淺析便于室外使用的液晶顯示型心率計(jì)

引言

過(guò)去人們測(cè)量脈搏時(shí)常用的方法是使用測(cè)量脈搏的聽(tīng)診器，或者使用吸附在人體上的電極等老式測(cè)量方法，這些方法無(wú)疑都不便于室外場(chǎng)所使用。

本心率計(jì)在設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮到了這一點(diǎn)。它采用紅外線來(lái)進(jìn)行檢測(cè)采集人體的脈搏，檢測(cè)的部位為被檢測(cè)人的任意一個(gè)手指或者是耳垂。檢測(cè)的基本原理是：隨著心臟的搏動(dòng)，人體組織半透明度隨之改變。當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明度減小;當(dāng)血液流回心臟，組織的半透明度增大。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。

因此，本心率計(jì)將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的上述部位，并用裝在該部位另一側(cè)或旁邊的紅外光電管來(lái)檢測(cè)機(jī)體組織的透明程度并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于此信號(hào)的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比，故只要把它轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)脈搏次數(shù)的目的。

硬件電路設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的這款便攜式單片機(jī)控制液晶顯示型心率計(jì)，硬件整體電路如圖1所示。它可分為兩個(gè)大的電路組成部分，即心率采集處理電路和單片機(jī)控制顯示部分?！?/p>

 圖1 心率采集處理電路

心率采集處理電路如圖2所示。該部分電路主要由脈搏次數(shù)紅外檢測(cè)采集電路模塊、信號(hào)抗干擾電路模塊、信號(hào)整形電路模塊等三個(gè)主要的電路模塊組成?！?/p>

圖2 心率采集處理電路

其中，紅外線發(fā)射管D1和紅外線接收管Q1組成了紅外檢測(cè)采集電路;R2與C1、C2與C3、R4與C4和IC1a共同構(gòu)成了信號(hào)抗干擾電路組，它們分別承擔(dān)了對(duì)信號(hào)的低通濾波、干擾光線的光電隔離、殘余高頻干擾的濾除等任務(wù)。另外，IC1b、C5與R10、IC1c則共同組成了信號(hào)整形電路模塊。

心率采集處理電路工作的基本過(guò)程如下：

首先，紅外檢測(cè)采集電路中D1發(fā)射紅外線，而Q1則接收相應(yīng)組織的半透明度，同時(shí)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由于脈搏一般在50次/分~200次/分之間，對(duì)應(yīng)的頻率范圍在0.78Hz~3.33Hz之間，因此經(jīng)紅外檢測(cè)采集到并轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)頻率就非常低。為了防止信號(hào)因外界高頻信號(hào)干擾而使檢測(cè)結(jié)果有誤，信號(hào)就必須先進(jìn)行低通濾波，以便濾出絕大部分的高頻干擾。電路中采用R2和C1來(lái)完成濾除高頻干擾的任務(wù)。

然后，由于本心率計(jì)設(shè)計(jì)的適用場(chǎng)所為室外，因此它必然會(huì)遇到強(qiáng)光輻射的情況。為了避免在接收正常脈搏紅外線時(shí)受到強(qiáng)光的干擾，電路中設(shè)計(jì)使用C2、C3背靠背串聯(lián)組成的雙極性耦合電容構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的光電隔離電路，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)于干擾光線的隔離。此外，為了防止前面對(duì)于高頻干擾濾除的不夠徹底，電路中還設(shè)計(jì)連接了由IC1a、R4、C4組成的截止頻率為10Hz左右的低通濾波器電路，以便進(jìn)一步濾除干擾，同時(shí)將前面的信號(hào)放大200倍左右。

經(jīng)前面處理得到的信號(hào)為疊加有噪聲的脈沖正弦波，接下來(lái)必須對(duì)這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)整形。先是通過(guò)比較器IC1b將正弦波轉(zhuǎn)換成方波。利用R8可以實(shí)現(xiàn)將比較器的閾值調(diào)定在正弦波的幅值范圍之內(nèi)的目的。接下來(lái)，從IC1b的7引腳輸出的方波信號(hào)經(jīng)C5、R10構(gòu)成的微分電路，進(jìn)行微分處理后將成為正負(fù)相間的尖脈沖。

為了穩(wěn)定脈沖的輸出，電路設(shè)計(jì)時(shí)是將此脈沖輸入到單穩(wěn)多諧振蕩器IC1c的反相輸入端，并利用IC1c的輸出來(lái)作為后極工作的實(shí)際使用脈沖。IC1c在工作時(shí)，凡有輸入信號(hào)時(shí)，它會(huì)在輸入信號(hào)后沿到來(lái)時(shí)輸出高電平，從而使C6通過(guò)R11充電。大約持續(xù)20ms之后，IC1c同相輸入端的電位會(huì)因C3充電電流減小而降低，當(dāng)此電位低于反相輸入端的電位時(shí)(尖脈沖已過(guò)去很久)， IC1c就將改變狀態(tài)并再次輸出低電平。這20ms的脈沖時(shí)間是與脈搏同步的，這種脈沖在電路工作時(shí)是與紅色發(fā)光二極管D3的閃爍情況相對(duì)應(yīng)的。

經(jīng)過(guò)IC1c之后的脈沖就是后面單片機(jī)控制電路所需的實(shí)際脈沖，通過(guò)R12送到單片機(jī)P3.3引腳后，就可實(shí)現(xiàn)后面的計(jì)數(shù)和顯示了。IC1a、IC1b、IC1c工作所需的4.5V電源電壓，在電路中是通過(guò)R14、R15對(duì)9V分壓并經(jīng)IC1d緩沖而得到的。這樣的設(shè)置，就使得即使電池電壓降低到6V，本電路也能實(shí)現(xiàn)正常工作。

單片機(jī)控制電路

單片機(jī)控制電路如圖3所示。本部分電路主要由AT89C2051單片機(jī)、SMC1602A液晶顯示芯片、12MHz的晶振電路以及復(fù)位電路等幾個(gè)部分組成?！?/p>

圖3 單片機(jī)控制電路

電路主要完成對(duì)于前面采集處理得到的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)和顯示的任務(wù)。經(jīng)采集處理后得到的脈沖信號(hào)，通過(guò)P3.3引腳被輸入到單片機(jī)中。單片機(jī)被設(shè)為負(fù)跳變中斷觸發(fā)模式。因此，每次脈沖下降沿到達(dá)時(shí)，單片機(jī)就將被觸發(fā)并產(chǎn)生中斷進(jìn)行計(jì)時(shí);而當(dāng)下一次脈沖的下降沿到達(dá)時(shí)，單片機(jī)就對(duì)兩次脈沖間的時(shí)間間隔進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果就是心率。這個(gè)結(jié)果值，將通過(guò)P1口送至SMC1602A液晶顯示芯片的數(shù)據(jù)端口，從而被顯示出來(lái)。