基于红外技术的简易心率计的设计

雷文礼　袁君丽　任新成

摘 要：心脑血管疾病是人类健康的直接威胁者，简单有效地监测心率是降低人类心脑血管疾病发病率的迫切需求。文章基于红外技术设计了一种简易心率计，该心率计采用红外对管发射和接收红外信号，采集人体的心率信号，并经过主控芯片对信号进行处理，计算出人体的心率值。该心率计具有使用简单方便，抗干扰能力强，成本低等优点，可为心脑血管疾病的预防和监测提供有效手段。

关键词：红外；心率；采集；信号

中图分类号：TP368.1；TP273.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）10-00-02

0 引 言

现代社会中，人们对家人和自己的身体健康状况尤为重视， 心脑血管疾病作为一种发病率高、致死率高的疾病直接威胁着人们的生命安全。目前，用于心脑血管疾病监测的仪器仪表不断涌现，但大多操作复杂，主要用于医院环境。因此，人们迫切需要一种使用简单方便，可用于家庭或社区环境的心脑血管疾病监测设备。本文基于红外技术设计了一种简易心率计。该心率计采用红外对管发射和接收红外信号，采集人体的心率信号，并经过主控芯片对信号进行处理，计算出人体的心率值。该心率计具有使用简单方便，抗干扰能力强，成本低等优点，可为心脑血管疾病的预防和监测提供有效手段。

1 红外技术

红外技术是一种视距无线通信技术，具有非接触式、抗干扰能力强、工作功耗低利、数据通信可靠等优点。红外光电式检测方法测量心率，是利用光信号对血液流动的透射率或反射率不同，将光信号变换成电信号进而进行测量的方法。一般对光信号的采集有两种方法，一种是对射式采集，即在对人体如手指测量时，在手指两侧各放一个光电二极管，一个用于发射信号，一个用于接收信号。当通过手指的血流量变化时，光信号的透射率发生变化，光电接收管中的电流量也将发生变化，从而测量心率值；另一种是反射式采集，即用于发射信号和接收信号的光电二极管都朝向一端，利用血流变化时，光的反射率发生变化，从而利用光电管中的电流量的变化来测量心率值。本文选用第一种方法来实现。整个系统的信息处理工作流程如图1所示。

图1 信号检测处理工作流程图

2 硬件设计

2.1 主控芯片选择

心率计的主控芯片是整个系统的核心，负责数据信号的处理和系统的协调运行。考虑到成本、可靠性、简易性等问题，这里选用AT89S52来作为主控芯片。AT89S52是一种8位、低功耗的微控制器，其自带8 KB可编程Flash存储器，32个可编程I/O口线，3个16位定时器，8个中断源，具有全双工UART串行通道，低功耗空闲和掉电模式，非常适合作为心率计的主控芯片。其芯片引脚如图2所示

图2 AT89S52引脚图

2.2 信号采集电路

红外线发射管在使用时，有850 nm、875 nm、940nm三个波段。各波段由于波长不同，适用环境也各有不同。850nm波段在安防监控设备中使用较多，875 nm波段在红外监控中有较多应用，940 nm波段主要用于家电设备红外控制等。本文设计的心率计采用一对5 mm的红外对管，另加外围少量电子器件组成信号采集电路。信号采集电路如图3所示。图中D1与D3为红外对管，负责红外信号的发射与接收。电阻R7和电容C5构成低通滤波电路，主要用于去除高频干扰。

图3 信号采集电路

2.3 显示模块

心率计的数值显示选用液晶显示模块。这里经比较，选用LCD1602液晶显示模块，LCD1602内部存储器已内置了160个不同的点阵字符图形，使用简单方便，每次可显示两行，每行16个字符，可以满足本设计的心率计显示的需要，LCD1602与单片机的接口电路如图4所示。

图4 LCD1602与单片机接口电路

3 软件设计

系统上电后，首先完成初始化程序，以初始化部分硬件芯片，确定中断地址和程序入口。然后，液晶显示屏显示全零，表示没有信号进入；其次，程序定时100 ms，进入等待中断过程，并累加中断次数；最后，根据n= K/t（n表示时间t 内心率的平均值，K表示时间t内连续的脉动次数）计算心率值，并在液晶显示屏显示数值。整个程序流程如图5所示。

图5 程序流程图

4 结 语

无线技术和电子技术的发展，使人们对疾病的监测手段不断更新和发展。本文基于红外技术设计了一种简易心率计，该心率计采用红外对管发射和接收红外信号，采集人体的心率信号，并经过主控芯片对信号进行处理，从而计算出人体的心率值。该心率计具有使用简单方便，抗干扰能力强，成本低等优点，可为心脑血管疾病的预防和监测提供有效手段。

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