智能人体心率检测装置的设计

摘 要：介绍一种以AT89C2051为控制核心的智能人体心率检测装置的设计方法。利用光电传感器采集人体脉搏信号，经过前置级放大、滤波、积分比较等信号处理电路，将其转换成脉冲电压信号，再利用单片机对脉冲信号进行处理计算出心率并显示。由于传感器信号十分微弱，其幅度一般在微伏到毫伏的数量级范围，且夹杂着各种噪声和干扰，因此要求前置级放大电路具有高增益、高共模抑制比等技术指标。实验结果表明，系统硬件、软件设计方案合理，实现了微小信号放大、显示及报警功能。具有测量灵敏度高、实时性好、性价比高等优点。
关键词：心率；光电转换；前置级放大；噪声分析

0 引 言
    心率是人体中一个非常重要的生命信息，而传统的脉诊由于其定性化和主观性影响了心率测试的精度，成为中医脉诊应用、发展和交流中的制约因素。为了提高对此类生物医学信号的测试精度，必须结合现代科学技术。目前用于检测心率的仪器很多，常见的有基于压力传感器、光电传感器、电容传感器和电声传感器等类型的测试装置，但是对脉搏测试部位的选择没有太大区别，对于能在指端进行脉搏精确测量的仪器还是比较少。这里介绍的智能人体心率检测装置可以实现人体指端的无创测量，测试过程简单，能精确测量出心跳次数，实现数据显示和上、下限报警功能。

1 装置组成及工作原理
    系统组成如图1所示。此设计以单片机AT89C2051为核心，由光电传感器采集脉搏信号，经过前置放大电路、滤波电路、积分和比较电路后得到与脉搏相关的脉冲信号，该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行脉冲周期的计算。然后得出每分钟的脉搏搏动次数(即心率)，并在数码管上显示心率，同时利用软件实现上下限报警功能，在测量数据超过正常范围(如大于180次／min或小于45次／min)时进行报警以提醒医生注意。

2 装置硬件电路设计
2．1 传感器及信号处理电路
    由于在人体指尖组织中的动脉成分含量高，而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄，透过手指后检测到．的光强相对较大，因此光电式脉搏传感器的测量部位在人体指尖。将一对红外发射与接收探头置于手指两侧，当动脉血管随心脏周期性的收缩和舒张，动脉血管的血液容积随之发生变化时，红外接收探头便接收到随心脏周期性地收缩和舒张的动脉搏动光脉冲信号，从而采集到心脏搏动信号。
    检测心率的传感器采用红外对管HRl068C一05Y2和PT331C。由于从人体手指采集到的生理信号十分微弱，其幅度一般在微伏到毫伏的数量级范围，而且在测试过程中由于肢体动作以及较强的工频干扰而产生大量的噪声。同时要将采集到的脉搏信号经过前置级放大电路进行高倍放大，这就要求电路具有高增益和高共模抑制比，至少在80 dB以上，即集成运放要有很高的共模抑制比和极低的零漂等，所选的电阻参数要尽量精确。放大电路由电阻网络和OP07组成，传感器及前置放大电路如图2所示。

    由于内外噪声及50 Hz工频干扰等因素，即使电路具有很高的共模抑制比，但是脉搏信号非常微弱，淹没在于扰信号中，由于脉搏信号主峰频率在1 Hz左右，能量较强的分量也在20 Hz以下，所以设计低通滤波器的上限截止频率为40 Hz。对于工频干扰，采用对称性双T阻容有源陷波器对其专门滤除。再通过积分、比较电路整形之后便可以得到单片机所需要的标准的0～5 V脉冲信号。滤波、陷波电路及积分比较电路如图3所示。

2．2 单片机控制及显示电路
    单片机控制及显示电路如图4所示。采用动态显示方式，利用单片机的P1口的P1.0～P1.6作为数码管七段码的输入。利用P3.0,P3.1,P3.2,P3.3作为4只数码管的选中信号(见图4)。从光电传感器输出的心率脉冲作为中断信号直接接到单片机89C2051的9脚(即T1端)。由T0定时，T1计数。P1.7输出心率的上、下限报警信号，经二极管驱动报警器报警。当心率低于下限45次／min时报警发出长音报警。当心率高于上限180次／min时报警器发出短音报警。

3 软件设计
    系统软件流程图如图5所示。将要显示心率数千位、百位、十位、个位数分别存放在89C2051单片机内部的41H，42H，43H，44H单元内。采用动态扫描，每隔5 ms分别轮流显示千位、百位、十位、个位。当单片机的第9脚有一上升沿时，T1脚计数1次，T0定时50 ms，循环定时1 200次，T1计数即为心率次数。然后返回主程序继续执行显示程序。

4 电路调试及噪声分析
    电路调试主要是对输入的脉搏信号进行滤波和放大，调试的效果直接关系到数据采集的精确度。通过测试可以得知，脉搏信号中存在严重的噪声干扰，前置级放大电路的设计至关重要。使用宁波中策电子有限公司的DFl405数字合成信号发生器来模拟脉搏信号，信号频率较高，信号处理电路对于高频信号(106 Hz左右)有很好的衰减作用，当信号频率适中的时候，信号可以按照设计的需要进行放大。50 Hz陷波器对工频干扰起到了很好的抑制作用。通过积分、比较电路对脉搏信号整形可以得到单片机需要的脉冲信号。通过整机调试，系统达到了预期的设计要求。
    在测量过程中，传感器采集到的脉搏信号十分微弱，容易受到外界环境干扰，因此需要对脉搏传感器的干扰噪声进行分析。光电式脉搏传感器的主要有测量环境光干扰、电磁干扰、测量过程运动噪声干扰。为了减少环境光对脉搏信号测量的影响，同时考虑到传感器使用的方便性，采用密封的指套式的包装方式，整个外壳采用不透光的介质和颜色，尽量减小外界环境光的影响。通过光电转换得到的包含脉搏信息的电信号一般比较微弱，容易受到外界电磁信号的干扰，因此对硬件电路进行适当的屏蔽处理。脉搏信号变化缓慢，特别容易受到工频信号的干扰，利用陷波器有效地解决了这一问题。在测量过程当中，让指套和手指更紧的接触减少了他们之间的相对运动，降低了运动噪声。

5 结 语
    心率检测中的关键技术在于传感器的制作和微弱脉搏信号的放大问题。通过实际的设计制作，结果证实了该设计的合理性和可行性，说明用科学设计的透射式传感器可实现手指脉搏的无损检测。但是在小信号放大技术方面有待于进一步研究。同其他心率检测仪相比较，该装置的体积小，重量轻，成本低，使用方便，测量准确等，具有很好的应用前景。