便攜式單片機控制液晶顯示型心率計

1、便攜式單片機控制液晶顯示型心率計引言過去人們丈量脈搏時常用的方法是使用丈量脈搏的聽診器，或者使用吸附在人體上的電極等老式丈量方法，這些方法無疑都未便于室外場合使用。本心率計在設計時就充分考慮到了這一點。它接納紅外線來進行檢測收羅人體的脈搏，檢測的部位為被檢測人的任意一個手指或者是耳垂。檢測的基來源根基理是：隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變。當血液送到人體組織時，組織的半透明度減小；當血液流回心臟，組織的半透明度增大。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。因此，本心率計將紅外發(fā)光二極管孕育發(fā)生的紅外線照射到人體的上述部位，并用裝在該部位另一側(cè)或旁邊的紅外光電管來檢測機體組織

2、的透明水平并把它轉(zhuǎn)換成電信號。由于此信號的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比，故只要把它轉(zhuǎn)換成脈沖并進行整形、計數(shù)和顯示，就能實現(xiàn)實時檢測脈搏次數(shù)的目的。硬件電路設計筆者設計的這款便攜式單片機控制液晶顯示型心率計，硬件整體電路如圖1所示。它可 分為兩個大的電路組成部分，即心率收羅處理電路和單片機控制顯示部分。心率收羅處理電路心率收羅處理電路如圖2所示。該部分電路主要由脈搏次數(shù)紅外檢測收羅電路模塊、信號抗干擾電路模塊、信號整形電路模塊等三個主要的電路模塊組成。其中，紅外線發(fā)射管D1和紅外線接收管Q1組成了紅外檢測收羅電路；R2與C1、C2與C3、R4與C4和IC1a 共同構成了信號抗干擾電路組，它

3、們分別負擔了對信號的低通濾波、干擾光芒的光電隔離、渣滓高頻干擾的濾除等任務。另外，IC1b 、C5與R10、IC1c 則共同組成了信號整形電路模塊。 心率收羅處理電路工作的基本過程如下：首先，紅外檢測收羅電路中D1發(fā)射紅外線，而Q1則接收相應組織的半透明度，同時轉(zhuǎn)換為電信號。由于脈搏一般在50次/分200次/分之間，對應的頻率范圍在0.78Hz3.33Hz之間，因此經(jīng)紅外檢測收羅到并轉(zhuǎn)換得到的電信號頻率就非常低。為了防止信號因外界高頻信號干擾而使檢測結(jié)果有誤，信號就必須先進行低通濾波，以便濾出絕大部分的高頻干擾。電路中接納R2和C1來完成濾除高頻干擾的任務。然后，由于本心率計設計的適用場合為室

4、外，因此它一定會遇到強光輻射的情況。為了制止在接收正常脈搏紅外線時受到強光的干擾，電路中設計使用C2、C3背靠背串聯(lián)組成的雙極性耦合電容構成一個簡樸的光電隔離電路，從而實現(xiàn)了對于干擾光芒的隔離。此外，為了防止前面對于高頻干擾濾除的不敷徹底，電路中還設計連接了由IC1a 、R4、C4組成的截止頻率為10Hz 左右的低通濾波器電路，以便進一步濾除干擾，同時將前面的信號放大200倍左右。經(jīng)前面處理得到的信號為疊加有噪聲的脈沖正弦波，接下來必須對這個信號經(jīng)過整形。先是通過比較器IC1b 將正弦波轉(zhuǎn)換成方波。利用R8可以實現(xiàn)將比較器的閾值調(diào)定在正弦波的幅值范圍之內(nèi)的目的。接下來，從IC1b 的7引腳輸出

5、的方波信號經(jīng)C5、R10構成的微分電路，進行微分處理后將成為正負相間的尖脈沖。為了穩(wěn)定脈沖的輸出，電路設計時是將此脈沖輸入到單穩(wěn)多諧振蕩器IC1c 的反相輸入端，并利用IC1c 的輸出來作為后極工作的實際使用脈沖。IC1c 在工作時，凡有輸入信號時，它會在輸入信號后沿到來時輸出高電平，從而使C6通過R11充電。大約連續(xù)20ms 之后，IC1c 同相輸入端的電位會因C3充電電流減小而降低，當此電位低于反相輸入端的電位時(尖脈沖已過去很久 ，IC1c 就將改變狀態(tài)并再次輸出低電平。這20ms 的脈沖時間是與脈搏同步的，這種脈沖在電路工作時是與紅色發(fā)光二極管D3的閃爍情況相對應的。經(jīng)過IC1c 之后

6、的脈沖就是后面單片機控制電路所需的實際脈沖，通過R12送到單片機P3.3引腳后，就可實現(xiàn)后面的計數(shù)和顯示了。IC1a 、IC1b 、IC1c 工作所需的4.5V 電源電壓，在電路中是通過R14、R15對9V 分壓并經(jīng)IC1d 緩沖而得到的。這樣的設置，就使得即使電池電壓降低到6V ，本電路也能實現(xiàn)正常工作。單片機控制電路單片機控制電路如圖3所示。本部分電路主要由AT89C2051單片機、SMC1602A 液晶顯示芯片、12MHz 的晶振電路以及復位電路等幾個部分組成。電路主要完成對于前面收羅處 理得到的脈沖進行計數(shù)和顯示的任務。經(jīng)收羅處理后得到的脈沖信號，通過P3.3引腳被輸入到單片機中。單片

7、機被設為負跳變中斷觸發(fā)模式。因此，每次脈沖下降沿到達時，單片機就將被觸發(fā)并孕育發(fā)生中斷進行計時；而當下一次脈沖的下降沿到達時，單片機就對兩次脈沖間的時間間隔進行運算，運算的結(jié)果就是心率。這個結(jié)果值，將通過P1口送至SMC1602A 液晶顯示芯片的數(shù)據(jù)端口，從而被顯示出來。在顯示心率值之后，單片機將對此心率值與80120的人體正常脈搏范圍進行比較。若此值X 為80%26le;X%26le;120，液晶顯示芯片中會顯示%26ldquo;VeryGood ！%26rdquo;，以體現(xiàn)被測者心率正常；若此值不在80120范圍之內(nèi)，即X 80或者X 120，那么，液晶顯示芯片中會顯示%26ldquo;A

8、Little Bad ！%26rdquo;，以便體現(xiàn)被測者心率出現(xiàn)不正常。另外，為了提示用戶及時觀察心率值的顯示，電路中還設置了一個提示音的裝置。即每次脈沖到來時，單片機P3.7引腳所連接的蜂鳴器SP 均會發(fā)出提示音，這樣，當用戶第二次聽到這個提示音時，就評釋1分鐘的脈搏計數(shù)顯示已經(jīng)完成。如此一來，結(jié)合前面心率收羅處理電路中對于每次脈搏給予的點亮閃爍裝置，本心率計在使用時就可以通過聲光相結(jié)合的形式形象地切脈搏的快慢顯示出來。此外，本心率計設計的有效丈量顯示范圍為50次/分199次/分。為制止可能出現(xiàn)的干擾的影響，單片機對兩個脈沖之間的時間間距進行檢測，若發(fā)現(xiàn)有干擾，即次數(shù)值不在設置的有效丈量顯

9、示范圍之內(nèi)時，則忽略該干擾而不顯示。這樣就更加降低了心率計在實際使用時出現(xiàn)誤差的可能性。元器件選取電路中單片機選用AT89C2051單片機。液晶顯示器芯片則選用SMC1602A ，電路中用到的運算放大器IC1為常用的四運放LM324，它的四路分別分配給了IC1a 、IC1b 、IC1c 和IC1d 。本心率計的電源為79V直流電源，可以通過電池供電，也可通過交直流轉(zhuǎn)換后來獲取，正常工作時的工作電流為100mA 。設計中使用的提示音裝置為普通蜂鳴器，也可用8%26Omega;微型喇叭來代替。另外，單片機接納的是12MHz 的晶振，若用其它頻率晶振，在軟件設計中就需進行相應修改。在使用前的安頓時，

10、可以將紅外線發(fā)射管D1和紅外線接收管Q1分別連接到一個夾子的兩端。將剩余的電路板等部件安頓于一個小盒中，為便于攜帶，小盒外部在電路安頓完畢后應粘接一個可連接皮帶的裝置。為了方便使用時進行按鍵和觀察，復位鍵K1、紅色發(fā)光二極管D3、蜂鳴器SP 以及液晶顯示器芯片的顯示窗口均要在盒子上留出相應放置的位置。同時液晶顯示的窗口還應外加一個掩護硬模，以免室外丈量時的損壞。在實際使用時，先將由圖1中紅外線發(fā)射管D1和紅外線接收管Q1構成的檢測夾子裝置夾在被測者的任意一個檢測手指上，然后連通電源。若觀察到紅色發(fā)光二極管在閃爍，那就評釋心率計能夠正常工作。此時，為包管觀察的準確性，可以按下復位鍵K1使系統(tǒng)復位之后再重新開始丈量并計數(shù)顯示。注意在兩次聽到蜂鳴器的提示音之后，首先觀察到的結(jié)果是被檢測者的心率，然后就是這個心率是否正常的英文提示語。若顯示為%26ldquo;VeryGood ！%26rdquo;，則體現(xiàn)被檢測者心率正常；若顯示%26ldquo;ALittle Bad ！%26rdquo;，那么就評釋被檢測者的心率不太正常了。軟件設計本心率計的軟件設計接納的語言為匯編語言，主要的步伐流程圖如圖3圖6所示。其中，圖3為