数字人体心率检测仪的设计
1.设计思路
本课题研究的是数字人体心率监测仪的设计，我所设计的检测仪，它使用方便，只需将手指端轻轻放在传感器上，即可实时显示出你的每分钟脉搏次数，特别适合体育训练和外出旅游等场合使用。

采用红外光学检测法，摒弃了不便于运动状态下测量脉搏的听诊器和吸附在人体上的电极等老式测量方法。

检测的基本原理是：随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变：当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小：当血液流回心脏，组织则半透明度增大。

这种现象在人体组织较薄的手指尖，耳垂等部位最为明显。

因此，本心率检测仪将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的上述部位，并用装在该部位的另一侧或旁边的红外光电管来检测机体组织的透明程度并把它转换成电信号。

由于此信号的频率与人体每分钟的脉搏次数成正比，故只要把它转换成脉冲并进行整形，计数和显示，即可实时的测出脉搏的次数。

心率与脉搏的联系：心率与脉搏在身体正常的时候是相等的。

在房颤等心脏疾病时候可出现不等。

因此心率测量问题可以转化为脉搏的测量，而脉搏的测量有更容易实现的特点，在实际应用中得到更广泛的运用。

本检测仪的有效测量范围为50次—199次/分钟。

2 方案设计
2.1 心率采集处理电路
心率采集处理电路如图1-1所示。

该部分电路主要由脉搏次数红外检测采集电路模块、信号抗干扰电路模块、信号整形电路模块等三个主要的电路模块组成。

其中，红外线发射管D1和红外线接收管Q1组成了红外检测采集电路：R2与C1、C2与C3、R4与C4和ICA共同工程了信号抗干扰电路组，他们分别承担了对信号的低通滤波、干扰光
线的光电隔离、参与高频干扰的滤除等任务。

另外，I CB、C5与R10、ICC则共同组成了信号整形电路模块。

图1
光电式脉搏波传感器的原理
其原理是利用光电信号来测量脉搏容量的变化。

当血管内容量变化时，组织对光的吸收程度相对发生变化，利用光电传感器可测出这种变化，该变化反映出血液动脉的基本参数情况。

根据朗伯特—比尔（lambert—beer）定律，物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比，当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织吸收、反射衰减后测量到的光强在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。

光源和光敏元件分别处于被测部位的两侧，光源发出的光线可以经指尖部组织投射到光敏元件所在的窗口，从而有光敏元件检测出脉搏的波动信号，这样纪录的波也有将其作为指尖容积波处理，通常称这种传感器为透射型光电式脉搏波传感器。

本次设计原用的透射型光电式脉搏波传感器，其电路如图2
所示。

图 2 心率采集电路
心率采集处理电路工作的基本过程如下：
首先，红外检测采集电路中D1发射红外线，而Q1则接受相应组织的半透明度，同时转换为电信号。

由于脉搏一般在50次/分~200次/分之间，对应的频率范围在0.78HZ~3.33HZ之间，因此经红外检测采集到并转换得到的电信号频率就非常低。

图 3 放大滤波电路
为了防止信号因外界高频信号干扰而使检测结果有误，信号就必须先进行低通滤波（如图3所示），以便滤出绝大不分的高频干扰。

电路中采用R2和C1来
完成滤除高频干扰的任务。

然后，由于本心率计的适用场所为室外，因此它必然会遇到强光辐射的情况。

为了避免在接收正常脉搏红外线时受到强光的干扰，电路中设计使用C2、C3背靠背串联组成的双极性耦合电容构成一个简单的光电隔离电路，从而实现了对于干扰光线的隔离。

为此，为了防止前面对于高频干扰滤除的不够彻底，电路中还涉及连接了由ICA、R4、C4组成的截止频率喂10HZ左右的低通滤波器电路，以便进一步滤除干扰，同时将前面的信号放大200倍左右。

图 4 整形电路
经前面处理得到的信号为叠加有噪声的脉冲正弦波，接下来必须对这个信号经过整形。

（如图4所示）显示通过比较器ICB将正弦波转换成方波。

利用R8可以实现将比较器的阈值调定在正弦波的复制范围之内的目的。

接下来，从ICB的7引脚输出的方波信号经C5、R10
构成的微分电路，进行微分处理后将成为正负相间的尖脉冲。

为了稳定脉冲的输出，电路设计时是将此脉冲输入到单稳多谐震荡器ICC的反相输入端，并利用ICC的输出来作为后极工作的实际使用脉冲。

ICC在工作时，凡有输入信号时，它会在输入信号后沿到来时
输出高电平，从而使C6通过R11充电。

大约持续20ms之后，ICC同相输入端的点位会因C3充电电流减小而降低，当次电位低于反相输入端的点位时（尖脉冲已过去很久），ICC就将改变状态并再次输出低电平。

这20ms的脉冲时间是与脉搏同步的，这种脉冲在电路工作时是与红色
发光二极管D3的闪烁情况相对应的。

经过ICC之后的脉冲就是后面单片机控制电路所需的实际脉冲，通过R12送到单片机P3.3引脚后，就可以实现后面的工作了。

图 5 电源稳压电路
ICA、ICB、ICC工作所需的4.5V电源电压，在电路中是通过R14、R15对9V分压并经ICD缓冲而得到的。

这样的设置，就使得即使电池电压降低到6V，本电路也能实现正常工作。

2.2 显示电路
显示电路如图6所示，
图6 显示电路
2.3 记忆存储电路
记忆存储电路见图5。

存储芯片采用AT24C02。

SDA为串行数据输入/输出引脚，SCL为串行同步时钟输入端；A0、A1及A2是片选信号输入端，TEST引脚是写保护，接地时表示不保护，测量完心率数据后想要保存时就按一下存储按键K3，单片机就通过P2.1给AT24C02
提供合适的时钟，然后将数据存入指定地址。

当然，控制字、地址和数据是分3次输入的，并且在每段之间要求AT24C02提供给单片机一个应答信号，此外，在读写数据前后要加开始和停止位。

图7 记忆电路
2.4 软件设计
系统软件流程图如图5所示。

将要显示心率数千位、百位、十位、个位数分别存放在80c52单片机内部的41H，42H，43H，44H单元内。

采用动态扫描，每隔5ms分别轮流显示千位、百位、十位、个位。

当单片机的第9脚有一上升沿时，T1脚计数1次，T0定时50 ms，循环定时1 200次，T1计数即为心率次数。

然后返回主程序继续执行显示程序。

图8 软件流程图
2.5 电路调试及噪声分析
电路调试主要是对输入的脉搏信号进行滤波和放大，调试的效果直接关系到数据采集的精确度。

通过测试可以得知，脉搏信号中存在严重的噪声干扰，前置级放大电路的设计至关重要。

使用宁波中策电子有限公司的DF l405数字合成信号发生器来模拟脉搏信号，信号频率较高，信号处理电路对于高频信号(106 Hz左右)有很好的衰减作用，当信号频率适中的时候，信号可以按照设计的需要进行放大。

50 Hz 陷波器对工频干扰起到了很好的抑制作用。

通过积分、比较电路对脉搏信号整形可以得到单片机需要的脉冲信号。

通过整机调试，系统达到了预期的设计要求。

在测量过程中，传感器采集到的脉搏信号十分微弱，容易受到外界环境干扰，因此需要对脉搏传感器的干扰噪声进行分析。

光电式脉搏传感器的主要有测量环境光干扰、电磁干扰、测量过程运动噪声干扰。

为了减少环境光对脉搏信号测量的影响，同时考虑到传感器使用
的方便性，采用密封的指套式的包装方式，整个外壳采用不透光的介
质和颜色，尽量减小外界环境光的影响。

通过光电转换得到的包含脉搏信息的电信号一般比较微弱，容易受到外界电磁信号的干扰，因此对硬件电路进行适当的屏蔽处理。

脉搏信号变化缓慢，特别容易受到工频信号的干扰，利用陷波器有效地解决了这一问题。

在测量过程当中，让指套和手指更紧的接触减少了他们之间的相对运动，降低了运动噪声。

3 小结
心率检测中的关键技术在于传感器的制作和微弱脉搏信号的放大问题。

通过实际的设计制作，结果证实了该设计的合理性和可行性，说明用科学设计的透射式传感器可实现手指脉搏的无损检测。

但是在小信号放大技术方面有待于进一步研究。

同其他心率检测仪相比较，该装置的体积小，重量轻，成本低，使用方便，测量准确等，具有很好的应用前景。

测控电路设计
专业：测控技术与仪器
班级：07050342
姓名：黄振宇
学号：36。