量心率。

1设计原理

目前市场产品中心率测量方法主要分为动脉血压法、心电信号测量法（ECG）、光电心率测量法（PPG）三种，考虑到便于携带，人体舒适度、成本等因素，本设计采用了光电心率测量法。由于人体血液浓度一直处于变化状态，其变化频率与心脏扩张与收缩频率一致。当心脏出现收缩时，人体血管里的血液浓度高，此时透明度低，红外对管的接收管处于截止状态，电路无电流流过，因此输出幅度较大的电压：同样，当脉搏扩张时，人体血管内血液浓度低，红外发射管发射的光比较容易透过血管，此时红外对管接收管因正偏导通，电路输出较低的电压信号。信号采集电路采集此随心脏扩张与收缩变化的电信号，并将此送入单片机进行处理，最终计算出人的心率值，通过OLED显示屏显示。

2系统设计

根据系统功能要求，本设计主要包括光电传感模块、信号采集处理模块、单片机控制模块、显示模块、蜂鸣报警模块及电源模块等部分。

光电式传感器的作用是把光信号通过接收管转换成电信号，从而便于电子线路分析处理。信号处理模块的任务是将从前面模块获得的低频电信号进行处理，包括滤除直流成分、两级信号放大、半波整流去除负脉冲，RC滤波，得到与心脏跳动规律一致的低频正脉冲信号。单片机控制模块将信号采集模块输出的脉冲信号进行处理，从而测得心率。单片机控制模块由C8051F410、外部中断、外部晶振等组成。显示模块任务是，显示测得的心率数据。蜂鸣报警模块的作用是：当测得的心率值超过正常值时，电路发出报警信号。最后，各模块工作需要能量，它们的能量都由电源模块集中提供。本设计框架如图1所示。

3硬件设计

3，1光电传感器模块

综合考虑各方面因素，本模块主要由红外对管光电传感器构成。使用光电传感器，能直接把人体脉搏信号转换成电信号。人体指尖的动脉比较发达，因此信号采集直接采集人体指尖信号，当被测试者把指尖放置到红外对管中间时，红外发射管发射出的光线穿透人体生物组织，并通过指骨反射送回红外接收管，此时反射回来的信号强度随着血液浓度变化规律一致，红外接收管接收反射回来的光信号，并把其转换成电信号送给后级电路。

3，2信号采集处理模块

本模块包括信号放大和信号比较两部分，电路如图2所示。

信号放大。由于人体的脉搏信号非常小，采集时容易产生很多干扰，不便于处理，因此，对于采集到的电信号需要进行滤波、整形、放大等处理。电容C36作用，隔直通交，滤除采集到的无用的直流信号，保留随脉搏变化的交流信号，此信号较弱，需送入放大电路放大成较强的信号。这里采用集成运放μA741，根据其使用说明，在其周围接上相关元器件，使其工作在运放线性放大区。为了得到较大的电压，本设计对信号进行了两次放大。VD1实现半波整流，便于后面电路处理。

信号比较。本设计采用OP07进行电压比较。工作原理为：在集成运放的同相输入端和反相输入端分别输入两个模拟信号，一个为待测信号，一个为基准信号，当基准信号幅度大于获得的信号幅度时，电路输出0V电压，反之则显示约8V的高电平。所以当待测信号不断输入时，在集成运放的输出端则连续输出幅度为8V和0V的矩形波信号，将此此信号进行分压，送入单片机处理。

3.3单片机控制模块

本次设计采用单片机8051F410，构成最小系统，信号来自于信号采集处理模块INT，MCU设置成负跳变中断触发模式。当脉冲信号出现下降沿时，将触发单片机的外部中断，进入获取定时器计数值，之后清除定时器计数值，让定时器从0开始计数。当第二个脉冲下降沿出现时，再次读取定时器数值，此数据即为相邻两次心跳间隔周期，最后经过单片机程序计算出人体心率值。电路如图3所示。

3.4显示、报警模块

根据本设计要求及特点，并综合分析市场上各类显示器，综合其优缺点，最终选定0.96寸的OLED为显示器。其体积非常小、因此重量很轻，性能很稳定，价格低，非常适合日常携带。因此本设计中OLED的3脚、4脚、5脚、6脚、7脚分别与单片机I/O口P1，3，P1，4，P1，5，P1，6，P1，7對接，实现数据显示。

根据资料显示，健康人体的心率值在每分钟60-120之间，当心率值超过120或小于60时，单片机会发出信号，使蜂鸣器报警。由于单片机控制器的引脚输出电流的能力较弱，不能自己驱动这些元件，因此需要在单片机的输出端配接三极管，实现功率放大，使其输出功率足够驱动蜂鸣器发出声响。

3.5电源模块

电源模块采用锂电池输出3.3V电压，经过TP5410升压电路，输出5V电源，该电源为OLED显示电路、单片机控制电路提供能量。由于信号处理电路部分需要±10V的直流电源，因此，5V电源需要送入MAX232电源转换电路，使其输出±10V电源，为信号处理电路提供能量。

4软件设计

主程序流程如图4所示。心率计主板初始上电后，单片机将首先执行初始化程序，其主要用来配置液晶显示器的初始化代码、wifi的初始化代码及单片机外设中的定时器配置代码。设置外部中断为下降沿触发方式并开启外部中断，当有心率信号输入时，产生外部中断，进入外部中断程序，此时获取定时器累计的时间，包括定时器计数值、定时器TH0和TL0的值，通过计算获取心率，清除定时器计数值、定时器TH0和TL0的值，以便下次外部中断进入时再次获取脉冲的间隔时间。当有外部中断产生时，在主程序中执行心率数据处理，处理方式为，通过计算相邻两次心率出现的间隔时间来获得被测人员心率值。

5结束语

本设计的核心环节是信号的提取与分析处理以及单片机的控制电路的设置。采集人体心率信号时使用了红外对管，因为人体血液浓度随着心脏扩张与收缩而发生相应的变化，红外对管就采集到这个变化的信号，并把它转换成便于电路处理的电信号。随后对其进行滤波、放大、比较等处理，筛选出与脉搏变化规律一致的电信号，并将其送至最小单片机系统，经过单片机处理后，由显示器显示心率数值，并附带报警功能。此款心率计使用了贴片单片机芯片，使用了0.96寸的OLED，因此其体积小也便与携带。

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