一種便攜式單片機(jī)控制液晶顯示型心率計設(shè)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(shè)計時就充分考慮到了這一點(diǎn)。它采用紅外線來進(jìn)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(dāng)血液送到人體組織時，組織的半透明度減小;當(dāng)血液流回心臟，組織的半透明度增大。這種現(xiàn)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(chǎn)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(cè)或旁邊的紅外光電管來檢測機(jī)體組織的透明程度并把它轉(zhuǎn)換成電信號。由于此信號的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比，故只要把它轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測脈搏次數(shù)的目的。

　　硬件電路設(shè)計

　　筆者設(shè)計的這款便攜式單片機(jī)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(jī)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(shù)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(gòu)成了信號抗干擾電路組，它們分別承擔(dān)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(wù)。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(yīng)組織的半透明度，同時轉(zhuǎn)換為電信號。由于脈搏一般在50次/分~200次/分之間，對應(yīng)的頻率范圍在0.78Hz~3.33Hz之間，因此經(jīng)紅外檢測采集到并轉(zhuǎn)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(jié)果有誤，信號就必須先進(jìn)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(wù)。

　　然后，由于本心率計設(shè)計的適用場所為室外，因此它必然會遇到強(qiáng)光輻射的情況。為了避免在接收正常脈搏紅外線時受到強(qiáng)光的干擾，電路中設(shè)計使用C2、C3背靠背串聯(lián)組成的雙極性耦合電容構(gòu)成一個簡單的光電隔離電路，從而實(shí)現(xiàn)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(shè)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(jìn)一步濾除干擾，同時將前面的信號放大200倍左右。