一种基于单片机的红外脉搏计

陈文明

摘要：本文从毛细血管的容积随人体脉搏规律变化的生理现象出发，提出一种基于单片机的红外脉搏计设计方案。该方案运用红外传感器提取血管容积变化信息，通过信号放大电路，将微弱的容积变化信号转变为容易判别的数字脉冲，通过stc89c52单片机的处理，最终计算出人体的脉搏频率。文中对影响计数准确性的噪声产生的原因进行了分析，给出了减小干扰的几点改进方法。

关键词：脉搏计数 单片机 红外传感器

中图分类号：TH776 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）08-0015-02

脉搏是心脑血管健康状况的重要指标。脉搏的采集方法从简单的用手指感受，到使用复杂设备的提取[1]，从基本原理上分为以下几种：光电容积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。相比较而言，光电检测技术能够有效避开电磁干扰，具有良好的稳定性，而且不会对被检测者产生任何伤害，能够做到非入侵的检测病人的各种信息[2]。目前缺少一种便携的低成本高准确度和灵敏度的采用光电检测技术的脉搏传感器，基于这样的市场需要，展开设计。

1 设计思路

1.1 脉搏的提取

采用光电检测技术，意在将脉搏的生物信号转变为光脉冲信号，后将光脉冲信号转变为电信号从而方便处理。血液的蛋白质成分主要分为血红蛋白和氧合血红蛋白，血红蛋白和氧合血红蛋白对红外线吸收相对较弱，因此在血液中红外线更容易传播。用红外线照射毛细血管，随着脉搏的起伏，血管中血红蛋白和氧合血红蛋白的数量在不断变化，因此透射出来的红外光线的强度也会不断变化，形成光脉冲。采用光敏元件将光脉冲转换为变化的电流信号，即完成了对脉搏生物信号的提取。

1.2 电信号处理

由于透射的红外线相对微弱，变化也不明显，因此电脉冲较为微弱，为了便于处理，需要进行放大和整形。将正弦形式的信号放大整形为方波形式。之后将该信号送入单片机中进行处理。得出数据并最终在液晶屏上显示。

2 系统的硬件电路

硬件电路由信号采集电路，信号放大电路，信号处理电路和显示电路四个部分组成。四部分流程图如下图1所示。

2.1 信号采集电路

信号采集电路的作用就是提取脉搏信号。我们采用成本低，电路易实现，同时功耗低灵敏度高的F5红外对管作为传感器。

测量脉搏时红外对管的使用方法目前主要有透射式和反射式两种，经调研和实验，得出反射式可测信息较多可以准确测出容积的变化，缺点是对电路的要求高，需要更高的灵敏度，实现成本高，难度大。而透射式设计简单，易实现，虽然反映信息较少，但是可以准确反映手指血液容积的变化，满足我们的设计需求。因此采用透射式结构。

电路图如下图2所示。

D2是红外发射管，流经电流越大，发射红外线强度越大，红外线发射角度越小，找到合适的电流值应该根据不同的需要而定，经测试R7使用360Ω的电阻可以达到较好的采集效果。如果R7过大，将导致红外接收二极管（D3）接收到的红外线微弱，无法区别透射过来的红外线携带的脉搏信号。反之，R7过小，透射的红外线强度高，导致变化的脉搏信号变化相对幅度减小，线红外接收二极管无法正常判断。采用电容C8隔断直流分量是为了避免当手指突然离开红外传感器或检测环境干扰光线较强时，输入端的直流电压出现剧烈变化，而对下级电路产生不良的影响。

2.2 信号放大整形电路

采集到的微弱的正弦信号需要进行放大整流后变为方波信号供处理电路处理。该部分电路如下图3所示。

该部分电路选LM358，包括两个运算放大器。

第一级为闭环应用，放大倍数为：

理论上放大倍数Av可达无穷。实际操作中调节变阻器R6使放大效果达到最好。C6是运放输入补偿电容，防止上限频率因R5的增大而降低，并消除因寄生电容产生的输出电压相位的滞后。

第二级为开环应用，Vcc设定为5V因此当输入电压高于2.5V时输出高电平，电压低于2.5V时输出低电平。供下级电路处理。

2.3 信号处理及显示电路

信号经过处理后输入该部分电路，经过处理后通过液晶屏显示，因为处理难度不大，对处理芯片的要求不高。本设计使用较为常见且低价的STC89C52单片机作为处理芯片。显示部分使用1602液晶屏。电路流程如下图4所示。

2.4 噪声处理

实际使用过程中，上述电路设计方法虽然能够得到想要的结果，但是测量的精度有待进一步提高，信号采集部分电路有待完善。由于人的脉搏基本处于50次/分钟到200次/分钟的范围内，所以频率区间为0.78～3.33Hz，属于低频。因此在信号采集时可以通过添加高频滤波来有效降低高频干扰。

信号首先经过R2，C3滤除高频干扰，后由C1，C2耦合到线性放大器输入端，集成运放741和R5，C4构成了低通滤波器。截至频率为：1/（2πR5C4）≈3.39Hz。

3 系统的软件实现

该设计软件部分主要有四个核心：液晶屏1602的控制、单片机中断的控制、测量上下限的设置以及心率的计算。

1602液晶屏的控制按照器件说明书设计。单片机中断的初始化在主函数中进行，中断的开启和关闭配合测量上下限的设置进行调整。

在主函数中首先设置定时器中断触发时间为50ms，开启外部中断，但此时并不开启定时器中断。当接收到电平跳变的信号时，外部中断被触发，此时打开定时器中断。

使用一个计数器，每次定时器中断触发计数器加一。在外部中断中添加判断，只有当该计数器大于6时才进行计算，小于6时此次中断忽略。即当且仅当两次外部中断的触发时间间隔大于300ms（50×6）才会被记录。记录两次触发的时间间隔作为一次脉搏间隔。可以算出测量的上限脉搏为200次/分钟（60000ms÷300ms）。在定时器中断函数中添加判断，当计数器的值大于25时所有参数清零，并关闭显示。也就是时间间隔大于1250ms视为无脉搏关闭测量和显示。可以算出测量的下限为48次/分钟。

连续测量到六次脉搏间隔，求期望后换算为一分钟的脉搏显示出来。假设心率为80次/分钟，那么从开始测量到显示所需的时间为4.5秒，测量速度快。

4 抗干扰措施及方法

设计初步成型后存在显示数据跳动较大的问题，经分析主要有以下原因：

4.1 测量次数脉搏传感器测量的影响

从程序说明中可以看到我们的测量持续时间大概为4.5秒左右，持续时间短，从统计角度看不确定性大，因此测量结果跳变较大。可以适当的增加测量次数，依据不同的应用环境，改变程序的参数，进而得到符合使用条件的数据。

4.2 环境光对脉搏传感器测量的影响

在光电式脉搏传感器中，光敏器件接收到的光信号不仅包含带有所需脉搏信息的透射过手指的光的信号，而且包含测量环境中的背景光信号，对脉搏的测量产生了干扰，因此测量过程中要保持测量背景光的稳定，并尽量减少背景光的照射，从而减少背景光的干扰[3]。测量环境下的背景光由两部分组成，分别是环境光和在测量过程中引起的二次反射光。

降低环境光对脉搏信号的影响可以采用指套式的包装。指套采用不透光的介质。另外为了减少二次反射光的影响，可以在指套内部表面涂上一层吸光物质，吸收照射到表面的光线。

4.3 测量过程中运动噪声的影响

在实际应用中，可以通过以下两个简单的方法有效的减少运动噪声：一是提高指套式传感器的机械稳定性；二是从软件的角度入手，通过改进算法来减小误差。

5 结语

此设计实现简单，成本低廉，性价比较高，可快速测量脉搏，稳定性好误差小，维修简单。成品体积小，可以用于医院和家庭，有广泛的市场前景。

参考文献

[1]于贺辉.基于USB2.0接口的新型脉搏波检测系统设计[D].电子科技大学，2008.

[2]白国政.基于STC89C52便携脉搏测量仪的研制[J].信息技术，2014，08期：158-162. DOI：doi：10.3969/j.issn.1009-2552.2014.08.043.

[3]戴君伟，王博亮.光电脉搏传感器的研制和噪声分析[J].现代电子技术，2006，02期：78-80.DOI：doi：doi：10.3969/j.issn.1004-373X.2006.02.031.