智能人體心率檢測裝置的設計

摘 要：介紹一種以AT89C2051為控制核心的智能人體心率檢測裝置的設計方法。利用光電傳感器采集人體脈搏信號，經過前置級放大、濾波、積分比較等信號處理電路，將其轉換成脈沖電壓信號，再利用單片機對脈沖信號進行處理計算出心率并顯示。由于傳感器信號十分微弱，其幅度一般在微伏到毫伏的數量級范圍，且夾雜著各種噪聲和干擾，因此要求前置級放大電路具有高增益、高共模抑制比等技術指標。實驗結果表明，系統硬件、軟件設計方案合理，實現了微小信號放大、顯示及報警功能。具有測量靈敏度高、實時性好、性價比高等優點。
關鍵詞：心率；光電轉換；前置級放大；噪聲分析

0 引 言
心率是人體中一個非常重要的生命信息，而傳統的脈診由于其定性化和主觀性影響了心率測試的精度，成為中醫脈診應用、發展和交流中的制約因素。為了提高對此類生物醫學信號的測試精度，必須結合現代科學技術。目前用于檢測心率的儀器很多，常見的有基于壓力傳感器、光電傳感器、電容傳感器和電聲傳感器等類型的測試裝置，但是對脈搏測試部位的選擇沒有太大區別，對于能在指端進行脈搏精確測量的儀器還是比較少。這里介紹的智能人體心率檢測裝置可以實現人體指端的無創測量，測試過程簡單，能精確測量出心跳次數，實現數據顯示和上、下限報警功能。

1 裝置組成及工作原理
系統組成如圖1所示。此設計以單片機AT89C2051為核心，由光電傳感器采集脈搏信號，經過前置放大電路、濾波電路、積分和比較電路后得到與脈搏相關的脈沖信號，該脈沖信號作為中斷信號交由單片機進行脈沖周期的計算。然后得出每分鐘的脈搏搏動次數(即心率)，并在數碼管上顯示心率，同時利用軟件實現上下限報警功能，在測量數據超過正常范圍(如大于180次／min或小于45次／min)時進行報警以提醒醫生注意。

2 裝置硬件電路設計
2．1 傳感器及信號處理電路
由于在人體指尖組織中的動脈成分含量高，而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測到．的光強相對較大，因此光電式脈搏傳感器的測量部位在人體指尖。將一對紅外發射與接收探頭置于手指兩側，當動脈血管隨心臟周期性的收縮和舒張，動脈血管的血液容積隨之發生變化時，紅外接收探頭便接收到隨心臟周期性地收縮和舒張的動脈搏動光脈沖信號，從而采集到心臟搏動信號。
檢測心率的傳感器采用紅外對管HRl068C一05Y2和PT331C。由于從人體手指采集到的生理信號十分微弱，其幅度一般在微伏到毫伏的數量級范圍，而且在測試過程中由于肢體動作以及較強的工頻干擾而產生大量的噪聲。同時要將采集到的脈搏信號經過前置級放大電路進行高倍放大，這就要求電路具有高增益和高共模抑制比，至少在80 dB以上，即集成運放要有很高的共模抑制比和極低的零漂等，所選的電阻參數要盡量精確。放大電路由電阻網絡和OP07組成，傳感器及前置放大電路如圖2所示。

由于內外噪聲及50 Hz工頻干擾等因素，即使電路具有很高的共模抑制比，但是脈搏信號非常微弱，淹沒在于擾信號中，由于脈搏信號主峰頻率在1 Hz左右，能量較強的分量也在20 Hz以下，所以設計低通濾波器的上限截止頻率為40 Hz。對于工頻干擾，采用對稱性雙T阻容有源陷波器對其專門濾除。再通過積分、比較電路整形之后便可以得到單片機所需要的標準的0～5 V脈沖信號。濾波、陷波電路及積分比較電路如圖3所示。