數(shù)字人體心率檢測儀的設(shè)計

0 引言

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

1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)組成如圖1所示，本設(shè)計以單片機(jī)為主控信號，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)開機(jī)時通過鍵盤設(shè)定系統(tǒng)的工作方式，然后，將壓電陶瓷片檢測到人體心跳信號經(jīng)過放大、濾波及整形處理后輸入給單片機(jī)，單片機(jī)對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，送顯示電路顯示，同時通過通信電路將測量數(shù)據(jù)上傳PC機(jī)，記憶電路主要用來存儲測量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)掉電存儲功能，聲光報警電路在測量數(shù)據(jù)超過正常范圍（如大于180次/min或小于45次/min）時進(jìn)行報警以提醒醫(yī)生注意。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 傳感器及信號處理電路

傳感器及信號處理電路如圖2所示。

檢測心率脈沖信號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）；將采集到的心率信號經(jīng)過由CD4069的3個非門組成3級放大電路進(jìn)行放大，然后通過由R4、R5、C5及R7、R8、C6構(gòu)成的2級梯形濾波電路進(jìn)行濾波處理，即可獲得人體心率范圍的信號（約在0.66Hz- 3.33Hz之間）；再通過由二極管D1、D2和R6構(gòu)成的檢測電路以及由U1F、U1D、U1E這3個非門構(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。

2.2 鍵盤電路

鍵盤電路如圖3所示。

因為I/O夠用，所以4個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依次分別完成開始測量、查詢、存測量結(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P1.0和P1.3給2 片74LS373提供片選信號，從而實現(xiàn)分時選擇2片74LS373工作，分別傳送段碼和位碼。圖中6個數(shù)碼管，前3個用來顯示被測人的序號，后3個用來顯示每分鐘心跳次數(shù)；ULN2803是8反相驅(qū)動器，作為位增強(qiáng)驅(qū)動器。

2.4 記憶存儲電路

記憶存儲電路見圖5。存儲芯片采用AT24C02。SDA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，SCL為串行同步時鐘輸入端；A0、A1及A2是片選信號輸入端，TEST引腳是寫保護(hù)，接地時表示不保護(hù)，測量完心率數(shù)據(jù)后想要保存時就按一下存儲按鍵K3，單片機(jī)就通過P2.1給AT24C02提供合適的時鐘，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)一個應(yīng)答信號，此外，在讀寫數(shù)據(jù)前后要加開始和停止位。

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)所能識別的電平，再通過一個標(biāo)準(zhǔn)的9針接口與PC機(jī)連接，外圍電路豐富簡單，只需要5個0.1μF的電容器，具體電路如圖6所示。

2.6 聲光報警電路

聲光報警電路見圖7。由與非門74F00構(gòu)成2級門控振蕩器。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)測量數(shù)據(jù)在報警范圍內(nèi)時由單片機(jī)的P1.6提供一個高電平電路才起振，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時第2級振蕩器才起振，通過達(dá)林頓管Q2、輸出變壓器T驅(qū)動揚(yáng)聲器BL發(fā)出斷續(xù)的"嘀、嘀…… "報警聲。

3 軟件的設(shè)計

系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。

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

4 結(jié)束語

通過實際設(shè)計制作，并與市場現(xiàn)有心率檢測儀相對比，結(jié)果表明本設(shè)計具有體積小、重量輕、成本低、使用方便、測量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，有較好的應(yīng)用前景。