便攜式單片機(jī)控制液晶顯示型心率計(jì)

 引言

過去人們測量脈搏時常用的方法是使用測量脈搏的聽診器，或者使用吸附在人體上的電極等老式測量方法，這些方法無疑都不便于室外場所使用。本心率計(jì)在設(shè)計(jì)時就充分考慮到了這一點(diǎn)。它采用紅外線來進(jìn)行檢測采集人體的脈搏，檢測的部位為被檢測人的任意一個手指或者是耳垂。

檢測的基本原理是：隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變。當(dāng)血液送到人體組織時，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檢測機(jī)體組織的透明程度并把它轉(zhuǎn)換成電信號。由于此信號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)時檢測脈搏次數(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。

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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)紅外檢測采集電路模塊、信號抗干擾電路模塊、信號整形電路模塊等三個主要的電路模塊組成。其中，紅外線發(fā)射管D1和紅外線接收管Q1組成了紅外檢測采集電路;R2與C1、C2與C3、R4與C4和IC1a共同構(gòu)成了信號抗干擾電路組，它們分別承擔(dān)了對信號的低通濾波、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則共同組成了信號整形電路模塊。

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心率采集處理電路工作的基本過程如下：

首先，紅外檢測采集電路中D1發(fā)射紅外線，而Q1則接收相應(yīng)組織的半透明度，同時轉(zhuǎn)換為電信號。由于脈搏一般在50次/分~200次/分之間，對應(yīng)的頻率范圍在0.78Hz~3.33Hz之間，因此經(jīng)紅外檢測采集到并轉(zhuǎn)換得到的電信號頻率就非常低。為了防止信號因外界高頻信號干擾而使檢測結(jié)果有誤，信號就必須先進(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)的適用場所為室外，因此它必然會遇到強(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)成一個簡單的光電隔離電路，從而實(shí)現(xiàn)了對于干擾光線的隔離。此外，為了防止前面對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，同時將前面的信號放大200倍左右。

經(jīng)前面處理得到的信號為疊加有噪聲的脈沖正弦波，接下來必須對這個信號經(jīng)過整形。先是通過比較器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，從IC1b的7引腳輸出的方波信號經(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的輸出來作為后極工作的實(shí)際使用脈沖。

IC1c在工作時，凡有輸入信號時，它會在輸入信號后沿到來時輸出高電平，從而使C6通過R11充電。大約持續(xù)20ms之后，IC1c同相輸入端的電位會因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(尖脈沖已過去很久)， IC1c就將改變狀態(tài)并再次輸出低電平。這20ms的脈沖時間是與脈搏同步的，這種脈沖在電路工作時是與紅色發(fā)光二極管D3的閃爍情況相對應(yīng)的。

經(jīng)過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R14、R15對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)位電路等幾個部分組成。電路主要完成對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，通過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，單片機(jī)就將被觸發(fā)并產(chǎn)生中斷進(jìn)行計(jì)時;而當(dāng)下一次脈沖的下降沿到達(dá)時，單片機(jī)就對兩次脈沖間的時間間隔進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果就是心率。這個結(jié)果值，將通過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。

在顯示心率值之后，單片機(jī)將對此心率值與80~120的人體正常脈搏范圍進(jìn)行比較。若此值X為80≤X≤120，液晶顯示芯片中會顯示“Very Good!”，以表示被測者心率正常;若此值不在80~120范圍之內(nèi)，即X<80或者X>120，那么，液晶顯示芯片中會顯示“A Little Bad!”，以便表示被測者心率出現(xiàn)不正常。

另外，為了提示用戶及時觀察心率值的顯示，電路中還設(shè)置了一個提示音的裝置。即每次脈沖到來時，單片機(jī)P3.7引腳所連接的蜂鳴器SP均會發(fā)出提示音，這樣，當(dāng)用戶第二次聽到這個提示音時，就表明1分鐘的脈搏計(jì)數(shù)顯示已經(jīng)完成。如此一來，結(jié)合前面心率采集處理電路中對于每次脈搏給予的點(diǎn)亮閃爍裝置，本心率計(jì)在使用時就可以通過聲光相結(jié)合的形式形象地把脈搏的快慢顯示出來。

此外，本心率計(jì)設(shè)計(jì)的有效測量顯示范圍為50次/分~199次/分。為避免可能出現(xiàn)的干擾的影響，單片機(jī)對兩個脈沖之間的時間間距進(jìn)行檢測，若發(fā)現(xiàn)有干擾，即次數(shù)值不在設(shè)置的有效測量顯示范圍之內(nèi)時，則忽略該干擾而不顯示。這樣就更加降低了心率計(jì)在實(shí)際使用時出現(xiàn)誤差的可能性。

元器件選取

電路中單片機(jī)選用AT89C2051單片機(jī)。液晶顯示器芯片則選用SMC1602A，電路中用到的運(yùn)算放大器IC1為常用的四運(yùn)放LM324，它的四路分別分配給了IC1a、IC1b、IC1c和IC1d。本心率計(jì)的電源為7~9V直流電源，可以通過電池供電，也可通過交直流轉(zhuǎn)換后來獲取，正常工作時的工作電流為100mA。設(shè)計(jì)中使用的提示音裝置為普通蜂鳴器，也可用8Ω微型喇叭來代替。另外，單片機(jī)采用的是12MHz的晶振，若用其它頻率晶振，在軟件設(shè)計(jì)中就需進(jìn)行相應(yīng)修改。

在使用前的安裝時，可以將紅外線發(fā)射管D1和紅外線接收管Q1分別連接到一個夾子的兩端。將剩余的電路板等部件安裝于一個小盒中，為便于攜帶，小盒外部在電路安裝完畢后應(yīng)粘接一個可連接皮帶的裝置。為了方便使用時進(jìn)行按鍵和觀察，復(fù)位鍵K1、紅色發(fā)光二極管D3、蜂鳴器SP以及液晶顯示器芯片的顯示窗口均要在盒子上留出相應(yīng)放置的位置。同時液晶顯示的窗口還應(yīng)外加一個保護(hù)硬模，以免室外測量時的損壞。

在實(shí)際使用時，先將由圖1中紅外線發(fā)射管D1和紅外線接收管Q1構(gòu)成的檢測夾子裝置夾在被測者的任意一個檢測手指上，然后連通電源。若觀察到紅色發(fā)光二極管在閃爍，那就表明心率計(jì)能夠正常工作。此時，為保證觀察的準(zhǔn)確性，可以按下復(fù)位鍵K1使系統(tǒng)復(fù)位之后再重新開始測量并計(jì)數(shù)顯示。

注意在兩次聽到蜂鳴器的提示音之后，首先觀察到的結(jié)果是被檢測者的心率，然后就是這個心率是否正常的英文提示語。若顯示為“Very Good!”，則表示被檢測者心率正常;若顯示“A Little Bad!”，那么就表明被檢測者的心率不太正常了。

軟件設(shè)計(jì)

本心率計(jì)的軟件設(shè)計(jì)采用的語言為匯編語言，主要的程序流程圖如圖4~圖7所示。其中，圖4為主程序流程圖，圖5為定時器中斷子程序流程圖，圖6為INT1外中斷子程序流程圖，圖7為顯示部分的子程序流程圖。

結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的新型便攜式心率計(jì)，設(shè)計(jì)方法比較簡單易行，使用的元件也比較普遍。從總體來看，它具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、使用方便、易于觀察、易于攜帶等多種優(yōu)點(diǎn)。因此，該心率計(jì)將非常適合于體育訓(xùn)練和室外作業(yè)等場合的使用。