1 引言
心率是指人体心脏每分钟搏动的次数。它是反映心脏是否正常工作的一个重要参数,同时心率值也是衡量体力劳动强度和脑力劳动强度的重要指标。因此心率的测量是一种评价病人生理状况很好的方法。
心率计是用于测量心率值的的医疗设备,它的应用在心血管疾病的研究和诊断方面发挥出显著的作用,它所记录的心脏活动时的生物电信号,已成为临床诊断的重要依据[1]。随着电子科技的不断发展,生命科学和信息科学的结合越来越紧密,许多研究人员都投身于人类健康事业发展中来[2]。Holter(动态心电图)的出现,使心电图机进入家庭变成可能,但是基于心电工作站的模式,使个别地区的患者因医院分析诊断系统的不健全,而变得不适应。基于嵌入式及DSP的心电监护仪功能强大,但又因芯片价格的高昂而有悖于我国的基本国情。古老的手动式听诊器价格便宜,但这样大大占用了人力资源,而且在没有医生的情况下不方便测量,大大影响了疾病的预防工作。因此,对一种既经济又实用,方便测量的心率计的研究显得尤为重要。基于这一目的,设计了一种方便测量人的心跳,而且价格便宜,并且符合我国人均收入水平的心率计。
目前,市场上存在了一些心率计,但是价格较高,不利于心率计的普及,因此通过选用较为常见的电子器件,测量过程操作简单,成品心率计成本较低,进行批量化生产后成本价格不足20元,性能好,能够动态显示人的心跳数的变化,并将一分钟人的心跳数保持并显示出
来,记录完数据后,可以连续测量。随着生活节奏的加快,人们工作压力较大,而且更加关注自身的健康。此次设计的心率计消费格较低,适用绝大部分消费人群,因此有好的市场前景。,
2 硬件电路设计
单片机处理电路是心率计的核心,图1为单片机的系统框图。通过控制开关来实现对输入心率信号的计数,并通过指示灯来指示各项操作,最后通过数码管将心率数值显示出来。
图1 设计结构框图
图2 硬件设计原理图
心率计的总体设计电路框图如图2所示,主要包括信号采集电路、放大电路、比较电路、单片机处理电路和显示电路[3]。先用红外光电传感器采集与心跳同频率的信息,当人体组织半透明度的数值较大时,红外光电二极管Dl发射出的透过人体组织的光强度很弱,光敏三极管无法导通,所以输出端为高电平;当人体组织半透明度的数值较小时,红外光电二极管Dl发射出的透过人体组织的光强度较强,光敏三极管导通,输出端为低电平,这样就形成了频率与脉搏次数成正比的低频信号,它近似于正弦波形．脉搏为50次/分时,频率是0．83Hz,脉搏为199次/分时,频率是3．32Hz,从传感器过来的是低频信号[4]。
该低频信号经隔直流电容输送给放大器。放大器将信号放大100倍,通过两阶低通滤波器滤除残留的干扰。利用放大器的非线性应用,连成比较器,将输入的信号与基准电压比较后,输出标准的方波,做为单片机电路的输入信号[5]。该信号通过P1.3引脚送到单片机后,软件对信号进行处理,最后在数码管上显示数值。
3 系统软件设计与分析
心率计的软件设计主要由主程序和定时器0、 1中断子程序两部分组成。由于采用了汇编语言进行程序设计,能够更快更高效的精细计算数据采样的时间,提高测量人在一分钟的心跳数的精确度,从而进行准确的时间定时,保证测量心跳的准确性和可靠性。
图3 定时器T0中断子程序
定时器T0中断中断子程序主要用来动态显示缓冲区的内容,定时器定时4ms,每4ms进入中断一次;定时器T1中断子程序,用来完成定时1分钟功能,以便单片机在1分钟内完成对人体心率值的计数。定时器T0、T1的中断子程序其流程图如图3和图4所示。
图4 定时器T1中断子程序
4 几种干扰与处理
(1) 阳光的干扰。
因为本设计是通过红外光线照射到手指来采集到信号,进而对信号处理得到人体的心跳,光在本设计中很重要[6]。而且在各种不同的环境中,外界光照的强度不一样,这对实验的干扰很明显。但是外界光照对于人体是均衡的,即各处光照强度相同,对人体内变化的影响是相同的,即可以相互抵消。
图5 硬件设计原理图
(2) 测量过程中手指的抖动。
光电传感器TCRT5000检测到的人体信号很微弱,
手指的一点抖动都会引起测量心跳值的大幅变化。为了解决这个问题,在设计中,把TCRT5000两侧距离固定死,这样在测量的时候只要人尽量保持手指不动,就可以大大减小手指抖动对试验的影响。
(3) 呼吸的影响。
试验的原理主要是血液中的含氧量的变化进而导致人体组织变化而测量心跳的,这样均匀呼吸和急促呼吸就将使得人体内的含氧量大大不同。据试验所得,当人运动之后呼吸会比较剧烈,这时他的心跳值就会随之变大。正常情况下,心率指的是当人心平气和的时候的心跳值
5 结束语
本设计适用于9—12v直流电压,心率计通电后,将手指放在红外光电传感器上保持手平稳,即可检测到人体的信号,并在数码管中动态显示,到一分钟后数码管显示数保持不变等待记录心率值。同时随着生活节奏的加快,心脏病的发病几率较高,通过对心率的测量可以有效的防止疾病的发生。这种心率计的设计成本较低,适合大部分人群,其执行效率高,时间定时准确,能够保证测量心跳的精确性,具有广阔的市场前景。
参考文献:
[1] 张迎新等.单片机初级教程——单片机基础(第二版)[M].北京:北京航空航天大学出版社.2006.
[2] 余学飞主编. 医学电子仪器原理与设计[ M ] . 广州: 华南理工大学出版社, 2005.
[3] 沙占友,王彦明.单片机外围电路设计[M].北京:电子工业出版社.2003.
[4] 李鸿.单片机原理及应用[M].长沙:湖南大学出版社.2004.
[5] 张岩,胡秀芳.传感器应用技术[M].福州:福建科学技术出版社.2005.
[6] 陈永普.红外器件与典型应用[M].北京:北京电子工业出版社.2004.