不复存在-2012四级真题
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一0
5Y2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~
p>
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89C205
1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。
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