武昌首義學院信科院 劉雯娟 陳 青 劉 麗

基于光電實驗平臺的創(chuàng)新探索

武昌首義學院信科院 劉雯娟 陳 青 劉 麗

本文主要介紹了在光電實驗平臺上利用已有的紅外光電傳感模塊及外圍電路搭建快速心率測試儀系統(tǒng)，其中介紹了心率測試儀設計構成及工作原理，分析了光電采樣及濾波放大電路，給出軟件設計思想流程圖，并進行了實驗數(shù)據(jù)分析得出結論。

光電傳感器；濾波放大；脈搏測量；心率

本系統(tǒng)以光電實驗平臺中的單片機為核心,利用反射式紅外光電傳感器模塊作為信號測量器件,測量脈搏時人把手指的放在光電傳感器上方,由傳感器獲取脈搏信號,經(jīng)過帶通濾波器過濾掉不需要的雜波,然后經(jīng)過放大器和比較器得到與脈搏相關的直流脈沖信號,該脈沖信號作為中斷信號經(jīng)過單片機定時計數(shù),從而算出心率周期,最終得到每分鐘心臟的跳動次數(shù)(即心率)并在LCD液晶屏上進行顯示,同時還可以設定上限次數(shù)和下限次數(shù),當測量的結果超過預設的范圍則驅(qū)動蜂鳴器報警,二極管發(fā)出亮光提醒用戶。

圖1 心率測量儀構成

1 心率測試儀設計構成及工作原理

系統(tǒng)由STC89C52、按鍵、LCD1602、紅外光電傳感器、運算放大器等部分構成,如圖1所示,脈搏測量的時候?qū)⑹种阜旁诠怆妭鞲衅魃戏?可以不用接觸)。人脈搏跳動的時候,血管中的動脈舒張和收縮的變化將會引起血液流速的改變,由于靜脈血和動脈血對光的透過率是不一樣的,在光的路徑中就表現(xiàn)為光強的改變,紅外二極管的集電極產(chǎn)生的電流也會因此而變化,這樣將二極管獲取到的直流信號,通過后續(xù)電路對其進行帶通濾波、放大、對比整形后,再通過主控系統(tǒng)對其進行計數(shù)處理,最終得到的結果就是人體每分鐘心率的次數(shù),測量結果在液晶屏上顯示出來。另外本系統(tǒng)還設置有按鍵模塊,方便用戶調(diào)整時間,以便記錄測量時間,還可以設置心率最大值和最小值,當超過預設范圍的時候,單片機會觸發(fā)蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出警報和提醒。

2 硬件主要構成

信號采集電路的功能是利用傳感器獲取脈搏信號再轉換為電信號,但是要獲得系統(tǒng)能識別的電信號還必須進行帶通濾波,將不規(guī)則的干擾信號過濾掉。這是得到的電信號是十分微弱,通常為幾十毫伏,就必須經(jīng)過放大電路加以放大,以滿足整形電路所需的電壓,通常為幾伏。然后再通過整形電路對信號進行修正或變換,經(jīng)過整形之后輸出直流的高低電平,這時信號就符合計數(shù)器的要求了。具體電路如圖2所示：ST188為光電傳感器,R7、R8、R12、C5、C6構成帶通濾波電路,LM358完成小信號放大功能,并通過7腳提供單片機P3.2外部中斷0的脈沖讀入。

3 程序設計思想

系統(tǒng)軟件程序是用C語言編寫和調(diào)試的。軟件部分包括顯示模塊、按鍵模塊、紅外傳感器檢測模塊、采樣后信息處理模塊。通電后單片機首先進行初始化,等待脈搏測量啟動,當用戶按下開始鍵后則進入檢測,當檢測到經(jīng)電路濾波、放大、整形后的紅外傳感器信號時,判斷是否屬于正常的脈搏信號,這里選用150次/分的脈搏值作為比較值,因為人的正常脈搏不會超過150次/分,然后程序進入中斷,測出每次脈搏跳動的時間,測量五次后取平均值,再用60000除以所測的值,就換算出對應的真實的脈搏次數(shù),然后在液晶屏幕上顯示。其總體流程圖如圖3所示。

圖2 信號采集濾波電路

圖3 系統(tǒng)流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試與誤差分析

在進行在線調(diào)試觀察時,發(fā)現(xiàn)按鍵掃描函數(shù)沒有添加軟件防抖,造成按鍵讀取不靈活,添加防抖程序如下：

delay_1ms(1);

if(((P3 & 0x78)!= 0x78) && (key_new == 1))

在調(diào)試過程中還發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)只能測量一次心率,即當手指第二次離開傳感器檢測范圍時,屏幕上仍然顯示前一次所測的心率值,且一直不變,無法進行下一次測量。通過對程序軟件的檢查,發(fā)現(xiàn)沒有重新裝載定時器的預裝載值,中斷服務函數(shù)里面少了兩行TH0=0x3c; TL0=0xb0;導致定時器無法進入下一次中斷,在添加了預裝載值后,這個問題就得到了解決。

經(jīng)過一系列的調(diào)試和修改,對心率儀的測量準確度做了一個檢測分析。先用聽診器測量一分鐘的實際心率作為參考值,然后使用心率儀先后檢測五次,每測量一次重新復位系統(tǒng),這樣算出一個平均值與實際值進行比較,然后重復上述操作五次,共得到五組數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 誤差分析表

然后由均方差公式計算得：

誤差分析：在誤差允許的范圍內(nèi),心率測試儀的設計符合測量要求。

5 結論

本設計是一種無創(chuàng)非接觸式便攜心率測試系統(tǒng),其特點就是體外間接測量人體生理參數(shù),不傷害人的身體,測量精度要比依靠手工脈診要高,還能夠自動消除儀表自身系統(tǒng)的誤差。該設計體積小,集成度高,實時可視,易于使用等優(yōu)點,設計完成后通過實際測試證明系統(tǒng)己能達到設計要求,具有實際應用價值。