心率監(jiān)測(cè)電路圖這么設(shè)計(jì)！

智能硬件設(shè)備火爆以來(lái)，到處都能見(jiàn)到心率檢測(cè)的影子：智能手表、智能手環(huán)、智能耳機(jī).....心率檢測(cè)電路如何設(shè)計(jì)?心率檢測(cè)原理是什么?測(cè)人體心率有哪些方式方法?有哪些心率檢測(cè)傳感器推薦?希望通過(guò)本篇文章大家能夠了解手環(huán)、手表上心率檢測(cè)的基本原理;工程師能夠少走彎路，參考借鑒。

一、心率小常識(shí)：(18px)

心率是用來(lái)描述心動(dòng)周期的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，是指心臟每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)，以第一心音為準(zhǔn)。 心率，現(xiàn)代漢語(yǔ)將心率解釋為“心臟跳動(dòng)的頻率”。頻率就是在單位時(shí)間內(nèi)，某件事情發(fā)生的次數(shù)。兩種解釋合起來(lái)就是，心臟在一定時(shí)間內(nèi)跳動(dòng)的次數(shù)，也就是在一定時(shí)間內(nèi)，心臟跳動(dòng)快慢的意思。

心率是一項(xiàng)重要的人體機(jī)能指標(biāo)，健康成年人大約每分鐘心跳72下(72 beats per minute (bpm))。通常情況下運(yùn)動(dòng)員的心率比缺少運(yùn)動(dòng)的程序員的心率低。小孩心率會(huì)高一些，大約120bpm。大一點(diǎn)的小孩心率大約在90bpm。當(dāng)一個(gè)人運(yùn)動(dòng)時(shí)，心率會(huì)逐漸升高，當(dāng)停下后又會(huì)慢慢恢復(fù)。如果心率比正常的低，表明心率過(guò)緩;比正常高，表明心動(dòng)過(guò)速~

二、心率測(cè)量有哪些方法

1、測(cè)心率的土方法

一般情況下最省錢(qián)的測(cè)心率的方法是——把脈法(將手指放到手腕上的動(dòng)脈處，在30s的時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)動(dòng)脈搏動(dòng)，然后乘以2)。這種將大姆手指放到動(dòng)脈上的方法缺點(diǎn)是在心率高的情況下容易出錯(cuò)。

2、醫(yī)學(xué)上測(cè)心率的方法--心電圖法

通過(guò)測(cè)量心電圖算出心率，這種方式因?yàn)槭歉鶕?jù)心電產(chǎn)生的生物學(xué)原理來(lái)測(cè)量，所以結(jié)果準(zhǔn)確。

但由于其測(cè)量的原理，容易受到電磁干擾，其次如果電極與人體接觸不良得到的結(jié)果也不準(zhǔn)確(醫(yī)院做之前在手上胸上擦拭酒精就是這么個(gè)道理)。這種方法是目前醫(yī)療級(jí)別最常用最準(zhǔn)確的方法，金標(biāo)準(zhǔn)。

最簡(jiǎn)單的就是下面這種內(nèi)置算法的單導(dǎo)聯(lián)(Ⅰ導(dǎo)聯(lián))的快速心電檢測(cè)儀(機(jī)器左右兩邊的電極直接接觸手掌)

前面說(shuō)的兩種方法，一個(gè)太專業(yè)，一個(gè)太業(yè)余，都不是本文的重點(diǎn)。下面要講的是智能硬件設(shè)備如何測(cè)心率。

3、透射式心率檢測(cè)(夾式測(cè)心率)

像下圖中夾子型的測(cè)心率設(shè)備，其原理是如下figure1：夾子下面的TX是個(gè)LED燈，用來(lái)照射拇指;上面有個(gè)感光設(shè)備RX用來(lái)采集手指中的光亮度變化。因?yàn)樾呐K跳動(dòng)會(huì)導(dǎo)致血液濃度變化，從而影響從TX發(fā)射的光。接著用濾波電路將RX的數(shù)據(jù)的部分雜質(zhì)濾除，并轉(zhuǎn)換到微處理AD可處理的合適電壓范圍，最后通過(guò)計(jì)算將結(jié)果顯示到LCD上。

如下圖，夾式測(cè)心率設(shè)備的原理圖比較簡(jiǎn)單：包含夾子模塊、2個(gè)運(yùn)放模塊、1個(gè)低通濾波器(濾掉毛刺)、MCU和顯示器模塊。第一個(gè)放大器使增益剛剛超過(guò)100，第二個(gè)運(yùn)放的增益大約560，最后將兩極運(yùn)放結(jié)果輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理。

夾式測(cè)心率軟件部分是以10s為一個(gè)周期，然后將10s的計(jì)算心率的結(jié)果乘以6得到一次心率值。最終采用3次測(cè)量區(qū)平均的方法得出最終單次心率值。

4、反射式測(cè)心率

像手環(huán)、手表等智能設(shè)備采用透射式就不方便了，此時(shí)可以采用反射式心率檢測(cè)方法。其實(shí)，反射式和透射式在運(yùn)放、低通濾波、嵌入式程序、以及LCD顯示部分基本一樣。不同之處在于透射式采用夾子，夾子下端有光源，上端是感光原件，通過(guò)采集透射光的變化判斷心率變化;而反射式則光源和感光原件在同一側(cè)(中間用隔光板隔開(kāi))，手指按到采集設(shè)備上，發(fā)光源的光會(huì)經(jīng)過(guò)手指反射到感光設(shè)備。

5、另一種心率檢測(cè)原理圖介紹(和夾子式的大同小異)：

該信號(hào)調(diào)理電路包括2個(gè)獨(dú)立的低通濾波器，他們的截止頻率大約為2.5Hz，也就說(shuō)最高能測(cè)量的心率為150bpm。該運(yùn)放芯片采用雙運(yùn)放芯片MCP602(淘寶上1元/個(gè))，它由單電源供電，提供軌到軌輸出擺幅(rail-to-rail output swing，如果參數(shù)為：50mV，表示輸出電壓范圍為Vee+50mV到Vcc-50mV)。這個(gè)濾波是非常必要的，它能夠?yàn)V掉任何高頻噪聲。每個(gè)運(yùn)放的增益為101，總共運(yùn)放為10000。同時(shí)，每個(gè)運(yùn)放前有一個(gè)1uF的電容，來(lái)濾掉直流分量。

三、一些反射式光學(xué)傳感器

如果在淘寶上直接搜心率模塊，出來(lái)的種類(lèi)很少。經(jīng)過(guò)這篇文章，想必你已經(jīng)知道此類(lèi)心率檢測(cè)模塊只不過(guò)是一個(gè)反射是或透射式光學(xué)傳感器加上一些運(yùn)放而已。幾個(gè)容易買(mǎi)到的反射式光學(xué)傳感器分享給大家：TCRT 1000、LTH1550、SFH7050。