便攜式心率監測器的研制

王嘯東

摘 要： 心率指人體心臟每分鐘跳動的次數，是反映心臟是否正常工作的一個重要參數，也是心血管疾病診斷的重要生理指標。本文介紹了便攜式心率監測器的研制方法，主要包括設計原理、結構組成、技術指標等。

關鍵詞： 心率 光電傳感器 單片機 A/D轉換

1.引言

心率指是人體心臟每分鐘跳動的次數，它是反映心臟是否正常工作的一個重要參數，綜合反映了人體內各種生理變化的一扇“窗口”，通過它，能夠比較準確地描述身體機能對運動刺激的即刻反應和慢性適應。心率是心血管疾病診斷的重要生理指標，心血管疾病是目前死亡率最高的疾病之一，這類疾病發作的主要前兆是心率異常，因此早期防治十分重要，若能進行實時心率監測，在發病之初進行及時搶救，患者的生存率將會大幅提升。

近年來由運動引發猝死的事件多次發生，引發教育界和醫學界的深入思考。學校對身體狀況異常的同學進行適度運動，并在運動過程中進行心率監測顯得十分必要。

目前，醫院使用的各種心率監測儀器價格昂貴、體積大、檢測過程復雜，不便于隨身攜帶。本文介紹了便攜式心率監測器的研制方法，為學生體育運動與生命安全提供保障。同時，為患有心血管疾病的人們，提供安全、便捷、家用便攜式醫療電子設備，為醫生的醫療過程提供數據與幫助。

2.便攜式心率監測器的設計原理

“便攜式心率監測器”的設計原理：由于人體組織的半透明性，隨著心臟的跳動，當血液送到人體組織時，組織的半透明度會減小；當血液流回心臟，人體組織的半透明度又會增加。這種現象在手指尖、耳垂、手臂等部位尤為明顯，因此可以用光電傳感器照射上述部位，同時檢測透射光，并把光信號轉換為電信號，該電信號的頻率與人體心率一致，再將該頻率信號放大、濾波、整形后，提供給單片機識別、計算。

3.便攜式心率監測器的結構組成

“便攜式心率監測器”（如圖1）以單片機AT89C51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，計算出每分鐘的脈搏搏動次數（即心率），并在數碼管上顯示心率值。同時，通過記憶電路將數值記錄下來，以便通過按鍵查看心率的歷史數據。利用程序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，提醒使用者注意。

3.1光電傳感器及信號處理電路

光電傳感器采用紅外對管HR1068C-O5Y2和PT331C。由于從人體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和較強的工頻干擾而產生大量噪聲。同時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，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。

3.2單片機控制及顯示電路

單片機控制及顯示電路采用動態顯示方式，利用單片機的P1口的P1.0～P1.6作為數碼管七段碼的輸入。利用P3.0、P3.1、P3.2、P3.3作為4只數碼管的選通信號。從光電傳感器輸出的心率脈沖作為中斷信號直接接到單片機AT89C512的9腳（即T1端）。由T0定時，T1計數。P1.7輸出心率的上、下限報警信號，經二極管驅動報警器報警。

3.3程序設計

系統程序將要顯示心率數千位、百位、十位、個位數分別存放在AT89C51單片機內部的41H、42H、43H、44H單元內。采用動態掃描，每隔5ms分別輪流顯示千位、百位、十位、個位。當單片機的第9腳有一上升沿時，T1腳計數1次，T0定時50ms，循環定時1200次，T1計數即為心率次數。然后返回主程序繼續執行顯示程序。

4.結語

便攜式心率監測器通過光電傳感器測量人體組織的透明度，進行人體脈搏的無創監測，結合單片機技術高效、實時、快捷、準確地進行心率測量，為人們提供生命安全保障，可以在高校、健身場所和醫療機構普及使用，也可以為醫生的醫療過程提供數據與幫助。

參考文獻：

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[2]李廣弟.單片機基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.

南京鐵道職業技術學院校級課題（項目編號：Y150003）