一种便携式心率检测仪的设计_石肖伊.pdf
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1、年月机电工程技术第卷第期 收 稿 日 期:石 肖 伊,王 先 全,赵 雨 倩一 种 便 携 式 心 率 检 测 仪 的 设 计 机 电 工 程 技 术,():一种便携式心率检测仪的设计石 肖 伊,王 先 全,赵 雨 倩(重 庆 理 工 大 学,重 庆)摘 要:心 率 异 常 是 病 人 心 血 管 系 统 出 现 问 题 的 主 要 指 标。目 前 大 部 分 的 健 康 监 测 设 备 体 积 大 且 检 测 准 确 度 不 高。因 此,设 计 一 种 高精 度、小 体 积、便 携 的 心 率 检 测 仪 已 刻 不 容 缓。设 计 了 一 款 基 于 手 指 心 率 的 测 量 仪。该 测
2、 量 仪 由 硬 件 电 路 模 块 和 软 件 设 计 模 块 两 部分 组 成。由 采 集 电 路、滤 波 电 路、放 大 电 路、整 形 电 路、单 片 机 系 统、键 盘 电 路 和 显 示 电 路 共 同 组 成 系 统 的 硬 件 电 路。系 统 软 件 包括 心 率 信 号 处 理、设 置 心 率 上 下 限 和 显 示 心 率 值,由 主 程 序、显 示 子 程 序 和 定 时 器 子 程 序 共 同 作 用 实 现。手 指 放 在 传 感 器 上 感 应 心率 信 号,通 过 硬 件 电 路 处 理 输 入 到 单 片 机 内,单 片 机 则 实 现 对 心 率 信 号 的
3、分 析、处 理,间 接 测 量 心 率 值,如 果 超 过 设 定 范 围,系 统将 驱 动 蜂 鸣 器 报 警。在 系 统 运 行 期 间,可 以 观 察 到闪 烁。如 果 闪 烁 均 匀,则 测 量 值 准 确。实 验 结 果 表 明,该 系 统 能 够 实 时、精 确 地 显 示 心 率 值,可 靠 性 高 并 具 有 较 强 的 实 用 性。关 键 词:心 率 检 测;光 电 传 感 器;显 示;指 尖 心 率中 图 分 类 号:文 献 标 志 码:文 章 编 号:(),(,):,:;引 言心 率 是 体 现 血 液 循 环 机 能 的 重 要 生 理 指 标,准 确、及 时 记 录
4、心 率 等 数 据,能 够 有 效 预 防 心 脑 血 管 疾 病,帮助 问 诊。基 于 科 技 的 不 断 发 展,越 来 越 先 进 的 检 测 技术 不 断 产 生。国 内 外 设 计 各 种 各 样 的 心 率 检 测 系 统,研究 心 率 传 感 器 是 设 计 心 率 检 测 系 统 的 根 本。姚 鸣 放 等采 用 由 发 射 角 宽 的 红 外 线 发 光 二 极 管 和光 电 三 极 管 组 成 的 心 脏 搏 动 信 号 换 能 器。其 中 光 电 三 极管红 外 光 匹 配 性 能 强、透 镜 敏 感 度 高、集 电 极 电 流 范围 大。由 于 血 液 中 的 血 红
5、蛋 白 具 有 吸 收 近 红 外 线 的 生 物效 应,因 此 换 能 器 具 有 高 灵 敏 度 和 稳 定 的 输 出 信 号。但是 该 传 感 器 测 得 的 心 率 值 误 差 较 大、心 率 数 值 不 稳 定 且受 外 界 干 扰 影 响 较 大。吕 峻 达 等选 用 了 型 号 为的 红 外 光 电 传 感 器。手 指 腹 部 置 于 发 射 端 和 接 收 端 之 间,光 电 二 极 管 根 据 心 率 的 不 断 变 化 采 集 信 号。该 传 感 器 占用 的 体 积 较 小,重 量 较 轻,可 以 进 行 高 灵 敏 度 进 行 识 别。卢 超选 用 了脉 搏 传 感
6、器,脉 搏传 感 器 采 用 高 度 集 成 化 工 艺 将 力 敏 元 件(压 电膜)、灵 敏 度 温 度 补 偿 元 件、感 温 元 件、信 号 调 理 电 路集 成 在 传 感 器 内。该 传 感 器具 有 灵 敏 度 高、抗 干 扰 能力 强、过 载 能 力 大、一 致 性 好、性 能 稳 定、使 用 寿 命 长等 特 点。但 是 采 用 脉 搏 传 感 器 的 压 电 陶 瓷 片 只 能 适 用 于手 腕 和 颈 部,会 存 在 无 法 避 免 的 误 差,有 时 是 和 信 号 相似 的 低 频 率 波 形,即 使 通 过 了 滤 波 电 路 仍 不 可 完 全 消 除,且 人 体
7、 手 腕 或 颈 部 的 运 动,会 对 信 号 采 集 存 在 一 定 的 影响。综 上 所 述,从 传 感 器 的 制 作 工 艺、材 料 的 选 取、受外 界 的 干 扰 信 号 的 干 扰 程 度 和 制 作 过 程 中 前 级 电 路 的 处理 难 易 程 度 上 考 虑,利 用 光 电 式 传 感 器 原 理 简 单 易 懂,操 作 简 单、佩 戴 方 便、可 靠 性 高。本 设 计 的 中 心 控 制 单 元 选 择,选 用 光 电传 感 器 接 收 不 同 信 号,间 接 测 量 人 体 心 率。单 片 机 与连 接 以 显 示 心 率 数 据。本 设 计 的 心 率 检 测
8、仪 功 耗 低、稳 定 性 好,方 便 日 常 生 活 检 测。心 率 检 测 原 理心 脏 器 官 跳 动,人 体 组 织 半 透 明 度 则 会 产 生 较 为 显著 的 变 化。当 血 液 传 送 回 心 脏 部 位 时,组 织 的 半 透 明度 会 增 大;但 是 血 液 输 送 人 体 各 部 位 时,则 会 减 小。这种 现 象 常 见 于 指 尖 等 部 位。红 外 光 电 二 极 管 发 射 红 外 光,血 液 反 射 红 外光,高 灵 敏 度 光 电 晶 体 管 吸 收 反 射 红 外 光。不 同的 血 液 量 反 射 的 红 外 线 量 不 同,这 种 不 同 经 过 滤
9、波、放 大 和 整 形 后 得 到 高 低 电 平,采 集、计 算 后 可 得 到 心率。如 图所 示。图手 指 光 吸 收 量 变 化 示 意 图本 设 计 采 用红 外 光 电 传 感 器 采 集 指尖 心 率 信 号,经 过 传感 器 获 得 的 心 率 信 号 约略 为 正 弦 波,然 后 经 过滤 波、放 大 和 整 形 电 路的 处 理 变 为 方 波。将 方波 输 入 到 单 片 机 内 部 进行 程 序 处 理 得 到 心 率 数值,通 过 单 片 机 电 路 与 液 晶 显 示 电 路 的 相 互 转 换,把 获取 到 的 心 率 数 值 最 终 显 示 在 液 晶 屏 上。
10、由 此,可 以 精 确、方 便 地 读 取 测 量 者 的 心 率 值。本 课 题 设 置 了 心 率 报 警 电路。当 读 取 的 心 率 数 值 低 于 或 者 高 于 设 定 阈 值 时,单 片机 驱 动 蜂 鸣 器 实 现 报 警 功 能。心 率 检 测 系 统 框 架 如 图所 示。图心 率 检 测 原 理方 案 设 计 硬 件 电 路 信 号 采 集 与 处 理 模 块图所 示 为 手 指 心 率 信 号 的 采 集 电 路,是 红 外 发射 和 接 收 装 置。将 手 指 指 腹 放 置 于传 感 器 的 上 方,该 传 感 器 会 精 确 识 别 心 率 信 号 并 采 集 转
11、 换 为 电 信 号。该传 感 器 体 积 小、性 价 比 与 精 确 度 都 高。图所 示 为 信 号 采 集 电 路由 红 外 光 电 二 极 管和 高 敏 度 光 电 晶 体 管 组 成光 电 式 传 感 器,采 用 反射 式 非 接 触 检 测。二 极 管 电 路 中 的 电 流 越 大,二 极 管 产生 的 发 射 强 度 越 大。传 感 器 电 路 检 测 接 收 管 的 信 号,通过 示 波 器 观 察 接 收 管 是 否 接 收 到 反 射 的 红 外 线。图反 射 式 光 电 传 感 器 图信 号 采 集 电 路 滤 波 电 路光 电 传 感 器 将 采 集 到 的 心 率
12、信 号 转 换 成 电 信 号,发送 给 滤 波 电 路以 便 于 实 现 对 采 集 信 号 的 滤 波。之 所 以选 择 设 置 频 率 内 的 心 率 信 号 是 因 为 人 体 的 心 率 信 号 比 较微 弱。选 择个 电 阻 和个 电 容,将 高 通 与 低 通 滤 波 电路 串 联 为 带 通 滤 波 电 路,使 测 量 所 需 的 该 频 带 内 的 信 号可 以 通 过,提 高 电 路 的 干 扰 能 力。根 据 带 通 滤 波 电 路 可 知:()()所 以 该 滤 波 电 路 滤 除 了 大 于 和 小 于 的 干 扰。按 照 正 常 人 心 率 为次 考 虑,该滤 波
13、电 路 满 足 要 求。如 图所 示。图滤 波 电 路 信 号 处 理 模 块选 择芯 片 来 设 置 信 号 放 大 电 路 和 整 形 电 路,该 芯 片 有 两 个 独 立 的 运 算 放 大 器,具 有 高 增 益 和 内 部 频年月 机 电 工 程 技 术 第卷第期率 补 偿 的 特 点,能 够 满 足 设 计 要 求。本 设 计 选 用 了 同 相放 大 电 路。放 大 倍 数 为:()虽 然 通 过 滤 波、放 大 后 的 信 号 容 易 测 量,但 无 法 避免 一 些 低 频 和 不 规 则 脉 冲 信 号 的 干 扰。因 此 在 放 大 电 路之 后 设 计 了 电 压 比
14、 较 器 对 心 率 信 号 处 理。当 电 压 比 较 器接 收 到 心 率 信 号 时,心 率 信 号 将 会 与 参 考 电 压 相 比。如果 参 考 电 压 小 于 心 率 信 号,将 输 出 高 电 平,否 则 是 低 电平。在 信 号 输 出 端 接 了 一 个灯 用 作 指 示 心 率 信 号 的跳 动 状 态。如 果 传 感 器 检 测 到 了 心 率 信 号,则灯 会有 规 律 地 闪 烁。如 图所 示。图信 号 处 理 电 路 单 片 机 电 路本 设 计 采 用 的 是单 片 机 作 为 控 制 芯 片,它 是 由公 司 生 产 的 一 种 低 功 耗、高 性 能位 微控
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- 一种 便携式 心率 检测 设计 石肖伊
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