基于紅外技術的簡易心率計的設計探討

劉凱立

【摘要】 心腦血管疾病是造成人們危害的主要原因。設計紅外技術下簡易心率計能夠實時有效地檢測心腦血管疾病的發生。基于紅外技術進行簡易心率計的設計可以采用光電二極管進行發射與接收信號的采集。本文對基于紅外技術的簡易心率計的設計進行分析。

【關鍵詞】 紅外技術 簡易 心率計 設計

基于紅外技術的簡易心率計能夠實時采集人體心率變化信號，根據血液流量變化計算出心率值，是一種使用較為普遍的醫療設備。

一、紅外線心率計的原理框圖

整機電路由-10V電源變換電路、血液波動檢測電路、放大整形濾波電路、3位計數器電路、門控電路、譯碼驅動顯示電路組成。

二、血液波動檢測電路

血液波動檢測電路首先通過紅外光電傳感器把血液中波動的成分檢測出來，然后通過電容器耦合到放大器的輸入端。

TCRT5000紅外光電傳感器的檢測方法：

首先用數字萬用表的二極管檔位正向壓降測試控制端發射管（淺藍色）的正、負極，將紅黑表筆分別接發射管的兩個引腳，正反各測一次，表頭一次顯示“1.05（0.9-1.1）”，一次顯示溢出值“-1”，當1.05V能夠正確顯示的時候，紅表筆接觸的可以認定為正極，黑表筆接觸的可以認定為負極。并且在兩種情況下出現的“1”，能夠說明發射管內部屬于開路。若兩次都顯示“0”發射管內不短路。然后再判斷接收管的C、E極和光電轉換效率，方法如下：將發射管的正負極分別插入數字萬用表hFE檔NPN型的C、E插孔，再將模擬萬用表打到R×1kΩ檔。紅黑表筆代表著不同的接受情況，如果表針沒有轉動，則紅黑表筆對調，表針繼續向右偏轉至1kΩ以內，說明該紅外光電斷續器的光電轉換效率高。

血液波動檢測電路工作原理：TCRT5000是集紅外線發射管、接收管為一體的器件，工作時把探頭貼在手指上，力度要適中。紅外線發射管發出的紅外線穿過動脈血管經手指指骨反射回來，反射回來的信號強度隨著血液流動的變化而變化，接收管把反射回來的光信號變成微弱的電信號，并通過C1耦合到放大器。

三、計數、譯碼、驅動、顯示電路的調試

電路連接完畢后通電。此時由于門控電路的控制作用，計數器采用的使用能前端可以被設置為“1”，這樣計數器在運行的時候采用的輸入碼也會有著不同的表示即5、6、7、9腳的電壓大約是0V。用示波器雙蹤測量DS1、DS2之間、 DS2與DS3之間波形，應能顯示所示的波形，測試并把波形畫在4.5中（示波器量程：雙蹤，5V/DIV，1mS/DIV）。把食指放在傳感器的探頭處，適當調節壓力。當觀察到V4呈現有規律的亮-滅時，就可以進行測量了。按一下門控電路的S1，這時，V5發光，計數器的使能端被置“0”，計數器開始按整形電路送來的心跳脈沖計數。計數的結果以BCD碼的形式送到譯碼器進行譯碼[1]。譯碼后的結果送到數碼管顯示計數的結果。在運行不同階段電路控制的輸入信號會通過計數器進行顯示。同時前端被設置的“1”也會隨著計算器停止，在數碼管上顯示的最后計數結果。此數字乘2即是被測的心率[2]。測量并記錄計數器停止計數后，集成電路MC14553及CD4543的引腳電壓并填入。

四、倍頻電路和定時電路

根據設計要求，心率計需要具有在短時間內測得1分鐘心臟跳動次數的功能，因此需要在電路中加入倍頻電路來實現快速測量的功能。假設需要在30秒內測得1分鐘的心率，則需要2倍頻電路，倍頻所造成的額外誤差在測量心率這個情景下可忽略不計[3]。不同電路下載采用的頻率會隨著成本的增加在實際運用中顯示的效果有著明顯的區別。由“0”變成“1”是一種較為常見的變化。或者由“1”變成“0”都會產生脈沖輸出。

計數器必須與定時器連接共同作用，才能完成在30秒內測量一分鐘的心率的工作。在定時器的選擇上要保證接腳功能的正常發揮，同時根據不同型號在價格以及穩定程度上都會表現出不同的情況。隨著振蕩頻率出現差異，少量電阻與電容都能夠表現出不同的脈沖。

五、結束語

紅外技術采用視距無線通訊方式，可以不直接進行接觸就能夠獲取到相應的數據。并且抗干擾能力較強，功耗相對較低。紅外技術下的簡易心率計的設計主要是利用光信號進行的人體檢測。通過對血液流通的透射率的不同進行采集。紅外技術下簡易心率計具有手指測量的直觀感受。血流量變化都會通過光電二極管的透射率進行表達。發射與接收信號都能夠獲取到血流變化狀況。

參 考 文 獻

[1]申玉宏.基于AT89S52單片機的便攜式數字心率計設計[J].科技風， 2015（16）：14-15.

[2]劉勁松， 朱純午， 楊莉.一種基于STM32和PPG技術的腕戴式心率計設計簡[J].電子技術應用， 2016， 42（10）：62-64.

[3]雷文禮， 袁君麗， 任新成.基于紅外技術的簡易心率計的設計[J].物聯網技術， 2015（10）：14-15.