电 子 技 术毕业设计_智能人体心率检测装置的设计

智能人体心率检测装置的设计

摘 要：介绍一种以AT89C2051为控 制核心的智能人体心率检测装置的设计方法。利
用光电传感器采集人体脉搏信号，经过前置级放大、滤波 、积分比较等信号处理电路，将其
转换成脉冲电压信号，再利用单片机对脉冲信号进行处理计算出心率并 显示。由于传感器信
号十分微弱，其幅度一般在微伏到毫伏的数量级范围，且夹杂着各种噪声和干扰，因 此要求
前置级放大电路具有高增益、高共模抑制比等技术指标。实验结果表明，系统硬件、软件设
计方案合理，实现了微小信号放大、显示及报警功能。具有测量灵敏度高、实时性好、性价
比高等优点 。
关键词：心率；光电转换；前置级放大；噪声分析

0 引 言
心率是人体中一个非常重要的生命信息，而传统的脉诊由于其定性化和主观性影响了心
率测试的精度，成 为中医脉诊应用、发展和交流中的制约因素。为了提高对此类生物医学信
号的测试精度，必须结合现代科 学技术。目前用于检测心率的仪器很多，常见的有基于压力
传感器、光电传感器、电容传感器和电声传感 器等类型的测试装置，但是对脉搏测试部位的
选择没有太大区别，对于能在指端进行脉搏精确测量的仪器 还是比较少。这里介绍的智能人
体心率检测装置可以实现人体指端的无创测量，测试过程简单，能精确测 量出心跳次数，实
现数据显示和上、下限报警功能。

1 装置组成及工作原理
系统组成如图1所示。此设计以单片机AT89C2051为核心，由光电传感器采集脉搏信号 ，
经过前置放大电路、滤波电路、积分和比较电路后得到与脉搏相关的脉冲信号，该脉冲信号
作 为中断信号交由单片机进行脉冲周期的计算。然后得出每分钟的脉搏搏动次数(即心率)，
并在数码管上 显示心率，同时利用软件实现上下限报警功能，在测量数据超过正常范围(如
大于180次／min或小 于45次／min)时进行报警以提醒医生注意。

2 装置硬件电路设计
2．1 传感器及信号处理电路
由于在人体指尖组织中的动脉成分含量高，而且指尖厚度相对其他人体 组织而言比较薄，
透过手指后检测到．的光强相对较大，因此光电式脉搏传感器的测量部位在人体指尖。 将一
对红外发射与接收探头置于手指两侧，当动脉血管随心脏周期性的收缩和舒张，动脉血管的
血液容积随之发生变化时，红外接收探头便接收到随心脏周期性地收缩和舒张的动脉搏动光
脉冲信号，从 而采集到心脏搏动信号。

检测心率的传感器采用红外对管HRl068C一0 5Y2和PT331C。由于从人体手指采集到
的生理信号十分微弱，其幅度一般在微伏到毫伏的数量级 范围，而且在测试过程中由于肢体
动作以及较强的工频干扰而产生大量的噪声。同时要将采集到的脉搏信 号经过前置级放大电
路进行高倍放大，这就要求电路具有高增益和高共模抑制比，至少在80 dB以上 ，即集成
运放要有很高的共模抑制比和极低的零漂等，所选的电阻参数要尽量精确。放大电路由电阻网络和OP07组成，传感器及前置放大电路如图2所示。

由于内外噪声及50 Hz工频干扰等因素，即使电路具有很高的共模抑制比，但是脉
搏信号非常微弱， 淹没在于扰信号中，由于脉搏信号主峰频率在1 Hz左右，能量较强的分
量也在20 Hz以下，所以设计低通滤波器的上限截止频率为40 Hz。对于工频干扰，采用
对称性双T阻容有源 陷波器对其专门滤除。再通过积分、比较电路整形之后便可以得到单
片机所需要的标准的0～5 V脉冲信号。滤波、陷波电路及积分比较电路如图3所示。

2．2 单片机控制及显示电路
单片机控制及显示电路如图4所示。采用动态显示方式，利用单片机的P1口的P1.0～

P1.6作为数码管七段码的输入。利用P3.0,P3.1,P3.2,P3.3作为4只 数码管的选中信号(见图
4)。从光电传感器输出的心率脉冲作为中断信号直接接到单片机89C205 1的9脚(即T1端)。
由T0定时，T1计数。P1.7输出心率的上、下限报警信号，经二极管驱动 报警器报警。当
心率低于下限45次／min时报警发出长音报警。当心率高于上限180次／min时 报警器发
出短音报警。

3 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
89C2051单片机内部的41H，42H ，43H，44H单元内。采用动态扫描，每隔5 ms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。

4 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DFl405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。

5 结 语
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。