基于微控制器的智能人體心率監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

新疆醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 朱麗君 閆 婷 廉倩琳 李 雪 伊爾帕尼江·亞力坤 謝 茹 李 莉

人體中十分重要的生命信息為心率。本文設(shè)計(jì)了一款智能數(shù)字顯示心率監(jiān)測(cè)設(shè)備利用紅外傳感器、AT89S52微控制器等器件組合對(duì)人體的心率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)運(yùn)用電路和程序編寫實(shí)現(xiàn)心率信號(hào)的精準(zhǔn)檢測(cè)，并將測(cè)量結(jié)果以數(shù)字顯示。實(shí)驗(yàn)顯示，監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)合理，測(cè)量結(jié)果比較準(zhǔn)確，有很好的應(yīng)用前景。

引言：現(xiàn)如今威脅人類生命和健康的疾病且位居人類疾病死亡總數(shù)首位的是心腦血管疾病。如何用科學(xué)方法有效的降低心腦血管疾病的死亡率和發(fā)病率成為全人類社會(huì)面臨的一大問(wèn)題（楊越.低功耗心率檢測(cè)儀設(shè)計(jì)[J].東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程,江蘇南京:210009.）。用心率計(jì)對(duì)心率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，心率計(jì)是通過(guò)采集人體心率變化快慢的生物信號(hào)，將生物信號(hào)利用變換電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而展現(xiàn)人體心率變化的快慢（段穎康.數(shù)字式血壓脈搏檢測(cè)儀的實(shí)現(xiàn)[J].微電子技術(shù),2003(01).）?；诖嗽恚疚乃O(shè)計(jì)的心率計(jì)是運(yùn)用紅外傳感器采集動(dòng)態(tài)脈搏信號(hào)，將信號(hào)通過(guò)數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)中的信號(hào)處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)心率信號(hào)的放大和濾波。最后運(yùn)用微控制器的算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩查、分析，信號(hào)轉(zhuǎn)換和上、下限報(bào)警，并在液晶顯示屏上顯示出監(jiān)測(cè)的心率數(shù)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在心率計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)中，以采用微控制器AT89S52為設(shè)計(jì)核心，對(duì)信號(hào)處理。其中電路模塊有：信號(hào)放大電路、信號(hào)采集電路、電壓積分比較電路、液晶顯示電路和微控制器處理電路。信號(hào)源是采集與心跳一樣頻率的信號(hào)，利用紅外傳感器進(jìn)行信號(hào)采集。紅外傳感器克服光電和壓電傳感器對(duì)噪聲敏感及易受其他信號(hào)干擾的缺點(diǎn)，采用紅外光對(duì)射的兩個(gè)二極管實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，將微弱的心率信號(hào)轉(zhuǎn)化為同頻率的電信號(hào)。發(fā)光二極管是利用紅外光透過(guò)人體組織皮膚的透光能力來(lái)工作。當(dāng)人體組織皮膚的透光度差時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光透過(guò)人體組織皮膚的光強(qiáng)度很弱，光就無(wú)法導(dǎo)通，此時(shí)輸出高電平信號(hào)。透光度較好時(shí)，輸出低電平信號(hào)（姚鳴放,高磊.快速心率檢測(cè)儀的研制[J].上海:200025,上海:200021.）。也就形成了心率次數(shù)與輸出頻率成正比近似于正弦波的低頻信號(hào)，從而初步采集到微弱心率信號(hào)。系統(tǒng)硬件總體流程如圖1所示。

在系統(tǒng)硬件電路中針對(duì)極其重要的電路模塊：信號(hào)采集電路、信號(hào)放大電路、信號(hào)比較電路依次展開介紹。

（1）信號(hào)采集電路

信號(hào)采集電路中紅外傳感器是由兩個(gè)紅外二極管D1與D3組成。因傳感器輸出的信號(hào)十分微弱，且頻率很低（如脈搏40次左右/分為0.68Hz，200次左右/分為3.54Hz），主要信號(hào)微弱但還伴有其他噪聲干擾，所以信號(hào)要經(jīng)過(guò)電阻R7、電容C5濾波，除去高頻干擾信號(hào)留下低頻的心率信號(hào)。從而采集到微弱信號(hào)電路如圖2所示。

（2）信號(hào)放大電路

將采集到的低頻信號(hào)通過(guò)放大電路，放大電路里的放大倍數(shù)可將信號(hào)放大原來(lái)的幾十甚至幾百倍。通過(guò)計(jì)算所得放大倍數(shù)為二百倍，但由于電路中提供的電源VCC不足，再加上元件限制和其他的因素，設(shè)計(jì)中的放大倍數(shù)沒有理論值二百倍也只是將信號(hào)放大為原來(lái)的二十倍。而圖中瓷片電容是有通交阻直的作用，之所以使用該電容，就是使高頻干擾信號(hào)和低頻信源信號(hào)通過(guò)，同時(shí)也就將微弱信號(hào)放大。信號(hào)放大電路仿真圖如圖3所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體流程圖

圖2 信號(hào)采集電路

圖3 信號(hào)放大電路

（3）電壓比較電路

理論上應(yīng)將信號(hào)放大二百倍但在試驗(yàn)中只放大了二十倍所以將放大的信號(hào)再利用LM358雙運(yùn)算放大器將信號(hào)再次放大，雙運(yùn)算放大器內(nèi)部包含兩個(gè)高效率、還可以補(bǔ)償頻率的運(yùn)算放大器也就滿足設(shè)計(jì)時(shí)信號(hào)放大倍數(shù)。利用這種常用的電壓比較器。有變頻的作用：電壓/頻率變換電路。也有數(shù)/模變換的作用。但在本次試驗(yàn)中則利用的是通過(guò)比較模擬電壓值的大小來(lái)判斷哪一個(gè)為高電壓將高頻干擾信號(hào)濾除。接到的信號(hào)電壓小于模擬電壓值時(shí)顯示0V低電壓，當(dāng)大于模擬值時(shí)顯示5V高電壓，從而形成了0V和5V的方波，也就將采集的信號(hào)在次放大并把干擾信號(hào)濾除。如圖4所示。

圖4 電壓比較器

本文將方波信號(hào)載入微控制器中進(jìn)行數(shù)/模變換產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)進(jìn)入微控制器利用其內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、輸入/輸出口、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、中央處理器、鍵盤、顯示器等硬件電路，完成中斷計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)計(jì)算、傳輸、顯示、存儲(chǔ)的功能。利用微控制器內(nèi)部有內(nèi)存8KB單元程序存儲(chǔ)器就可以滿足計(jì)數(shù)，就不用擴(kuò)充外部存放程序空間。而且內(nèi)有三個(gè)定時(shí)器，滿足系統(tǒng)傳輸使用，同時(shí)還利用其內(nèi)部的鍵盤電路來(lái)報(bào)警進(jìn)行提示，鍵盤電路三個(gè)按鍵依次連接中央處理器的三個(gè)輸出端口上，并設(shè)置正常心率范圍，以便在超出或低于限制時(shí)報(bào)警提示，利用程序控制掃描。通過(guò)16子2行的液晶顯示即顯示出數(shù)字的心率信號(hào)以便人們觀看。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)中微控制器是核心所以要讓微控制器完成數(shù)/模轉(zhuǎn)換，定時(shí)計(jì)時(shí)和報(bào)警功能就要對(duì)其內(nèi)部編寫程序，因此本文采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言兩種軟件語(yǔ)言完成程序編寫（焦洋.指尖脈搏信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春理工大學(xué),20070401.）。

在軟件設(shè)計(jì)中，首先利用數(shù)學(xué)模型建立脈搏搏動(dòng)動(dòng)的時(shí)間為T（s）和T內(nèi)脈搏的平均值為S，其次將數(shù)學(xué)建模中的數(shù)學(xué)變量值編寫如主程序顯示模塊中，然后利用中斷計(jì)數(shù)模塊對(duì)心率進(jìn)行計(jì)數(shù)。

（1）數(shù)學(xué)建模

設(shè)X個(gè)連續(xù)的脈搏搏動(dòng)的時(shí)間為T（s），在時(shí)間T內(nèi)脈搏的平均值為S（次/分），則：

為控制微控制器中測(cè)定的t值，利用定時(shí)計(jì)數(shù)與中斷控制（在X個(gè)連續(xù)的脈搏周期內(nèi)定時(shí)1ms并中斷一次），利用工作寄存器將中斷次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，值為M，則可以計(jì)算X個(gè)連續(xù)的脈搏搏動(dòng)的時(shí)間為T（s）：

把(2-2)帶入(2-1)得到：

由式(2-3)就可以計(jì)算出在時(shí)間T內(nèi)脈搏的均值。在該微控制器系統(tǒng)中，X=0-8（可由實(shí)驗(yàn)者通過(guò)按鍵自行設(shè)置）。測(cè)量心率范圍為50次/分-190次/分（X的范圍：240—24000）。

（2）主程序顯示模塊

在對(duì)微控制器進(jìn)行軟件編寫時(shí)，程序初始化是微控制器工作時(shí)首要執(zhí)行的，十分重要。目的是確定程序初始地址和中斷入口地址是否為零，用來(lái)判斷有無(wú)信號(hào)是否可以開始工作。當(dāng)?shù)刂反a全零，說(shuō)明無(wú)信號(hào)心率計(jì)沒有工作，反之，則有信號(hào)開始工作。信號(hào)進(jìn)入主程序定時(shí)，由中斷計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)通過(guò)顯示子程序?qū)?shù)值存儲(chǔ)并顯示。主程序設(shè)計(jì)中利用定時(shí)器定時(shí)l00ms為采樣6s建立基礎(chǔ)因?yàn)樾穆蕯?shù)值的顯示是一分鐘心率值。定時(shí)器定時(shí)100ms中斷一次6s就要中斷60次記錄中斷次數(shù)M，就可以計(jì)算一分鐘的心率平均值。如果中斷記錄值不是60，說(shuō)明不到6s，返回繼續(xù)定時(shí)并等待中斷，滿60次重新開始再次記錄，把6s內(nèi)采樣得到的次數(shù)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)在使用的阿拉伯?dāng)?shù)字，送到液晶顯示器進(jìn)行數(shù)碼顯示。顯示模塊如圖5所示。

（3）中斷計(jì)數(shù)模塊

在主程序顯示模塊設(shè)計(jì)中提到中斷，中斷計(jì)數(shù)模塊也是設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)。心率的有效測(cè)量范圍為60次—130次/分鐘，因?yàn)樵跍y(cè)量時(shí)總會(huì)外界信號(hào)干擾所以程序中加入頻率大小判斷的程序消除干擾信號(hào)，刪除低于60次/分鐘和高于130次/分鐘的脈沖信號(hào)，中斷計(jì)數(shù)模塊如圖6所示。

圖5 顯示模塊

圖6 中斷計(jì)數(shù)模塊

2 測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

本文采用示波器橫格測(cè)量和評(píng)價(jià)誤差測(cè)試的方法測(cè)量數(shù)據(jù)。

（1）示波器橫格測(cè)量：示波器橫格為時(shí)基，由系統(tǒng)的時(shí)間準(zhǔn)確性提高測(cè)量精度，所以1秒定時(shí)校準(zhǔn)十分重要用示波器校對(duì)。利用中斷服務(wù)程序中系統(tǒng)端口的狀態(tài)，然后用示波器測(cè)量端口狀態(tài)的周期，如有誤差就可在程序中改變定時(shí)器初值，直到時(shí)間滿足要求停止求反。（2）評(píng)價(jià)誤差測(cè)試：誤差越大精度越低，誤差越小精度越大。通過(guò)誤差評(píng)價(jià)來(lái)提高測(cè)量精度。用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率與測(cè)量范圍相符的脈沖波（50次/分-190次/分），分別測(cè)量50次/分、100次/分、140次/分、190次/分，并觀察信號(hào)發(fā)生器與心率計(jì)的測(cè)量數(shù)值，若誤差大于±4次/分時(shí)可再調(diào)定時(shí)器的初值，若不滿足要求可用代碼與定時(shí)器的初值同時(shí)改變，直到滿足要求停止。

根據(jù)以上兩種測(cè)量方法，其中數(shù)據(jù)和分析有兩點(diǎn)：一是用儀器測(cè)量：函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生50次/分-190次/分的方波，觀察心率計(jì)示值與信號(hào)發(fā)生器示值。表1給出了部分測(cè)量結(jié)果。

表1 信號(hào)發(fā)生器測(cè)量結(jié)果

由以上測(cè)量結(jié)果可知，用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)用心率計(jì)測(cè)量時(shí)其測(cè)量誤差為0則它的測(cè)量精度就比較高，且在報(bào)警的上下限進(jìn)行報(bào)警，效果比較好。二是柯氏音聽筒測(cè)量：對(duì)相同實(shí)驗(yàn)對(duì)象和不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)由另一實(shí)驗(yàn)對(duì)象用聽筒測(cè)量心率，表2給出了部分測(cè)量結(jié)果。

表2 實(shí)際測(cè)量結(jié)果比較

由聽筒測(cè)量值可知，聽筒測(cè)量的數(shù)值與心率計(jì)測(cè)量的數(shù)值存在一定誤差，但在測(cè)相同對(duì)象時(shí)數(shù)值只要在允許范圍誤差內(nèi)也是可以的。有時(shí)誤差大，主要是人工測(cè)量的開始計(jì)數(shù)時(shí)間和終止時(shí)間掌握不準(zhǔn)確，或是外界某些環(huán)境因素干擾人工測(cè)量，也有可能導(dǎo)致人工測(cè)量誤差偏大。二者比較發(fā)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)測(cè)量就無(wú)誤差，但聽診器測(cè)量時(shí)有較大誤差，這是因?yàn)樾盘?hào)發(fā)生器頻率相對(duì)穩(wěn)定，而聽診測(cè)量時(shí)被測(cè)人的心率強(qiáng)度不夠、穩(wěn)定性不好。

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用的心率信號(hào)源是一種以脈搏跳動(dòng)的時(shí)間間隔為標(biāo)準(zhǔn)的脈搏波，結(jié)合微控制器的測(cè)量頻率技術(shù)，在短時(shí)間內(nèi)得到準(zhǔn)確的分鐘脈搏次數(shù)，從而觀察人體脈搏跳動(dòng)的變化快慢。該設(shè)計(jì)具有使用簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、設(shè)備小而輕、耗材少的優(yōu)點(diǎn)。不僅僅適用于老年人和幼兒的突發(fā)情況報(bào)警，還能用于一般人的生活當(dāng)中，為專業(yè)醫(yī)護(hù)人員提高更多個(gè)體參考。