一種便攜式單片機控制液晶顯示型心率計設計

引言

過去人們測量脈搏時常用的方法是使用測量脈搏的聽診器，或者使用吸附在人體上的電極等老式測量方法，這些方法無疑都不便于室外場所使用。本心率計在設計時就充分考慮到了這一點。它采用紅外線來進行檢測采集人體的脈搏，檢測的部位為被檢測人的任意一個手指或者是耳垂。

檢測的基本原理是：隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變。當血液送到人體組織時，組織的半透明度減??；當血液流回心臟，組織的半透明度增大。這種現象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。因此，本心率計將紅外發(fā)光二極管產生的紅外線照射到人體的上述部位，并用裝在該部位另一側或旁邊的紅外光電管來檢測機體組織的透明程度并把它轉換成電信號。由于此信號的頻率與人體每分鐘的脈搏次數成正比，故只要把它轉換成脈沖并進行整形、計數和顯示，就能實現實時檢測脈搏次數的目的。

硬件電路設計

筆者設計的這款便攜式單片機控制液晶顯示型心率計，硬件整體電路如圖1所示。它可分為兩個大的電路組成部分，即心率采集處理電路和單片機控制顯示部分。

圖1

心率采集處理電路

心率采集處理電路如圖2所示。該部分電路主要由脈搏次數紅外檢測采集電路模塊、信號抗干擾電路模塊、信號整形電路模塊等三個主要的電路模塊組成。其中，紅外線發(fā)射管D1和紅外線接收管Q1組成了紅外檢測采集電路；R2與C1、C2與C3、R4與C4和IC1a共同構成了信號抗干擾電路組，它們分別承擔了對信號的低通濾波、干擾光線的光電隔離、殘余高頻干擾的濾除等任務。另外，IC1b、C5與R10、IC1c則共同組成了信號整形電路模塊。

圖2

心率采集處理電路工作的基本過程如下：

首先，紅外檢測采集電路中D1發(fā)射紅外線，而Q1則接收相應組織的半透明度，同時轉換為電信號。由于脈搏一般在50次/分~200次/分之間，對應的頻率范圍在0.78Hz~3.33Hz之間，因此經紅外檢測采集到并轉換得到的電信號頻率就非常低。為了防止信號因外界高頻信號干擾而使檢測結果有誤，信號就必須先進行低通濾波，以便濾出絕大部分的高頻干擾。電路中采用R2和C1來完成濾除高頻干擾的任務。

然后，由于本心率計設計的適用場所為室外，因此它必然會遇到強光輻射的情況。為了避免在接收正常脈搏紅外線時受到強光的干擾，電路中設計使用C2、C3背靠背串聯組成的雙極性耦合電容構成一個簡單的光電隔離電路，從而實現了對于干擾光線的隔離。此外，為了防止前面對于高頻干擾濾除的不夠徹底，電路中還設計連接了由IC1a、R4、C4組成的截止頻率為10Hz左右的低通濾波器電路，以便進一步濾除干擾，同時將前面的信號放大200倍左右。

經前面處理得到的信號為疊加有噪聲的脈沖正弦波，接下來必須對這個信號經過整形。先是通過比較器IC1b將正弦波轉換成方波。利用R8可以實現將比較器的閾值調定在正弦波的幅值范圍之內的目的。接下來，從IC1b的7引腳輸出的方波信號經C5、R10構成的微分電路，進行微分處理后將成為正負相間的尖脈沖。為了穩(wěn)定脈沖的輸出，電路設計時是將此脈沖輸入到單穩(wěn)多諧振蕩器IC1c的反相輸入端，并利用IC1c的輸出來作為后極工作的實際使用脈沖。

IC1c在工作時，凡有輸入信號時，它會在輸入信號后沿到來時輸出高電平，從而使C6通過R11充電。大約持續(xù)20ms之后，IC1c同相輸入端的電位會因C3充電電流減小而降低，當此電位低于反相輸入端的電位時(尖脈沖已過去很久)， IC1c就將改變狀態(tài)并再次輸出低電平。這20ms的脈沖時間是與脈搏同步的，這種脈沖在電路工作時是與紅色發(fā)光二極管D3的閃爍情況相對應的。

經過IC1c之后的脈沖就是后面單片機控制電路所需的實際脈沖，通過R12送到單片機P3.3引腳后，就可實現后面的計數和顯示了。

IC1a、IC1b、IC1c工作所需的4.5V電源電壓，在電路中是通過R14、R15對9V分壓并經IC1d緩沖而得到的。這樣的設置，就使得即使電池電壓降低到6V，本電路也能實現正常工作。

單片機控制電路

單片機控制電路如圖3所示。本部分電路主要由AT89C2051單片機、SMC1602A液晶顯示芯片、12MHz的晶振電路以及復位電路等幾個部分組成。電路主要完成對于前面采集處理得到的脈沖進行計數和顯示的任務。

圖3

經采集處理后得到的脈沖信號，通過P3.3引腳被輸入到單片機中。單片機被設為負跳變中斷觸發(fā)模式。因此，每次脈沖下降沿到達時，單片機就將被觸發(fā)并產生中斷進行計時；而當下一次脈沖的下降沿到達時，單片機就對兩次脈沖間的時間間隔進行運算，運算的結果就是心率。這個結果值，將通過P1口送至SMC1602A液晶顯示芯片的數據端口，從而被顯示出來。

在顯示心率值之后，單片機將對此心率值與80~120的人體正常脈搏范圍進行比較。若此值X為80≤X≤120，液晶顯示芯片中會顯示“Very Good！”，以表示被測者心率正常；若此值不在80~120范圍之內，即X＜80或者X＞120，那么，液晶顯示芯片中會顯示“A Little Bad！”，以便表示被測者心率出現不正常。

另外，為了提示用戶及時觀察心率值的顯示，電路中還設置了一個提示音的裝置。即每次脈沖到來時，單片機P3.7引腳所連接的蜂鳴器SP均會發(fā)出提示音，這樣，當用戶第二次聽到這個提示音時，就表明1分鐘的脈搏計數顯示已經完成。如此一來，結合前面心率采集處理電路中對于每次脈搏給予的點亮閃爍裝置，本心率計在使用時就可以通過聲光相結合的形式形象地把脈搏的快慢顯示出來。

此外，本心率計設計的有效測量顯示范圍為50次/分~199次/分。為避免可能出現的干擾的影響，單片機對兩個脈沖之間的時間間距進行檢測，若發(fā)現有干擾，即次數值不在設置的有效測量顯示范圍之內時，則忽略該干擾而不顯示。這樣就更加降低了心率計在實際使用時出現誤差的可能性。

元器件選取

電路中單片機選用AT89C2051單片機。液晶顯示器芯片則選用SMC1602A，電路中用到的運算放大器IC1為常用的四運放LM324，它的四路分別分配給了IC1a、IC1b、IC1c和IC1d。本心率計的電源為7~9V直流電源，可以通過電池供電，也可通過交直流轉換后來獲取，正常工作時的工作電流為100mA。設計中使用的提示音裝置為普通蜂鳴器，也可用8Ω微型喇叭來代替。另外，單片機采用的是12MHz的晶振，若用其它頻率晶振，在軟件設計中就需進行相應修改。

在使用前的安裝時，可以將紅外線發(fā)射管D1和紅外線接收管Q1分別連接到一個夾子的兩端。將剩余的電路板等部件安裝于一個小盒中，為便于攜帶，小盒外部在電路安裝完畢后應粘接一個可連接皮帶的裝置。為了方便使用時進行按鍵和觀察，復位鍵K1、紅色發(fā)光二極管D3、蜂鳴器SP以及液晶顯示器芯片的顯示窗口均要在盒子上留出相應放置的位置。同時液晶顯示的窗口還應外加一個保護硬模，以免室外測量時的損壞。

在實際使用時，先將由圖1中紅外線發(fā)射管D1和紅外線接收管Q1構成的檢測夾子裝置夾在被測者的任意一個檢測手指上，然后連通電源。若觀察到紅色發(fā)光二極管在閃爍，那就表明心率計能夠正常工作。此時，為保證觀察的準確性，可以按下復位鍵K1使系統(tǒng)復位之后再重新開始測量并計數顯示。

注意在兩次聽到蜂鳴器的提示音之后，首先觀察到的結果是被檢測者的心率，然后就是這個心率是否正常的英文提示語。若顯示為“Very Good！”，則表示被檢測者心率正常；若顯示“A Little Bad！”，那么就表明被檢測者的心率不太正常了。

軟件設計

本心率計的軟件設計采用的語言為匯編語言，主要的程序流程圖如圖4~圖7所示。其中，圖4為主程序流程圖，圖5為定時器中斷子程序流程圖，圖6為INT1外中斷子程序流程圖，圖7為顯示部分的子程序流程圖。

圖5

結語

本文所設計的新型便攜式心率計，設計方法比較簡單易行，使用的元件也比較普遍。從總體來看，它具有體積小、抗干擾能力強、使用方便、易于觀察、易于攜帶等多種優(yōu)點。因此，該心率計將非常適合于體育訓練和室外作業(yè)等場合的使用。