王籃儀

摘 要：文章基于老齡化進(jìn)程加快的社會(huì)現(xiàn)狀，重點(diǎn)對(duì)老人心率進(jìn)行檢測(cè)，運(yùn)用現(xiàn)階段的先進(jìn)技術(shù)結(jié)合傳感器以及顯示屏等模塊實(shí)現(xiàn)心率系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先，從系統(tǒng)工作原理、主控單元、傳感器模塊、信號(hào)采集電路、LCD1602顯示電路和報(bào)警電路5個(gè)方面入手，分析了系統(tǒng)的硬件模塊;其次，從主程序流程、中斷程序流程、顯示程序流程3個(gè)方面出發(fā)，分析了系統(tǒng)的軟件模塊;最后，根據(jù)呼吸與心跳關(guān)系結(jié)論，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：人口老齡化;生命安全;心率檢測(cè)

0? ? 引言

隨著人口老齡化進(jìn)程的加快，我國(guó)有三分之一老年人存在失落、孤獨(dú)、抑郁、焦慮等心理問(wèn)題，六分之五老年人因生理功能的改變，各組織、器官儲(chǔ)備能力的減退，形成許多慢性疾病，比如，高血壓、冠心病、糖尿病等。如何提高廣大老年人生命安全的群體水平，已逐步引起了全社會(huì)的重視。基于此，本文設(shè)計(jì)老人心率健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以期提高老年人的健康水平[1]。

1? ? 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1? 工作原理

光電式的心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種將光電傳感器作轉(zhuǎn)換器件，心率變化產(chǎn)生的紅外光經(jīng)過(guò)其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后對(duì)其進(jìn)行測(cè)量和顯示的設(shè)備。系統(tǒng)的組成包括光電傳感器、信號(hào)處理電路、單片機(jī)電路、數(shù)碼顯示和電源的等[2]。其中，光電傳感器是將紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種轉(zhuǎn)換元件，在檢測(cè)過(guò)程中，通過(guò)ST188采集心率信號(hào)，然后將接收到的紅外光轉(zhuǎn)換為便于測(cè)量的物理量輸出，信號(hào)處理電路主要就是處理光電器所采集到的低頻信號(hào)然后將其放大、濾波整形的模擬電路。單片機(jī)自身就有定時(shí)中斷計(jì)數(shù)功能，可以對(duì)輸入的脈沖進(jìn)行運(yùn)算得出心率，設(shè)計(jì)電路實(shí)物如圖1所示。

當(dāng)手指放在光電傳感器上時(shí)，隨著心跳的變化，血管中血液的流動(dòng)也會(huì)發(fā)生變化。手指放在光電傳感器的傳輸路徑上，當(dāng)紅外光照射進(jìn)手指內(nèi)發(fā)生反射時(shí)，由于血管中血液的濃度是在時(shí)刻變化著，從而光的反射程度也會(huì)發(fā)生變化，因此，和心跳的節(jié)奏相互對(duì)應(yīng)，光電傳感器中所接受到的電流也在跟著改變，使光電傳感器輸出脈沖信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、整形后輸出，輸出的脈沖信號(hào)作為單片機(jī)外部中斷信號(hào)，電路對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理后將結(jié)果送到數(shù)碼管顯示，當(dāng)被測(cè)量者的心跳頻率超出一定范圍時(shí)系統(tǒng)中的蜂鳴器就會(huì)報(bào)警[3]。

1.2? 主控單元

設(shè)計(jì)原計(jì)劃使用STM32為主控單元，但考慮到51單片機(jī)機(jī)也可以使用整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，故轉(zhuǎn)而使用51單片機(jī)來(lái)作為主控單元，51單片機(jī)系列有不同型號(hào)的芯片，外帶豐富多樣和功能靈活的輔助工具，并實(shí)現(xiàn)了全產(chǎn)品系列上的引腳兼容，為廣大單片機(jī)使用人員提供了更多的選擇性以及其創(chuàng)造力自由度釋放的相關(guān)幫助。

1.3? 傳感器模塊

傳感器的種類(lèi)有很多，一般情況下，分為壓電式、聲電式、光電式。不同的傳感器有不同的傳感效果。綜合考慮各方面因素，本設(shè)計(jì)主是由紅外光電傳感器構(gòu)成，使用光電傳感器，能直接把人體脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。人體指尖的動(dòng)脈比較發(fā)達(dá)，因此，信號(hào)采集直接采集人體指尖信號(hào)。由于人體血液中有介質(zhì)，光在照射到人的皮膚表面時(shí)會(huì)透過(guò)血液產(chǎn)生反射，光電式檢測(cè)方法就是利用這一點(diǎn)，光電傳感器檢測(cè)人體內(nèi)血液時(shí)會(huì)對(duì)光產(chǎn)生反射和折射，通過(guò)透光率和反射率的不同將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光的折射和反射的不同，檢測(cè)的方法也不同，檢測(cè)方法分為對(duì)射式和反射式。對(duì)射式就是在一個(gè)手指大小的環(huán)的兩側(cè)各放置一個(gè)發(fā)射管和接收管，在使用時(shí)，將手指伸到環(huán)內(nèi)，由于手指皮膚下的血液是時(shí)刻流動(dòng)的，發(fā)射管所發(fā)射出來(lái)的光經(jīng)過(guò)手指被接收管接收，從而光電流就隨之變化，反射式是指沒(méi)有接收管只有發(fā)射管，光電信號(hào)都指向一個(gè)方向，當(dāng)人身體血液流動(dòng)時(shí)對(duì)光的折射也會(huì)發(fā)生改變，從而接收管接收到光信號(hào)，檢測(cè)出心率。但是這樣的檢測(cè)方法容易受到外界的干擾都比較大，傳感器的輸出信號(hào)較小，對(duì)后面的放大信號(hào)要求較高。

1.4? 信號(hào)采集電路

首先，紅外傳感器采集人體生物信號(hào)，人體的生物信號(hào)非常微弱，需經(jīng)放大器進(jìn)一步將其放大處理后，以高低電平的信號(hào)方式送入STC89C51單片機(jī)的I/O口，經(jīng)過(guò)單片機(jī)軟件對(duì)信號(hào)處理后，以數(shù)值形式顯示在液晶上。ST188是由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏光電晶體管組成，檢測(cè)可調(diào)節(jié)范圍較大，采用的是非接觸檢測(cè)方式。根據(jù)反射式紅外線(xiàn)電傳感器的原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，信號(hào)采集電路如圖2所示，電路主要的作用是限流。

1.5 LCD1602顯示電路

LCD1602液晶顯示也叫做字符型液晶顯示，主要是用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)和點(diǎn)等字符，因?yàn)槊课缓兔啃兄g有間隔，所以不能用來(lái)很好地顯示圖形，但是用來(lái)顯示字符還是很好的選擇。LCD1602液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)，在儀器儀表中被廣泛的使用。目前，字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件。

1.6? 報(bào)警電路

報(bào)警部分使用的是蜂鳴器，一端接上拉電阻，另一端連接PNP三極管的e端。當(dāng)蜂鳴器接收到高電平時(shí)，就會(huì)發(fā)出嘟的報(bào)警提示音。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)生理參數(shù)超出正常范圍時(shí)，報(bào)警電路會(huì)發(fā)出嘟的響聲報(bào)警，等到傳輸?shù)纳頂?shù)值回到正常值時(shí)，重啟檢測(cè)儀器才能解除報(bào)警。

2? ? 軟件設(shè)計(jì)

2.1? 主程序流程

主程序流程如圖3所示。首先，程序的初始化部分，很重要的功能是清零重置，以確定是否輸入了信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)沒(méi)有輸入時(shí)，將顯示全零，表示心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作異常，如果不是，則說(shuō)明功能正常。

程序中影響核心功能的一個(gè)部分是實(shí)現(xiàn)100 ms定時(shí)的功能，這主要是為了實(shí)現(xiàn)6 s采樣而設(shè)定。系統(tǒng)利用單片機(jī)計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)100 ms的計(jì)時(shí)，中斷程序啟動(dòng)后，計(jì)數(shù)進(jìn)行累加，并判斷次數(shù)。如果樣本采集未達(dá)到60次，則返回繼續(xù)采樣，直到采集到60次的中斷，進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸出和顯示。

2.2? 中斷程序流程

中斷程序流程主要涉及單片機(jī)的兩個(gè)中斷功能。一個(gè)是單片機(jī)的定時(shí)器中斷，另一個(gè)是單片機(jī)的外部中斷功能。

定時(shí)器的中斷服務(wù)程序主要的功能是實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)和是否需要進(jìn)行信號(hào)觸發(fā)。當(dāng)啟動(dòng)定時(shí)器中斷后，測(cè)試時(shí)間設(shè)置為1 min，從第1 s計(jì)到第60 s，當(dāng)?shù)降?0 s時(shí)，中斷停止，保存測(cè)得的心跳次數(shù)，并進(jìn)行對(duì)按鍵的檢測(cè)。中斷部分主要實(shí)現(xiàn)的功能是60 s的定時(shí)功能，并且保存測(cè)得的心跳次數(shù)。

另一個(gè)是外部中斷服務(wù)功能。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)外部信號(hào)的測(cè)量和計(jì)算。使用外部中斷方式設(shè)置中的下降沿觸發(fā)方式，當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)脈沖信號(hào)，心跳次數(shù)就加一，同時(shí)，使用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器控制實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)60 s，兩個(gè)功能結(jié)合實(shí)現(xiàn)累加1 min內(nèi)的心跳次數(shù)。心率的有效測(cè)量范圍為40～120次/分鐘。由于在測(cè)量過(guò)程中會(huì)有外界信號(hào)的干擾，所以在定時(shí)中斷程序中加入了對(duì)頻率大小的判斷，過(guò)濾掉對(duì)測(cè)量有影響的不在心率有效范圍內(nèi)的脈沖信號(hào)。

2.3? 顯示程序流程

顯示部分包括上一次心跳次數(shù)的顯示此次心跳次數(shù)的顯示。接收到中斷程序的結(jié)果后，將先顯示之前的心跳次數(shù)，經(jīng)過(guò)10 ms的延遲后，將顯示當(dāng)前測(cè)試到的心跳次數(shù)。

3? ? 呼吸與心跳關(guān)系結(jié)論分析

針對(duì)設(shè)計(jì)的心率檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)試。測(cè)量人體平靜狀態(tài)下沒(méi)有運(yùn)動(dòng)時(shí)的呼吸與心率，在測(cè)量之前保持身心平靜，不要做劇烈運(yùn)動(dòng)，測(cè)量的結(jié)果如表1所示。

在測(cè)量完平靜狀態(tài)下的呼吸次數(shù)與心率的關(guān)系之后，就要測(cè)量一下在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下時(shí)的呼吸與心率的次數(shù)，比較并討論運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下呼吸與心率的變化跟平靜狀態(tài)下呼吸與心率變化的區(qū)別，看兩種狀態(tài)下的身體呼吸和心率的數(shù)值各有什么不同。在高抬腿100次后的測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

綜合表1和表2分析可得，人體在運(yùn)動(dòng)后呼吸的次數(shù)明顯相對(duì)于平靜時(shí)的呼吸次數(shù)有所提高，由此也可看出，在呼吸次數(shù)增加時(shí)，人的心率明顯有所增高，這就證明了呼吸的變化能影響心率的變化，呼吸與心率在運(yùn)動(dòng)后呈現(xiàn)正相關(guān)的規(guī)律。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

心率檢測(cè)儀器是一種常用的醫(yī)學(xué)檢測(cè)設(shè)備，準(zhǔn)確、有效的心率測(cè)量在監(jiān)控臨床治療技術(shù)等體育競(jìng)賽等方面都有廣泛的應(yīng)用。但是在現(xiàn)實(shí)生活中，這種可以直接測(cè)量心率的設(shè)備并不常見(jiàn)，并且在非常老的城市和小型醫(yī)院中都使用原先的那種聽(tīng)診器，極大地影響了效率和治療時(shí)間。更何況，當(dāng)今很多獨(dú)居老人，并不方便使用老式心率檢測(cè)儀，智能的心率監(jiān)測(cè)儀器更是必不可少。

[參考文獻(xiàn)]

[1]邵云龍，陳越.淺析智能傳感器技術(shù)[J].科協(xié)論壇，2011（7）：22-25.

[2]徐作華.淺談智能傳感器的典型應(yīng)用[J].科技資訊，2012（29）：44-45.

[3]梁威主.智能傳感器與信息系統(tǒng)[M]北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

（編輯 傅金睿）