基于光電對射管的健身器心率測量系統設計

摘要: 本文介紹了基于光電對射管的健身器心率測量的硬件及軟件系統設計。通過獲取位于光電對射管中間的人耳垂部分的血液濃度的變化信號，經過濾波放大等信號調理，使心率信號轉化為單片機可直接計量的方波信號。本文介紹的心率測量系統已在作者研制的健身器系統中得到了大量的應用，應用效果理想。

引? 言

　　心率在健身器系統中是一個重要的反饋信號，它反映了人們在鍛煉時的身體狀況，對人的生命系統起著重要的監護作用。心率測量的準確與否，直接影響著人們在鍛煉時的心理狀態，因而心率測量是健身器系統中重要的組成部分。本文應用光電對射管研制了基于血液濃度變化的心率測量系統，應用簡單的濾波和放大電路，使健身器的心率測量準確可靠。

1光電對射管的特點及其應用

　　光電對射管是一種光電轉換的器件。它可以將外界光的信號轉換成電壓信號，以便于系統識別。因此光電對射管在測速、測距、信號轉換等各種場合得到廣泛應用。光電對射管由發光管和接收管兩部分構成。在應用中可以給發光管加上適當的恒定電流，使其發出均勻穩定的光。接收管串入合適的電路，系統可以從接收管上獲取電壓信號。當發光管和接收管之間的透光狀況發生變化時將引起通過接收管的電流的變化。

　　本文將光電對射管做成夾子形狀，夾在耳垂、手指等皮膚表面，隨著心臟的跳動，血管內的血液濃度發生周期性的變化。血液濃度的變化引起接收管上接收的光強變化，從而系統就可以采集到周期變化的脈動信號。采用合適的電路將信號放大、濾波、整形后輸出標準方波信號送到單片機中。

2信號分析和信號調理電路

　　2.1 信號分析

　　光電對射管接收管接收到的信號非常微弱，采集到的心率信號變化量只有50mV，并且帶有一定的電壓偏置量，同時存在大量的電壓噪聲。通過示波器采集從圖2所示的電路圖中的a點采集到的信號波形如圖1所示。

　　2.2 信號調理電路

　　由于通過光電接收管接收到的信號極其微弱（變化幅值在±10mV之間），因而容易被其外圍電路所干擾，因此系統必須單獨為信號調理電路提供電源，同時，系統的線路板布線也會對信號產生較大的影響，因此在設計線路板時要主要信號線與電源地線的設計。信號經過LM324的兩級放大后仍存在較大的偏置電壓，因此必須在信號輸入端加濾波電容，將電路中的直流成份濾掉并保證不影響交流信號的傳遞，光電對射管采集信號和信號調理電路如圖2所示。
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　　從圖1的原始信號波形圖中基本可以看到波形整體的變化趨勢，但是其中有很強的雜波和干擾信號。因此將信號放大后必須進行濾波處理。經過LM324的一級放大和整形濾波后的信號已經很平滑。經圖2電路中的b點即可采集得到很好的心率信號波形，此時信號的變化幅值為0.8V，但還存在一定程度的電壓偏置量，經過圖2所示的再一級放大就得到了0～4V的脈沖信號。從圖2電路中的c點測量到信號波形中已無干擾，信號已經相對穩定，并且也去掉了電壓偏置。該信號經過施密特反向觸發器74LS14反向后，就得到了標準的方波信號。從圖2所示電路中的d點測量的信號波形如圖3所示。從圖3中可以看出信號的上升沿和下降沿很好，電壓變化量為標準的0～5V。此時即得到了完整的心率信號。此信號變化穩定，和心臟同步，是心臟跳動的真實反映，將此信號直接連接到單片機中以進行心率信號的測量。
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3心率算法和軟件編程

　　系統采用ATMEL公司的AT89S52單片機。該單片機對各種惡劣的工作環境有較強的適應性，并且內部帶有看門狗。心率信號連接到單片機的外部中斷INT0口，通過計算相鄰兩次心率之間的時間差換算出心率。通過定時器計時，得到相鄰兩次中斷之間的時間差T。設定定時器的計時單位為 秒,即每 秒計數字節增加1，通過計算可得到兩次中斷之間的時間和計數器n的關系為： ，再根據心率的計算公式：心率=心跳次數/分鐘,得到的計算公式如下： 從而得出每分鐘的心率值。

　　部分程序流程框圖如圖4所示。

　　部分程序如下：

　　主程序：ORG 0000H

　　AJMP MAIN

　　ORG 0003H

　　AJMP INTX

　　ORG 000BH

　　AJMP INTT0

　　ORG 0040H

　　MAIN:MOV SP,#60H

　　SETB EA

　　SETB EX0

　　SETB TR0

　　SETB IT0

　　MOV TH0,#0BEH

　　MOV TL0,#0E4H

　　MOV TMOD,#11H

　　MOV 30H,#0；心率存放的地址

　　MOV 31H,#0; 計數器

　　MOV 32H,#0；

　　DISPLAY: ?

　　? ；顯示程序

　　?

　　AJMP DISPLAY?

　　END

　　主程序里打開外部中斷，并且外部中斷0設為下降沿有效。信號每出現一次下降沿，程序將自動進入中斷，將計數器內的數據讀出并且將計數器清零。把讀出的數據放到30H地址內，31H為數據存儲的中轉字節，在主程序里就將此數據顯示出來。

　　外部中斷的子程序如下：

　　INTX:MOV 30H,31H

　　MOV 31H,#0??

　　RETI

　　定時器0的中斷子程序如下：

　　INTT0:INC 31H

　　MOV TH0,#0BEH

　　MOV TL0,#0E4H

　　RETI

4結論

　　本文所述的基于光電對射管的心率測量系統采用普通光電對射管測量心率，具有較高的可靠性和準確度，已在筆者研制的某品牌健身器上大量應用。光電對射管使用壽命長，性能穩定，應用可靠，保證可了健身器使用中的心率測量，是值得推廣的一種方法。