智能人體心率檢測裝置的設計方案

0 引 言

　　心率是人體中一個非常重要的生命信息，而傳統的脈診由于其定性化和主觀性影響了心率測試的精度，成為中醫脈診應用、發展和交流中的制約因素。為了提高對此類生物醫學信號的測試精度，必須結合現代科學技術。目前用于檢測心率的儀器很多，常見的有基于壓力傳感器、光電傳感器、電容傳感器和電聲傳感器等類型的測試裝置，但是對脈搏測試部位的選擇沒有太大區別，對于能在指端進行脈搏精確測量的儀器還是比較少。這里介紹的智能人體心率檢測裝置可以實現人體指端的無創測量，測試過程簡單，能精確測量出心跳次數，實現數據顯示和上、下限報警功能。

1 裝置組成及工作原理

　　系統組成如圖1所示。此設計以單片機AT89C2051為核心，由光電傳感器采集脈搏信號，經過前置放大電路、濾波電路、積分和比較電路后得到與脈搏相關的脈沖信號，該脈沖信號作為中斷信號交由單片機進行脈沖周期的計算。然后得出每分鐘的脈搏搏動次數(即心率)，并在數碼管上顯示心率，同時利用軟件實現上下限報警功能，在測量數據超過正常范圍(如大于180次／min或小于45次／min)時進行報警以提醒醫生注意。

2 裝置硬件電路設計

　　2．1 傳感器及信號處理電路

　　由于在人體指尖組織中的動脈成分含量高，而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測到．的光強相對較大，因此光電式脈搏傳感器的測量部位在人體指尖。將一對紅外發射與接收探頭置于手指兩側，當動脈血管隨心臟周期性的收縮和舒張，動脈血管的血液容積隨之發生變化時，紅外接收探頭便接收到隨心臟周期性地收縮和舒張的動脈搏動光脈沖信號，從而采集到心臟搏動信號。

　　檢測心率的傳感器采用紅外對管HRl068C一05Y2和PT331C。由于從人體手指采集到的生理信號十分微弱，其幅度一般在微伏到毫伏的數量級范圍，而且在測試過程中由于肢體動作以及較強的工頻干擾而產生大量的噪聲。同時要將采集到的脈搏信號經過前置級放大電路進行高倍放大，這就要求電路具有高增益和高共模抑制比，至少在80 dB以上，即集成運放要有很高的共模抑制比和極低的零漂等，所選的電阻參數要盡量精確。放大電路由電阻網絡和OP07組成，傳感器及前置放大電路如圖2所示。

??? 由于內外噪聲及50 Hz工頻干擾等因素，即使電路具有很高的共模抑制比，但是脈搏信號非常微弱，淹沒在于擾信號中，由于脈搏信號主峰頻率在1 Hz左右，能量較強的分量也在20 Hz以下，所以設計低通濾波器的上限截止頻率為40 Hz。對于工頻干擾，采用對稱性雙T阻容有源陷波器對其專門濾除。再通過積分、比較電路整形之后便可以得到單片機所需要的標準的0～5 V脈沖信號。濾波、陷波電路及積分比較電路如圖3所示。

??? 2．2 單片機控制及顯示電路

　　單片機控制及顯示電路如圖4所示。采用動態顯示方式，利用單片機的P1口的P1.0～P1.6作為數碼管七段碼的輸入。利用P3.0,P3.1,P3.2,P3.3作為4只數碼管的選中信號(見圖4)。從光電傳感器輸出的心率脈沖作為中斷信號直接接到單片機89C2051的9腳(即T1端)。由T0定時，T1計數。P1.7輸出心率的上、下限報警信號，經二極管驅動報警器報警。當心率低于下限45次／min時報警發出長音報警。當心率高于上限180次／min時報警器發出短音報警。

3 軟件設計

　　系統軟件流程圖如圖5所示。將要顯示心率數千位、百位、十位、個位數分別存放在89C2051單片機內部的41H，42H，43H，44H單元內。采用動態掃描，每隔5 ms分別輪流顯示千位、百位、十位、個位。當單片機的第9腳有一上升沿時，T1腳計數1次，T0定時50 ms，循環定時1 200次，T1計數即為心率次數。然后返回主程序繼續執行顯示程序。

4 電路調試及噪聲分析

　　電路調試主要是對輸入的脈搏信號進行濾波和放大，調試的效果直接關系到數據采集的精確度。通過測試可以得知，脈搏信號中存在嚴重的噪聲干擾，前置級放大電路的設計至關重要。使用寧波中策電子有限公司的DFl405數字合成信號發生器來模擬脈搏信號，信號頻率較高，信號處理電路對于高頻信號(106 Hz左右)有很好的衰減作用，當信號頻率適中的時候，信號可以按照設計的需要進行放大。50 Hz陷波器對工頻干擾起到了很好的抑制作用。通過積分、比較電路對脈搏信號整形可以得到單片機需要的脈沖信號。通過整機調試，系統達到了預期的設計要求。

　　在測量過程中，傳感器采集到的脈搏信號十分微弱，容易受到外界環境干擾，因此需要對脈搏傳感器的干擾噪聲進行分析。光電式脈搏傳感器的主要有測量環境光干擾、電磁干擾、測量過程運動噪聲干擾。為了減少環境光對脈搏信號測量的影響，同時考慮到傳感器使用的方便性，采用密封的指套式的包裝方式，整個外殼采用不透光的介質和顏色，盡量減小外界環境光的影響。通過光電轉換得到的包含脈搏信息的電信號一般比較微弱，容易受到外界電磁信號的干擾，因此對硬件電路進行適當的屏蔽處理。脈搏信號變化緩慢，特別容易受到工頻信號的干擾，利用陷波器有效地解決了這一問題。在測量過程當中，讓指套和手指更緊的接觸減少了他們之間的相對運動，降低了運動噪聲。

5 結 語

　　心率檢測中的關鍵技術在于傳感器的制作和微弱脈搏信號的放大問題。通過實際的設計制作，結果證實了該設計的合理性和可行性，說明用科學設計的透射式傳感器可實現手指脈搏的無損檢測。但是在小信號放大技術方面有待于進一步研究。同其他心率檢測儀相比較，該裝置的體積小，重量輕，成本低，使用方便，測量準確等，具有很好的應用前景。