基于單片機(jī)和傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)字人體心率檢測(cè)儀的應(yīng)用方案

作者：范紅剛 ， 馮成 ， 胡建國(guó)

目前檢測(cè)心率的儀器雖然很多，但是能實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量、數(shù)據(jù)上傳PC機(jī)并且具有聲光報(bào)警等多種功能的便攜式全數(shù)字心率測(cè)量裝置很少。本文介紹的數(shù)字人體心率檢測(cè)儀可以在人體的手、腕、臂等部位均能準(zhǔn)確測(cè)量出心跳次數(shù)，同時(shí)還具有掉電存儲(chǔ)、測(cè)量數(shù)據(jù)上傳PC機(jī)及聲光報(bào)警等多項(xiàng)功能。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)組成如圖1所示，本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為主控信號(hào)，外輔少量硬件電路，完成數(shù)據(jù)處理、記憶、顯示、通信等功能。

首先，在系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定系統(tǒng)的工作方式，然后，將壓電陶瓷片檢測(cè)到人體心跳信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波及整形處理后輸入給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，送顯示電路顯示，同時(shí)通過(guò)通信電路將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳PC機(jī)，記憶電路主要用來(lái)存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)掉電存儲(chǔ)功能，聲光報(bào)警電路在測(cè)量數(shù)據(jù)超過(guò)正常范圍（如大于180次/min或小于45次/min）時(shí)進(jìn)行報(bào)警以提醒醫(yī)生注意。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器及信號(hào)處理電路

傳感器及信號(hào)處理電路如圖2所示。

檢測(cè)心率脈沖信號(hào)的傳感器采用壓電陶瓷（在壓電陶瓷片上安裝一海面墊以傳遞脈沖信號(hào)）；將采集到的心率信號(hào)經(jīng)過(guò)由CD4069的3個(gè)非門(mén)組成3級(jí)放大電路進(jìn)行放大，然后通過(guò)由R4、R5、C5及R7、R8、C6構(gòu)成的2級(jí)梯形濾波電路進(jìn)行濾波處理，即可獲得人體心率范圍的信號(hào)（約在0.66Hz-3.33Hz之間）；再通過(guò)由二極管D1、D2和R6構(gòu)成的檢測(cè)電路以及由U1F、U1D、U1E這3個(gè)非門(mén)構(gòu)成的整形電路處理后，就可得到單片機(jī)所需要的標(biāo)準(zhǔn)的0-5V脈沖信號(hào)。

2.2 鍵盤(pán)電路

鍵盤(pán)電路如圖3所示。

因?yàn)镮/O夠用，所以4個(gè)按鍵分別接到單片機(jī)的P1.2、P1.3、P1.4、P1.5上，采用查詢方式進(jìn)行工作，K1、K2、K3及K4依次分別完成開(kāi)始測(cè)量、查詢、存測(cè)量結(jié)構(gòu)及清除記憶數(shù)據(jù)等操作。

2.3 顯示電路

顯示電路如圖4所示，采用動(dòng)態(tài)顯示方式，圖中2片74LS373的數(shù)據(jù)輸入端均接在89C51單片機(jī)的P0口上，單片機(jī)通過(guò)P1.0和P1.3給2片74LS373提供片選信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)分時(shí)選擇2片74LS373工作，分別傳送段碼和位碼。圖中6個(gè)數(shù)碼管，前3個(gè)用來(lái)顯示被測(cè)人的序號(hào)，后3個(gè)用來(lái)顯示每分鐘心跳次數(shù)；ULN2803是8反相驅(qū)動(dòng)器，作為位增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)器。

2.4 記憶存儲(chǔ)電路

記憶存儲(chǔ)電路見(jiàn)圖5。存儲(chǔ)芯片采用AT24C02。SDA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，SCL為串行同步時(shí)鐘輸入端；A0、A1及A2是片選信號(hào)輸入端，TEST引腳是寫(xiě)保護(hù)，接地時(shí)表示不保護(hù)，測(cè)量完心率數(shù)據(jù)后想要保存時(shí)就按一下存儲(chǔ)按鍵K3，單片機(jī)就通過(guò)P2.1給AT24C02提供合適的時(shí)鐘，然后將數(shù)據(jù)存入指定地址。當(dāng)然，控制字、地址和數(shù)據(jù)是分3次輸入的，并且在每段之間要求AT24C02提供給單片機(jī)一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，此外，在讀寫(xiě)數(shù)據(jù)前后要加開(kāi)始和停止位。

2.5 通信電路

通信電路的功能是將單片機(jī)測(cè)量的心率數(shù)據(jù)上傳PC機(jī)。本電路采用一片MAX232芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換成PC機(jī)所能識(shí)別的電平，再通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的9針接口與PC機(jī)連接，外圍電路豐富簡(jiǎn)單，只需要5個(gè)0.1μF的電容器，具體電路如圖6所示。

2.6 聲光報(bào)警電路

聲光報(bào)警電路見(jiàn)圖7。由與非門(mén)74F00構(gòu)成2級(jí)門(mén)控振蕩器。其中，U6A和U6B組成低頻振蕩器，振蕩頻率約1Hz，R5為下拉電阻，常態(tài)下使Uc=0V。僅當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)在報(bào)警范圍內(nèi)時(shí)由單片機(jī)的P1.6提供一個(gè)高電平電路才起振，B0端交替輸出的高、低電平經(jīng)Q1，使發(fā)光二極管閃爍發(fā)光，U6C和U6D組成音頻振蕩器，振蕩頻率約1KHz，僅當(dāng)B0=1時(shí)第2級(jí)振蕩器才起振，通過(guò)達(dá)林頓管Q2、輸出變壓器T驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器BL發(fā)出斷續(xù)的“嘀、嘀……”報(bào)警聲。

3 軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。

主要有顯示驅(qū)動(dòng)程序、按鍵處理程序、INT0中斷服務(wù)程序、AT24C02驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)程序、串口通信程序等。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)制作，并與市場(chǎng)現(xiàn)有心率檢測(cè)儀相對(duì)比，結(jié)果表明本設(shè)計(jì)具有體積小、重量輕、成本低、使用方便、測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，有較好的應(yīng)用前景。

責(zé)任編輯：gt