張建民　郭伙令　龍佳樂　李燁

摘 要： 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了從單片機(jī)為控制核心的智能SMS心率計(jì)。通過(guò)被測(cè)人將手指放在紅外傳感器中間時(shí)，由于指尖的血液透明度隨脈搏跳動(dòng)會(huì)有明顯變化，可根據(jù)光敏接收管收到的信號(hào)，對(duì)脈搏檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形，得到一個(gè)矩形波計(jì)數(shù)信號(hào)，此信號(hào)被STC89C52單片機(jī)識(shí)別用于被測(cè)人的脈搏計(jì)算。該設(shè)計(jì)合理地利用軟件編程的方法，只需2 s即可在LCD1602液晶屏上顯示心率值，還具備心率報(bào)警功能，可以自由設(shè)置限值，如果低于下限值或高于上限值，則該模塊會(huì)發(fā)出響聲和發(fā)短信給相關(guān)的監(jiān)護(hù)人進(jìn)行報(bào)警。實(shí)驗(yàn)表明，該研究對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 智能SMS心率計(jì)； 脈搏計(jì)算； 紅外傳感器； STC89C52； 短信服務(wù)

中圖分類號(hào)： TN911?34； TM912； TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）06?0148?03

Abstract： The intelligent SMS cardiotachometer based on microcontroller was realized with this design. When a person puts his fingertips in the middle of infrared sensors， because the transparency of his blood has obvious changes with pulse beat， the pulse detection signal is amplified， filtered and shaped according to the signal received by the infrared sensors of phototransistor to obtain a square wave signal which can be recognized by the single chip microcomputer STC89C52 to calculate the pulse of the person under test. With rational software programming method， the heart rate is displayed on LCD1602 within 2 seconds. This intelligent SMS cardiotachometer can set the threshold of heart rate by buttons. If the heart rate is out of scope between the lowest and highest thresholds， it will make a sound alarm and send a SMS message to guardians mobile phone. This research has a certain value for actual application.

Keywords： intelligent SMS cardiotachometer； pulse calculation； infrared sensor； STC89C52； SMS

0 引 言

每年死于心腦血管病的有近200萬(wàn)人，是所有疾病中死亡人數(shù)最多，治療費(fèi)用最大的，因此有必要對(duì)心腦血管病引起足夠的重視。據(jù)科學(xué)研究，對(duì)心率的檢測(cè)可以在一定程度上預(yù)防心腦血管病的發(fā)生。

心電圖機(jī)可以精確測(cè)量人體心率，但是由于費(fèi)用巨大，所以不能普及。市面上一些精確的測(cè)心率的儀器大部分都是采取壓力傳感器，另外配備一些數(shù)字芯片驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，達(dá)到心率顯示的目的，這種心率測(cè)試儀性能穩(wěn)定，但是功能單一，測(cè)試速度很慢，可擴(kuò)展性差，而且價(jià)格比較貴[1]。本文設(shè)計(jì)基于光電傳感器的便攜式心率計(jì)，其是一款低成本、多功能、便攜式和智能化的心率測(cè)試儀，可以很好解決市面上心率測(cè)試儀的不足并且有一定的創(chuàng)新性[2?4]。

1 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要以STC89C52單片機(jī)作為核心控制，兼具ATK?900A的遠(yuǎn)程報(bào)警模塊，當(dāng)被測(cè)人心率不在設(shè)置的范圍內(nèi)就發(fā)短信給相關(guān)的人，進(jìn)行報(bào)警，引起他們的注意。采用直徑為5 mm的紅外對(duì)管作為脈搏傳感器，根據(jù)脈搏跳動(dòng)時(shí)，指尖的血液濃度發(fā)生變化，從而紅外對(duì)管可以采集到脈搏信號(hào)。直接采集到的信號(hào)很微弱且夾著很多干擾，因此需要放大、濾波、整形后方可讓單片機(jī)識(shí)別，利用軟件編程的方式進(jìn)一步濾波，篩選出準(zhǔn)確的脈搏信號(hào)，并通過(guò)檢測(cè)計(jì)算兩個(gè)脈搏信號(hào)的上升沿所用的時(shí)間，從而在LCD1602上快速顯示每分鐘的心跳數(shù)目，大概1～2 s。當(dāng)心率不正常時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)聲同時(shí)發(fā)短信給相關(guān)的親朋好友，引起重視。通過(guò)按鍵切換的方法可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘顯示和溫度檢測(cè)功能。心率計(jì)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

通過(guò)把指尖放到紅外對(duì)管的中間，當(dāng)脈搏跳動(dòng)時(shí)，血液濃度高、透明度低，接收管不能導(dǎo)通，輸出的電壓較大；當(dāng)沒有脈搏跳動(dòng)時(shí)，血液透明度高，接收管導(dǎo)通，輸出電壓較低[5]。

脈搏信號(hào)處理過(guò)程如圖2所示。

由于紅外傳感器采集到的脈搏信號(hào)小且干擾多，需要進(jìn)行放大、濾波和整形。信號(hào)通過(guò)隔直電容C2、去除直流分量，取C2的容值為1 μF，保證所有的交流信號(hào)能通過(guò)，因?yàn)榇诵盘?hào)很小，所以需要放大。

在用運(yùn)算放大器對(duì)此信號(hào)進(jìn)行放大之前，為了保證當(dāng)信號(hào)為0時(shí)，能夠讓運(yùn)放的輸出直流量也為0，需要加上一個(gè)幾十千歐的電阻，所以本設(shè)計(jì)加了一個(gè)60 kΩ的電阻。去除直流信號(hào)影響后，需要對(duì)前面的交流信號(hào)進(jìn)行濾波。當(dāng)人的心率為50次/min，則頻率為0.78 Hz；當(dāng)心率達(dá)到199次/min，則頻率[6?7]可以達(dá)到3.33 Hz，因此人體脈搏是屬于低頻信號(hào)。

C3，R8并聯(lián)組成低通濾波電路，濾掉高頻分量，提取出脈搏信號(hào)。將提取出的脈搏信號(hào)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)主要由6腳的10 kΩ電位器決定，通過(guò)調(diào)節(jié)該電位器，大概放大200倍即可。濾波放大后的低頻信號(hào)經(jīng)過(guò)C4隔直電容后，可以進(jìn)一步去除干擾信號(hào)，純凈的脈搏信號(hào)通過(guò)一個(gè)比較器與2.5 V電壓比較，得到一個(gè)方波信號(hào)，用LED指示燈的一閃一滅模仿人體的脈搏跳動(dòng)情況。

2 軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖3所示。

首先將各部分進(jìn)行初始化，具體是LCD1602初始化、定時(shí)計(jì)數(shù)器T0/T1初始化、DS1302初始化、DS18B20初始化、心率計(jì)算清零，為后面做好準(zhǔn)備。初始化程序執(zhí)行完畢后，程序?qū)Π存I進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，并做好防抖。

心率計(jì)算程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示[8?9]。步驟如下：

（1） 如果目前LCD1602顯示的不是“Heart rate”，則先按下心率顯示按鍵；

（2） 按下相應(yīng)的按鍵進(jìn)行心率上下限設(shè)定，設(shè)定好后，進(jìn)行下一步；

（3） 賦初值和設(shè)置相關(guān)的位，初始化T0，T1，M；

（4） 等待10 ms，檢測(cè)單片機(jī)的P3^2口的狀態(tài)，判斷脈搏信號(hào)是否存在；如果存在則M加1，如果不存在則M清0，重新開始檢測(cè)；

（5） 當(dāng)連續(xù)成功檢測(cè)3次穩(wěn)定的脈搏信號(hào)時(shí)，則開始清xintiao_jishu變量，并開始計(jì)時(shí)；

（6） 重新檢測(cè)3次P3^2口狀態(tài)，如果脈搏信號(hào)穩(wěn)定，檢測(cè)成功，則開始查看xintiao_jishu的值；

（7） 用公式Count=60 000/xintiao_jishu得出心率值；

（8） 分解Count的百位、十位和個(gè)位并送到LCD1602顯示。

3 數(shù)據(jù)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)測(cè)量心率的準(zhǔn)確性，做了一組高精度的腕式脈搏測(cè)量?jī)x與本設(shè)計(jì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從表1計(jì)算出心率計(jì)的相對(duì)誤差是1.43%，原因是本設(shè)計(jì)采集到的信號(hào)相對(duì)腕式傳感器來(lái)說(shuō)，不夠穩(wěn)定，存在一定的干擾，因此誤差為1.43%是可以接受的。

4 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)以STC89C52為控制核心，紅外對(duì)管作為脈搏信號(hào)傳感器，由脈搏信號(hào)的濃度差提取出人體微弱的脈搏信號(hào)，利用軟件編程的技巧可以快速顯示人體的心率值，通過(guò)指示燈也可以得知脈搏跳動(dòng)情況。此外本設(shè)計(jì)還具有心率異常報(bào)警功能、溫度和時(shí)鐘顯示功能等，增加了本設(shè)計(jì)的額外價(jià)值。本文設(shè)計(jì)的心率計(jì)具有低成本、功能多、便攜式、安全可靠的特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用性。

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