基于紅外技術的簡易心率計的設計

雷文禮　袁君麗　任新成

摘 要：心腦血管疾病是人類健康的直接威脅者，簡單有效地監測心率是降低人類心腦血管疾病發病率的迫切需求。文章基于紅外技術設計了一種簡易心率計，該心率計采用紅外對管發射和接收紅外信號，采集人體的心率信號，并經過主控芯片對信號進行處理，計算出人體的心率值。該心率計具有使用簡單方便，抗干擾能力強，成本低等優點，可為心腦血管疾病的預防和監測提供有效手段。

關鍵詞：紅外；心率；采集；信號

中圖分類號：TP368.1；TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）10-00-02

0 引 言

現代社會中，人們對家人和自己的身體健康狀況尤為重視， 心腦血管疾病作為一種發病率高、致死率高的疾病直接威脅著人們的生命安全。目前，用于心腦血管疾病監測的儀器儀表不斷涌現，但大多操作復雜，主要用于醫院環境。因此，人們迫切需要一種使用簡單方便，可用于家庭或社區環境的心腦血管疾病監測設備。本文基于紅外技術設計了一種簡易心率計。該心率計采用紅外對管發射和接收紅外信號，采集人體的心率信號，并經過主控芯片對信號進行處理，計算出人體的心率值。該心率計具有使用簡單方便，抗干擾能力強，成本低等優點，可為心腦血管疾病的預防和監測提供有效手段。

1 紅外技術

紅外技術是一種視距無線通信技術，具有非接觸式、抗干擾能力強、工作功耗低利、數據通信可靠等優點。紅外光電式檢測方法測量心率，是利用光信號對血液流動的透射率或反射率不同，將光信號變換成電信號進而進行測量的方法。一般對光信號的采集有兩種方法，一種是對射式采集，即在對人體如手指測量時，在手指兩側各放一個光電二極管，一個用于發射信號，一個用于接收信號。當通過手指的血流量變化時，光信號的透射率發生變化，光電接收管中的電流量也將發生變化，從而測量心率值；另一種是反射式采集，即用于發射信號和接收信號的光電二極管都朝向一端，利用血流變化時，光的反射率發生變化，從而利用光電管中的電流量的變化來測量心率值。本文選用第一種方法來實現。整個系統的信息處理工作流程如圖1所示。

圖1 信號檢測處理工作流程圖

2 硬件設計

2.1 主控芯片選擇

心率計的主控芯片是整個系統的核心，負責數據信號的處理和系統的協調運行。考慮到成本、可靠性、簡易性等問題，這里選用AT89S52來作為主控芯片。AT89S52是一種8位、低功耗的微控制器，其自帶8 KB可編程Flash存儲器，32個可編程I/O口線，3個16位定時器，8個中斷源，具有全雙工UART串行通道，低功耗空閑和掉電模式，非常適合作為心率計的主控芯片。其芯片引腳如圖2所示

圖2 AT89S52引腳圖

2.2 信號采集電路

紅外線發射管在使用時，有850 nm、875 nm、940nm三個波段。各波段由于波長不同，適用環境也各有不同。850nm波段在安防監控設備中使用較多，875 nm波段在紅外監控中有較多應用，940 nm波段主要用于家電設備紅外控制等。本文設計的心率計采用一對5 mm的紅外對管，另加外圍少量電子器件組成信號采集電路。信號采集電路如圖3所示。圖中D1與D3為紅外對管，負責紅外信號的發射與接收。電阻R7和電容C5構成低通濾波電路，主要用于去除高頻干擾。

圖3 信號采集電路

2.3 顯示模塊

心率計的數值顯示選用液晶顯示模塊。這里經比較，選用LCD1602液晶顯示模塊，LCD1602內部存儲器已內置了160個不同的點陣字符圖形，使用簡單方便，每次可顯示兩行，每行16個字符，可以滿足本設計的心率計顯示的需要，LCD1602與單片機的接口電路如圖4所示。

圖4 LCD1602與單片機接口電路

3 軟件設計

系統上電后，首先完成初始化程序，以初始化部分硬件芯片，確定中斷地址和程序入口。然后，液晶顯示屏顯示全零，表示沒有信號進入；其次，程序定時100 ms，進入等待中斷過程，并累加中斷次數；最后，根據n= K/t（n表示時間t 內心率的平均值，K表示時間t內連續的脈動次數）計算心率值，并在液晶顯示屏顯示數值。整個程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖

4 結 語

無線技術和電子技術的發展，使人們對疾病的監測手段不斷更新和發展。本文基于紅外技術設計了一種簡易心率計，該心率計采用紅外對管發射和接收紅外信號，采集人體的心率信號，并經過主控芯片對信號進行處理，從而計算出人體的心率值。該心率計具有使用簡單方便，抗干擾能力強，成本低等優點，可為心腦血管疾病的預防和監測提供有效手段。

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