基于单片机的便携式心率测试仪设计

五邑大学 张 桀 孙建军

1.引言

心率测试仪在医学方面具有重要作用，也是身体状况的一个重要指标，把心率仪小型化，操作简易，给使用者带来更多便利，就给设计提出了更高的要求。

2.心率测试仪基本原理

心率测试仪主要由三大模块组成：传感器模块、信号处理模块、单片机控制模块。传感器模块主要实现物理量到电量的转换，信号处理模块主要对传感器的信号进行处理，最后得到周期性的矩形波，单片机模块主要读取矩形波信号，然后控制显示器显示相关信息。系统的原路框 图如图1所示。

图1 系统原理框架图

3.心率测试仪系统模块设计

3.1 传感器的设计

传感器模块采用的是红外光电对管，在没有红外光照时，红外接受管的电阻很大，当接受管接收到红外光时，它的电阻会变小，而且变化比较明显。随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变。基于上述特性，将红外对光放在手指两侧，可以在接受管得到变化的信号，经过调试发现，红外对管采集到的信号比较稳定。传感器电路图如图2所示，它的参数为直径：3mm，波长：940nm，工作电压：1.2v，工作电流：20mA，测量距离：＜20cm。波段为红外光，受可见光干扰小。其中R2、R3是限流电阻。当手指放到两管中间时，P1的1号脚就 会输出有规律性的波形。

图2 红外对管电路

3.2 信号处理模块设计

信号处理模块包括电压跟随器、前级放大电路、滤波电路、后级放大电路、整形电路等电路设计[1-3]。由于红外对管输出的信号比较弱，带负载能力比较差，所以要使用电压跟随器提高带负载的能力。经过电压跟随器出来的波形还是比较微弱，所以还需要前级放大电路。由于输出的信号里面混杂有高频信号和超低频信号，所以需要采用带通滤波器，为了滤波的效果更好，采用低、高通滤波器串接的方式构成带通滤波器。信号经过带通滤波器后，得到的波形幅值还是比较小，因此，要对波形进一步放大。为了使单片机定时/计数器更精确的计数，要对放大后的信号进行整形，整形电路采用双限比较器，最后输出波形为周期性矩形波。信号处理模块电路如图3所示。

图3 信号处理模块电路

在传感器出来的幅值大约为70mV，前级放大电路的放大倍数Au=-R7/R4=-4.7。心跳的测量范围为30-220次/每分钟，低通滤波电路采用二阶有源滤波器，它的截至频率为3.35Hz左右，高通滤波电路采用二阶有源滤波器，它的频率截至频率为0.5Hz左右，后级放大电路放大倍数Au=-R18/R15=-10。

3.3 单片机控制模块设计

单片机采用的型号是STC89C52，单片机的定时/计数器可以接受电平信号，先将传感器采集到的心率信号转换成波形信号，然后通过信号处理电路处理输出矩形波，单片机的定时/计数器读取矩形波信号，最后控制显示模块显示心率次数。单片机控制模块如图4所示。

图4 单片机控制模块

4.仿真结果

实验参数输入一个幅值为毫伏级的低频正弦波，通过在proteus软件进行仿真，结果表明，单片机驱动LCD显示能够正确显示每分钟通过的周期数。

5.结束

本文从小型化，操作简易化出发，设计一款便携式心率测试仪，实现心率测试仪大众化。使得在家的使用者也能随时了解自己的心率变化。

[1]廖惜春,项华珍,徐秀平等.模拟电子技术基础[M].武汉:华中科技大学出版社,2008.

[2]徐秀平.数字电路与逻辑设计[M].北京:电子工业出版社社,2010.

[3]何桥,段清明,邱春玲.单片机原理及应用[M].北京:中国铁道出版社,2008.