基于紅外技術(shù)的簡(jiǎn)易心率計(jì)的設(shè)計(jì)

引 言

現(xiàn)代社會(huì)中，人們對(duì)家人和自己的身體健康狀況尤為重 視，心腦血管疾病作為一種發(fā)病率高、致死率高的疾病直接 威脅著人們的生命安全。目前，用于心腦血管疾病監(jiān)測(cè)的儀器 儀表不斷涌現(xiàn)，但大多操作復(fù)雜，主要用于醫(yī)院環(huán)境。因此， 人們迫切需要一種使用簡(jiǎn)單方便，可用于家庭或社區(qū)環(huán)境的心 腦血管疾病監(jiān)測(cè)設(shè)備。本文基于紅外技術(shù)設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易心率 計(jì)。該心率計(jì)采用紅外對(duì)管發(fā)射和接收紅外信號(hào)，采集人體的 心率信號(hào)，并經(jīng)過(guò)主控芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出人體的 心率值。該心率計(jì)具有使用簡(jiǎn)單方便，抗干擾能力強(qiáng)，成本低 等優(yōu)點(diǎn)，可為心腦血管疾病的預(yù)防和監(jiān)測(cè)提供有效手段。

1 紅外技術(shù)

紅外技術(shù)是一種視距無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，具有非接觸式、抗 干擾能力強(qiáng)、工作功耗低利、數(shù)據(jù)通信可靠等優(yōu)點(diǎn)。紅外光 電式檢測(cè)方法測(cè)量心率，是利用光信號(hào)對(duì)血液流動(dòng)的透射率 或反射率不同，將光信號(hào)變換成電信號(hào)進(jìn)而進(jìn)行測(cè)量的方法。 一般對(duì)光信號(hào)的采集有兩種方法，一種是對(duì)射式采集，即在 對(duì)人體如手指測(cè)量時(shí)，在手指兩側(cè)各放一個(gè)光電二極管，一個(gè) 用于發(fā)射信號(hào)，一個(gè)用于接收信號(hào)。當(dāng)通過(guò)手指的血流量變化 時(shí)，光信號(hào)的透射率發(fā)生變化，光電接收管中的電流量也將發(fā) 生變化，從而測(cè)量心率值 ；另一種是反射式采集，即用于發(fā)射 信號(hào)和接收信號(hào)的光電二極管都朝向一端，利用血流變化時(shí)， 光的反射率發(fā)生變化，從而利用光電管中的電流量的變化來(lái)測(cè)量心率值。本文選用第一種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)的信息處理 工作流程如圖 1 所示。

2 硬件設(shè)計(jì) 

2.1 主控芯片選擇 

心率計(jì)的主控芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信號(hào)的 處理和系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。考慮到成本、可靠性、簡(jiǎn)易性等問(wèn) 題，這里選用AT89S52來(lái)作為主控芯片。AT89S52是一種 8 位、 低功耗的微控制器，其自帶 8 KB 可編程 Flash 存儲(chǔ)器，32 個(gè) 可編程 I/O 口線(xiàn)，3 個(gè) 16 位定時(shí)器，8 個(gè)中斷源，具有全雙工 UART 串行通道，低功耗空閑和掉電模式，非常適合作為心 率計(jì)的主控芯片。其芯片引腳如圖 2 所示

2.2 信號(hào)采集電路 

紅外線(xiàn)發(fā)射管在使用時(shí)，有 850 nm、875 nm、940 nm 三個(gè)波段。各波段由于波長(zhǎng)不同，適用環(huán)境也各有不同。 850 nm 波段在安防監(jiān)控設(shè)備中使用較多，875 nm 波段在紅外監(jiān)控中有較多應(yīng)用，940 nm 波段主要用于家電設(shè)備紅外控制 等。本文設(shè)計(jì)的心率計(jì)采用一對(duì) 5 mm 的紅外對(duì)管，另加外圍 少量電子器件組成信號(hào)采集電路。信號(hào)采集電路如圖 3 所示。 圖中 D1 與 D3 為紅外對(duì)管，負(fù)責(zé)紅外信號(hào)的發(fā)射與接收。電 阻 R7 和電容 C5 構(gòu)成低通濾波電路，主要用于去除高頻干擾。

2.3 顯示模塊 

心率計(jì)的數(shù)值顯示選用液晶顯示模塊。這里經(jīng)比較，選 用 LCD1602 液晶顯示模塊，LCD1602 內(nèi)部存儲(chǔ)器已內(nèi)置了 160 個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，使用簡(jiǎn)單方便，每次可顯示兩 行，每行 16 個(gè)字符，可以滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的心率計(jì)顯示的需要， LCD1602 與單片機(jī)的接口電路如圖 4 所示。

3 軟件設(shè)計(jì) 

系統(tǒng)上電后，首先完成初始化程序，以初始化部分硬件 芯片，確定中斷地址和程序入口。然后，液晶顯示屏顯示全零， 表示沒(méi)有信號(hào)進(jìn)入 ；其次，程序定時(shí) 100 ms，進(jìn)入等待中斷 過(guò)程，并累加中斷次數(shù) ；最后，根據(jù) n= K/t（n 表示時(shí)間 t 內(nèi) 心率的平均值，K 表示時(shí)間 t 內(nèi)連續(xù)的脈動(dòng)次數(shù)）計(jì)算心率值， 并在液晶顯示屏顯示數(shù)值。整個(gè)程序流程如圖 5 所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)線(xiàn)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，使人們對(duì)疾病的監(jiān)測(cè)手段 不斷更新和發(fā)展。本文基于紅外技術(shù)設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易心率計(jì)， 該心率計(jì)采用紅外對(duì)管發(fā)射和接收紅外信號(hào)，采集人體的心率 信號(hào)，并經(jīng)過(guò)主控芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，從而計(jì)算出人體的心 率值。該心率計(jì)具有使用簡(jiǎn)單方便，抗干擾能力強(qiáng)，成本低等 優(yōu)點(diǎn)，可為心腦血管疾病的預(yù)防和監(jiān)測(cè)提供有效手段。