浅析便于室外使用的液晶显示型心率计

引言

过去人们测量脉搏时常用的方法是使用测量脉搏的听诊器，或者使用吸附在人体上的电极等老式测量方法，这些方法无疑都不便于室外场所使用。

本心率计在设计时就充分考虑到了这一点。它采用红外线来进行检测采集人体的脉搏，检测的部位为被检测人的任意一个手指或者是耳垂。检测的基本原理是：随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变。当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小;当血液流回心脏，组织的半透明度增大。这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。

因此，本心率计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的上述部位，并用装在该部位另一侧或旁边的红外光电管来检测机体组织的透明程度并把它转换成电信号。由于此信号的频率与人体每分钟的脉搏次数成正比，故只要把它转换成脉冲并进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目的。

硬件电路设计

笔者设计的这款便携式单片机控制液晶显示型心率计，硬件整体电路如图1所示。它可分为两个大的电路组成部分，即心率采集处理电路和单片机控制显示部分。　

 图1 心率采集处理电路

心率采集处理电路如图2所示。该部分电路主要由脉搏次数红外检测采集电路模块、信号抗干扰电路模块、信号整形电路模块等三个主要的电路模块组成。　

图2 心率采集处理电路

其中，红外线发射管D1和红外线接收管Q1组成了红外检测采集电路;R2与C1、C2与C3、R4与C4和IC1a共同构成了信号抗干扰电路组，它们分别承担了对信号的低通滤波、干扰光线的光电隔离、残余高频干扰的滤除等任务。另外，IC1b、C5与R10、IC1c则共同组成了信号整形电路模块。

心率采集处理电路工作的基本过程如下：

首先，红外检测采集电路中D1发射红外线，而Q1则接收相应组织的半透明度，同时转换为电信号。由于脉搏一般在50次/分~200次/分之间，对应的频率范围在0.78Hz~3.33Hz之间，因此经红外检测采集到并转换得到的电信号频率就非常低。为了防止信号因外界高频信号干扰而使检测结果有误，信号就必须先进行低通滤波，以便滤出绝大部分的高频干扰。电路中采用R2和C1来完成滤除高频干扰的任务。

然后，由于本心率计设计的适用场所为室外，因此它必然会遇到强光辐射的情况。为了避免在接收正常脉搏红外线时受到强光的干扰，电路中设计使用C2、C3背靠背串联组成的双极性耦合电容构成一个简单的光电隔离电路，从而实现了对于干扰光线的隔离。此外，为了防止前面对于高频干扰滤除的不够彻底，电路中还设计连接了由IC1a、R4、C4组成的截止频率为10Hz左右的低通滤波器电路，以便进一步滤除干扰，同时将前面的信号放大200倍左右。

经前面处理得到的信号为叠加有噪声的脉冲正弦波，接下来必须对这个信号经过整形。先是通过比较器IC1b将正弦波转换成方波。利用R8可以实现将比较器的阈值调定在正弦波的幅值范围之内的目的。接下来，从IC1b的7引脚输出的方波信号经C5、R10构成的微分电路，进行微分处理后将成为正负相间的尖脉冲。

为了稳定脉冲的输出，电路设计时是将此脉冲输入到单稳多谐振荡器IC1c的反相输入端，并利用IC1c的输出来作为后极工作的实际使用脉冲。IC1c在工作时，凡有输入信号时，它会在输入信号后沿到来时输出高电平，从而使C6通过R11充电。大约持续20ms之后，IC1c同相输入端的电位会因C3充电电流减小而降低，当此电位低于反相输入端的电位时(尖脉冲已过去很久)， IC1c就将改变状态并再次输出低电平。这20ms的脉冲时间是与脉搏同步的，这种脉冲在电路工作时是与红色发光二极管D3的闪烁情况相对应的。

经过IC1c之后的脉冲就是后面单片机控制电路所需的实际脉冲，通过R12送到单片机P3.3引脚后，就可实现后面的计数和显示了。IC1a、IC1b、IC1c工作所需的4.5V电源电压，在电路中是通过R14、R15对9V分压并经IC1d缓冲而得到的。这样的设置，就使得即使电池电压降低到6V，本电路也能实现正常工作。

单片机控制电路

单片机控制电路如图3所示。本部分电路主要由AT89C2051单片机、SMC1602A液晶显示芯片、12MHz的晶振电路以及复位电路等几个部分组成。　

图3 单片机控制电路

电路主要完成对于前面采集处理得到的脉冲进行计数和显示的任务。经采集处理后得到的脉冲信号，通过P3.3引脚被输入到单片机中。单片机被设为负跳变中断触发模式。因此，每次脉冲下降沿到达时，单片机就将被触发并产生中断进行计时;而当下一次脉冲的下降沿到达时，单片机就对两次脉冲间的时间间隔进行运算，运算的结果就是心率。这个结果值，将通过P1口送至SMC1602A液晶显示芯片的数据端口，从而被显示出来。