智能人體心率檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

摘 要：介紹一種以AT89C2051為控制核心的智能人體心率檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方法。利用光電傳感器采集人體脈搏信號(hào)，經(jīng)過(guò)前置級(jí)放大、濾波、積分比較等信號(hào)處理電路，將其轉(zhuǎn)換成脈沖電壓信號(hào)，再利用單片機(jī)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算出心率并顯示。由于傳感器信號(hào)十分微弱，其幅度一般在微伏到毫伏的數(shù)量級(jí)范圍，且?jiàn)A雜著各種噪聲和干擾，因此要求前置級(jí)放大電路具有高增益、高共模抑制比等技術(shù)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)方案合理，實(shí)現(xiàn)了微小信號(hào)放大、顯示及報(bào)警功能。具有測(cè)量靈敏度高、實(shí)時(shí)性好、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：心率；光電轉(zhuǎn)換；前置級(jí)放大；噪聲分析

0 引 言
心率是人體中一個(gè)非常重要的生命信息，而傳統(tǒng)的脈診由于其定性化和主觀性影響了心率測(cè)試的精度，成為中醫(yī)脈診應(yīng)用、發(fā)展和交流中的制約因素。為了提高對(duì)此類(lèi)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的測(cè)試精度，必須結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。目前用于檢測(cè)心率的儀器很多，常見(jiàn)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(lèi)型的測(cè)試裝置，但是對(duì)脈搏測(cè)試部位的選擇沒(méi)有太大區(qū)別，對(duì)于能在指端進(jìn)行脈搏精確測(cè)量的儀器還是比較少。這里介紹的智能人體心率檢測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)人體指端的無(wú)創(chuàng)測(cè)量，測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，能精確測(cè)量出心跳次數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和上、下限報(bào)警功能。

1 裝置組成及工作原理
系統(tǒng)組成如圖1所示。此設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89C2051為核心，由光電傳感器采集脈搏信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(guān)的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)交由單片機(jī)進(jìn)行脈沖周期的計(jì)算。然后得出每分鐘的脈搏搏動(dòng)次數(shù)(即心率)，并在數(shù)碼管上顯示心率，同時(shí)利用軟件實(shí)現(xiàn)上下限報(bào)警功能，在測(cè)量數(shù)據(jù)超過(guò)正常范圍(如大于180次／min或小于45次／min)時(shí)進(jìn)行報(bào)警以提醒醫(yī)生注意。

2 裝置硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 傳感器及信號(hào)處理電路
由于在人體指尖組織中的動(dòng)脈成分含量高，而且指尖厚度相對(duì)其他人體組織而言比較薄，透過(guò)手指后檢測(cè)到．的光強(qiáng)相對(duì)較大，因此光電式脈搏傳感器的測(cè)量部位在人體指尖。將一對(duì)紅外發(fā)射與接收探頭置于手指兩側(cè)，當(dāng)動(dòng)脈血管隨心臟周期性的收縮和舒張，動(dòng)脈血管的血液容積隨之發(fā)生變化時(shí)，紅外接收探頭便接收到隨心臟周期性地收縮和舒張的動(dòng)脈搏動(dòng)光脈沖信號(hào)，從而采集到心臟搏動(dòng)信號(hào)。
檢測(cè)心率的傳感器采用紅外對(duì)管HRl068C一05Y2和PT331C。由于從人體手指采集到的生理信號(hào)十分微弱，其幅度一般在微伏到毫伏的數(shù)量級(jí)范圍，而且在測(cè)試過(guò)程中由于肢體動(dòng)作以及較強(qiáng)的工頻干擾而產(chǎn)生大量的噪聲。同時(shí)要將采集到的脈搏信號(hào)經(jīng)過(guò)前置級(jí)放大電路進(jìn)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(yùn)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(shù)要盡量精確。放大電路由電阻網(wǎng)絡(luò)和OP07組成，傳感器及前置放大電路如圖2所示。

由于內(nèi)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(hào)非常微弱，淹沒(méi)在于擾信號(hào)中，由于脈搏信號(hào)主峰頻率在1 Hz左右，能量較強(qiáng)的分量也在20 Hz以下，所以設(shè)計(jì)低通濾波器的上限截止頻率為40 Hz。對(duì)于工頻干擾，采用對(duì)稱(chēng)性雙T阻容有源陷波器對(duì)其專(zhuān)門(mén)濾除。再通過(guò)積分、比較電路整形之后便可以得到單片機(jī)所需要的標(biāo)準(zhǔn)的0～5 V脈沖信號(hào)。濾波、陷波電路及積分比較電路如圖3所示。