引言

　　過(guò)去人們測(cè)量脈搏時(shí)常用的方法是使用測(cè)量脈搏的聽(tīng)診器，或者使用吸附在人體上的電極等老式測(cè)量方法，這些方法無(wú)疑都不便于室外場(chǎng)所使用。本心率計(jì)在設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮到了這一點(diǎn)。它采用紅外線來(lái)進(jìn)行檢測(cè)采集人體的脈搏，檢測(cè)的部位為被檢測(cè)人的任意一個(gè)手指或者是耳垂。

　　檢測(cè)的基本原理是：隨著心臟的搏動(dòng)，人體組織半透明度隨之改變。當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，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(jì)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(lái)檢測(cè)機(jī)體組織的透明程度并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于此信號(hào)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(jì)數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)脈搏次數(shù)的目的。

硬件電路設(shè)計(jì)

　　筆者設(shè)計(jì)的這款便攜式單片機(jī)控制液晶顯示型心率計(jì)，硬件整體電路如圖1所示。它可分為兩個(gè)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(cè)采集電路模塊、信號(hào)抗干擾電路模塊、信號(hào)整形電路模塊等三個(gè)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(cè)采集電路；R2與C1、C2與C3、R4與C4和IC1a共同構(gòu)成了信號(hào)抗干擾電路組，它們分別承擔(dān)了對(duì)信號(hào)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(hào)整形電路模塊。

圖2
 

心率采集處理電路工作的基本過(guò)程如下：

　　首先，紅外檢測(cè)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(shí)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由于脈搏一般在50次/分~200次/分之間，對(duì)應(yīng)的頻率范圍在0.78Hz~3.33Hz之間，因此經(jīng)紅外檢測(cè)采集到并轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)頻率就非常低。為了防止信號(hào)因外界高頻信號(hào)干擾而使檢測(cè)結(jié)果有誤，信號(hào)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(lái)完成濾除高頻干擾的任務(wù)。

　　然后，由于本心率計(jì)設(shè)計(jì)的適用場(chǎng)所為室外，因此它必然會(huì)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(shí)受到強(qiáng)光的干擾，電路中設(shè)計(jì)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(gè)簡(jiǎn)單的光電隔離電路，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)于干擾光線的隔離。此外，為了防止前面對(duì)于高頻干擾濾除的不夠徹底，電路中還設(shè)計(jì)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(shí)將前面的信號(hào)放大200倍左右。

      經(jīng)前面處理得到的信號(hào)為疊加有噪聲的脈沖正弦波，接下來(lái)必須對(duì)這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)整形。先是通過(guò)比較器IC1b將正弦波轉(zhuǎn)換成方波。利用R8可以實(shí)現(xiàn)將比較器的閾值調(diào)定在正弦波的幅值范圍之內(nèi)的目的。接下來(lái)，從IC1b的7引腳輸出的方波信號(hào)經(jīng)C5、R10構(gòu)成的微分電路，進(jìn)行微分處理后將成為正負(fù)相間的尖脈沖。為了穩(wěn)定脈沖的輸出，電路設(shè)計(jì)時(shí)是將此脈沖輸入到單穩(wěn)多諧振蕩器IC1c的反相輸入端，并利用IC1c的輸出來(lái)作為后極工作的實(shí)際使用脈沖。

　　IC1c在工作時(shí)，凡有輸入信號(hào)時(shí)，它會(huì)在輸入信號(hào)后沿到來(lái)時(shí)輸出高電平，從而使C6通過(guò)R11充電。大約持續(xù)20ms之后，IC1c同相輸入端的電位會(huì)因C3充電電流減小而降低，當(dāng)此電位低于反相輸入端的電位時(shí)(尖脈沖已過(guò)去很久)， IC1c就將改變狀態(tài)并再次輸出低電平。這20ms的脈沖時(shí)間是與脈搏同步的，這種脈沖在電路工作時(shí)是與紅色發(fā)光二極管D3的閃爍情況相對(duì)應(yīng)的。

　　經(jīng)過(guò)IC1c之后的脈沖就是后面單片機(jī)控制電路所需的實(shí)際脈沖，通過(guò)R12送到單片機(jī)P3.3引腳后，就可實(shí)現(xiàn)后面的計(jì)數(shù)和顯示了。

　　IC1a、IC1b、IC1c工作所需的4.5V電源電壓，在電路中是通過(guò)R14、R15對(duì)9V分壓并經(jīng)IC1d緩沖而得到的。這樣的設(shè)置，就使得即使電池電壓降低到6V，本電路也能實(shí)現(xiàn)正常工作。

單片機(jī)控制電路

　　單片機(jī)控制電路如圖3所示。本部分電路主要由AT89C2051單片機(jī)、SMC1602A液晶顯示芯片、12MHz的晶振電路以及復(fù)位電路等幾個(gè)部分組成。電路主要完成對(duì)于前面采集處理得到的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)和顯示的任務(wù)。

　　圖3

      經(jīng)采集處理后得到的脈沖信號(hào)，通過(guò)P3.3引腳被輸入到單片機(jī)中。單片機(jī)被設(shè)為負(fù)跳變中斷觸發(fā)模式。因此，每次脈沖下降沿到達(dá)時(shí)，單片機(jī)就將被觸發(fā)并產(chǎn)生中斷進(jìn)行計(jì)時(shí)；而當(dāng)下一次脈沖的下降沿到達(dá)時(shí)，單片機(jī)就對(duì)兩次脈沖間的時(shí)間間隔進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果就是心率。這個(gè)結(jié)果值，將通過(guò)P1口送至SMC1602A液晶顯示芯片的數(shù)據(jù)端口，從而被顯示出來(lái)。

      在顯示心率值之后，單片機(jī)將對(duì)此心率值與80~120的人體正常脈搏范圍進(jìn)行比較。若此值X為80≤X≤120，液晶顯示芯片中會(huì)顯示“Very Good！”，以表示被測(cè)者心率正常；若此值不在80~120范圍之內(nèi)，即X＜80或者X＞120，那么，液晶顯示芯片中會(huì)顯示“A Little Bad！”，以便表示被測(cè)者心率出現(xiàn)不正常。

　　另外，為了提示用戶及時(shí)觀察心率值的顯示，電路中還設(shè)置了一個(gè)提示音的裝置。即每次脈沖到來(lái)時(shí)，單片機(jī)P3.7引腳所連接的蜂鳴器SP均會(huì)發(fā)出提示音，這樣，當(dāng)用戶第二次聽(tīng)到這個(gè)提示音時(shí)，就表明1分鐘的脈搏計(jì)數(shù)顯示已經(jīng)完成。如此一來(lái)，結(jié)合前面心率采集處理電路中對(duì)于每次脈搏給予的點(diǎn)亮閃爍裝置，本心率計(jì)在使用時(shí)就可以通過(guò)聲光相結(jié)合的形式形象地把脈搏的快慢顯示出來(lái)。

　　此外，本心率計(jì)設(shè)計(jì)的有效測(cè)量顯示范圍為50次/分~199次/分。為避免可能出現(xiàn)的干擾的影響，單片機(jī)對(duì)兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間距進(jìn)行檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)有干擾，即次數(shù)值不在設(shè)置的有效測(cè)量顯示范圍之內(nèi)時(shí)，則忽略該干擾而不顯示。這樣就更加降低了心率計(jì)在實(shí)際使用時(shí)出現(xiàn)誤差的可能性。

元器件選取

　　電路中單片機(jī)選用AT89C2051單片機(jī)。液晶顯示器芯片則選用SMC1602A，電路中用到的運(yùn)算放大器IC1為常用的四運(yùn)放LM324，它的四路分別分配給了IC1a、IC1b、IC1c和IC1d。本心率計(jì)的電源為7~9V直流電源，可以通過(guò)電池供電，也可通過(guò)交直流轉(zhuǎn)換后來(lái)獲取，正常工作時(shí)的工作電流為100mA。設(shè)計(jì)中使用的提示音裝置為普通蜂鳴器，也可用8Ω微型喇叭來(lái)代替。另外，單片機(jī)采用的是12MHz的晶振，若用其它頻率晶振，在軟件設(shè)計(jì)中就需進(jìn)行相應(yīng)修改。

     在使用前的安裝時(shí)，可以將紅外線發(fā)射管D1和紅外線接收管Q1分別連接到一個(gè)夾子的兩端。將剩余的電路板等部件安裝于一個(gè)小盒中，為便于攜帶，小盒外部在電路安裝完畢后應(yīng)粘接一個(gè)可連接皮帶的裝置。為了方便使用時(shí)進(jìn)行按鍵和觀察，復(fù)位鍵K1、紅色發(fā)光二極管D3、蜂鳴器SP以及液晶顯示器芯片的顯示窗口均要在盒子上留出相應(yīng)放置的位置。同時(shí)液晶顯示的窗口還應(yīng)外加一個(gè)保護(hù)硬模，以免室外測(cè)量時(shí)的損壞。

　　在實(shí)際使用時(shí)，先將由圖1中紅外線發(fā)射管D1和紅外線接收管Q1構(gòu)成的檢測(cè)夾子裝置夾在被測(cè)者的任意一個(gè)檢測(cè)手指上，然后連通電源。若觀察到紅色發(fā)光二極管在閃爍，那就表明心率計(jì)能夠正常工作。此時(shí)，為保證觀察的準(zhǔn)確性，可以按下復(fù)位鍵K1使系統(tǒng)復(fù)位之后再重新開(kāi)始測(cè)量并計(jì)數(shù)顯示。

　　注意在兩次聽(tīng)到蜂鳴器的提示音之后，首先觀察到的結(jié)果是被檢測(cè)者的心率，然后就是這個(gè)心率是否正常的英文提示語(yǔ)。若顯示為“Very Good！”，則表示被檢測(cè)者心率正常；若顯示“A Little Bad！”，那么就表明被檢測(cè)者的心率不太正常了。

軟件設(shè)計(jì)

　　本心率計(jì)的軟件設(shè)計(jì)采用的語(yǔ)言為匯編語(yǔ)言，主要的程序流程圖如圖4~圖7所示。其中，圖4為主程序流程圖，圖5為定時(shí)器中斷子程序流程圖，圖6為INT1外中斷子程序流程圖，圖7為顯示部分的子程序流程圖。

圖5

結(jié)語(yǔ)

　　本文所設(shè)計(jì)的新型便攜式心率計(jì)，設(shè)計(jì)方法比較簡(jiǎn)單易行，使用的元件也比較普遍。從總體來(lái)看，它具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、使用方便、易于觀察、易于攜帶等多種優(yōu)點(diǎn)。因此，該心率計(jì)將非常適合于體育訓(xùn)練和室外作業(yè)等場(chǎng)合的使用。