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06-17
简介 以前，人们测量脉搏常用的方法是使用听诊器测量脉搏，或者使用诸如此类的老式测量方法。
作为附着在人体上的电极。
这些方法无疑都不适合户外使用。
这款心率监测器在设计时就考虑到了这一点。
它利用红外线来检测和采集人体的脉搏。
检测部位为被检测人的任意手指或耳垂。
检测的基本原理是：随着心脏跳动，人体组织的半透明度发生变化。
当血液输送到人体组织时，组织的半透明度会降低；当血液流回心脏时，组织的半透明度会增加。
这种现象在指尖、耳垂等人体组织较薄的部位最为明显。
因此，这种心率计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的上述部位，利用安装在该部位另一侧或旁边的红外光电管来检测人体的透明度。
身体组织并将其转换为电信号。
由于该信号的频率与人体每分钟的脉搏数成正比，因此只要将其转换为脉冲，然后整形、计数、显示，就可以达到实时检测脉搏数的目的。
。
硬件电路设计 作者设计的这款便携式微控制器控制液晶显示心率计。
整体硬件电路如图1所示，可分为两大电路部分，即心率采集处理电路和单片机控制与显示部分。
图1 心率采集处理电路 心率采集处理电路如图2所示，这部分电路主要由三个主电路模块组成：脉频红外检测采集电路模块、信号抗干扰电路模块、信号整形电路模块。
其中，红外发射管D1和红外接收管Q1组成红外检测采集电路； R2与C1、C2与C3、R4与C4与IC1a共同组成信号抗干扰电路组，分别负责信号的低通滤波。
、光电隔离干扰光、滤除残余高频干扰等任务。
另外，IC1b、C5、R10、IC1c共同组成信号整形电路模块。
图2 心率采集处理电路的基本流程如下： 首先，红外检测采集电路中的D1发射红外线，而Q1接收相应组织的半透明，同时将其转换为电信号。
由于脉冲一般在50次/分钟之间，对应的频率范围在0.78Hz至3.33Hz之间，因此通过红外检测采集并转换的电信号的频率很低。
为了防止信号因外界高频信号干扰而造成错误的检测结果，首先必须对信号进行低通滤波，滤除大部分高频干扰。
电路中使用R2和C1来完成滤除高频干扰的任务。
那么，由于这款心率监测器是设计用于户外的，所以难免会遇到强光辐射。
为了避免接收正常脉冲红外线时受到强光干扰，电路设计采用C2、C3背靠背串联组成的双极性耦合电容，构成简单的光电隔离电路，从而实现干扰光的隔离。
另外，为了防止前面对高频干扰的滤除不充分，还设计了由IC1a、R4、C4组成的截止频率为10Hz左右的低通滤波电路，并连接到电路中，进一步滤除干扰。
信号被放大大约两倍。
经过前面的处理得到的信号是叠加了噪声的脉冲正弦波。
接下来，必须对该信号进行整形。
首先，通过比较器IC1b将正弦波转换为方波。
R8可用于在正弦波的幅度范围内设置比较器的阈值。
接下来，IC1b的7脚输出的方波信号经C5、R10组成的差分电路差分处理后，成为正负尖峰脉冲。
为了稳定脉冲的输出，电路设计将此脉冲输入到单稳态多谐振荡器IC1c的反相输入端，并以IC1c的输出作为后极操作的实际脉冲。
IC1c工作时，每当有输入信号时，当输入信号的后沿到来时，它会输出高电平，从而通过R11对C6充电。
约20ms后，由于C3充电电流的减小，IC1c同相输入端电位下降。
当该电位低于反相输入端电位时（尖峰已经过去较长时间），IC1c将改变状态并再次输出低电平。
。
这个20ms的脉冲时间与脉冲同步。
该脉冲对应电路工作时红色发光二极管D3的闪烁。
经过IC1c后的脉冲就是后续单片机控制电路所需的实际脉冲。
通过R12发送到单片机的P3.3引脚后，即可实现后续的计数和显示。
IC1a、IC1b、IC1c工作所需的4.5V电源电压是由电路中的9V电压经R14、R15分压得到，并经IC1d缓冲。
这样的设置使得即使电池电压降至6V电路也能正常工作。
单片机控制电路 单片机控制电路如图3所示。
这部分电路主要由AT89C单片机、SMCA液晶显示芯片、12MHz晶振电路和复位电路组成。
该电路主要完成对前面采集处理得到的脉冲进行计数和显示的任务。
采集处理后得到的脉冲信号通过P3.3引脚输入到单片机。
微控制器设置为负跳变中断触发模式。
因此，每次脉冲下降沿到来时，单片机都会被触发并产生中断进行计时；当下一个脉冲的下降沿到来时，微控制器会计算两个脉冲之间的时间间隔，计算的结果就是心率。
这个结果值会通过P1口发送到SMCA液晶显示芯片的数据口，然后显示出来。
显示心率值后，单片机会将心率值与正常人体脉搏范围80~进行比较。
如果 X 值 80 ≤ LCD 芯片将显示“A Little Bad!”表明受试者的心率异常。
另外，为了提示用户及时观察心率值的显示，电路中还设置了提示声音装置。
即每次有脉冲到来时，与单片机P3.7引脚相连的蜂鸣器SP就会发出提示声。
这样，当用户第二次听到该提示时，表明1分钟脉搏计数显示已经完成。
。
这样，结合之前的心率采集处理电路中为每个脉搏设置的照明和闪烁装置，该心率计在使用时可以通过声光结合的方式形象地显示脉搏的速度。
另外，本心率计设计的有效测量显示范围为50次/分钟~次/分钟。
为了避免可能的干扰的影响，微控制器检测两个脉冲之间的时间间隔。
如果发现干扰，即次数不在设定的有效测量显示范围内，则干扰将被忽略，不显示。
这进一步降低了心率计在实际使用过程中出现错误的可能性。
元件选择 电路中的单片机采用AT89C单片机。
LCD芯片采用SMCA。
电路中所用的运算放大器IC1为常用的四运算放大器LM。
其四个通道分别分配给IC1a、IC1b、IC1c和IC1d。
本心率计的供电电源为7~9V直流电源，可以通过电池供电，也可以通过AC-DC转换获得。
正常工作时的工作电流为mA。
设计中使用的提示声音装置是普通蜂鸣器，也可以用8Ω微型扬声器代替。
此外，微控制器采用12MHz晶体振荡器。
如果使用其他频率的晶振，则需要在软件设计中进行相应的修改。
使用前安装时，可将红外发射管D1和红外接收管Q1分别连接到夹子两端。
将剩余的电路板和其他组件安装在一个小盒子中。
为了便于携带，在电路安装完毕后，应在小盒子的外部粘合一个可以连接皮带的装置。
为了使用时方便按键和观察，复位按钮K1、红色发光二极管D3、蜂鸣器SP以及液晶显示芯片的显示窗口都必须在盒体上有相应的放置位置。
同时，应在LCD窗口上添加保护芯片，以避免户外测量时损坏。
实际使用时，首先将图1中红外发射管D1和红外接收管Q1组成的检测夹装置夹在被测人的任意检测手指上，然后接通电源。
如果您看到红色 LED 闪烁，则表示心率计工作正常。
此时，为了保证观察的准确性，可以按复位键K1使系统复位，然后重新开始测量和计数显示。
注意，听到蜂鸣器响两声后，观察到的第一个结果是被测试者的心率，然后有英文提示表明心率是否正常。
如果显示“非常好！”，则说明受试者心率正常；如果显示“有点糟糕！”，则表示受试者的心率不正常。
软件设计 本心率监测器的软件设计语言为汇编语言。
主程序流程图如图4~图7所示。
其中，图4为主程序流程图，图5为定时器中断子程序流程图，图6为INT1外部中断子程序流程图，图7是显示部分的子程序流程图。
结论 本文设计的新型便携式心率计设计方法相对简单易行，所使用的元器件也比较通用。
总体而言，它具有体积小、抗干扰能力强、使用方便、易于观察、携带方便等诸多优点。
因此，这款心率计将非常适合在运动训练和户外工作中使用。
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