基于光電對(duì)射管的健身器心率測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要: 本文介紹了基于光電對(duì)射管的健身器心率測(cè)量的硬件及軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)獲取位于光電對(duì)射管中間的人耳垂部分的血液濃度的變化信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波放大等信號(hào)調(diào)理，使心率信號(hào)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可直接計(jì)量的方波信號(hào)。本文介紹的心率測(cè)量系統(tǒng)已在作者研制的健身器系統(tǒng)中得到了大量的應(yīng)用，應(yīng)用效果理想。

引? 言

　　心率在健身器系統(tǒng)中是一個(gè)重要的反饋信號(hào)，它反映了人們?cè)阱憻挄r(shí)的身體狀況，對(duì)人的生命系統(tǒng)起著重要的監(jiān)護(hù)作用。心率測(cè)量的準(zhǔn)確與否，直接影響著人們?cè)阱憻挄r(shí)的心理狀態(tài)，因而心率測(cè)量是健身器系統(tǒng)中重要的組成部分。本文應(yīng)用光電對(duì)射管研制了基于血液濃度變化的心率測(cè)量系統(tǒng)，應(yīng)用簡(jiǎn)單的濾波和放大電路，使健身器的心率測(cè)量準(zhǔn)確可靠。

1光電對(duì)射管的特點(diǎn)及其應(yīng)用

　　光電對(duì)射管是一種光電轉(zhuǎn)換的器件。它可以將外界光的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，以便于系統(tǒng)識(shí)別。因此光電對(duì)射管在測(cè)速、測(cè)距、信號(hào)轉(zhuǎn)換等各種場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。光電對(duì)射管由發(fā)光管和接收管兩部分構(gòu)成。在應(yīng)用中可以給發(fā)光管加上適當(dāng)?shù)暮愣?a href="http://www.3532n.com/tags/電流/" target="_blank">電流，使其發(fā)出均勻穩(wěn)定的光。接收管串入合適的電路，系統(tǒng)可以從接收管上獲取電壓信號(hào)。當(dāng)發(fā)光管和接收管之間的透光狀況發(fā)生變化時(shí)將引起通過(guò)接收管的電流的變化。

　　本文將光電對(duì)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(dòng)，血管內(nèi)的血液濃度發(fā)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(qiáng)變化，從而系統(tǒng)就可以采集到周期變化的脈動(dòng)信號(hào)。采用合適的電路將信號(hào)放大、濾波、整形后輸出標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)送到單片機(jī)中。

2信號(hào)分析和信號(hào)調(diào)理電路

　　2.1 信號(hào)分析

　　光電對(duì)射管接收管接收到的信號(hào)非常微弱，采集到的心率信號(hào)變化量只有50mV，并且?guī)в幸欢ǖ碾妷浩昧浚瑫r(shí)存在大量的電壓噪聲。通過(guò)示波器采集從圖2所示的電路圖中的a點(diǎn)采集到的信號(hào)波形如圖1所示。

　　2.2 信號(hào)調(diào)理電路

　　由于通過(guò)光電接收管接收到的信號(hào)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(tǒng)必須單獨(dú)為信號(hào)調(diào)理電路提供電源，同時(shí)，系統(tǒng)的線路板布線也會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生較大的影響，因此在設(shè)計(jì)線路板時(shí)要主要信號(hào)線與電源地線的設(shè)計(jì)。信號(hào)經(jīng)過(guò)LM324的兩級(jí)放大后仍存在較大的偏置電壓，因此必須在信號(hào)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(hào)的傳遞，光電對(duì)射管采集信號(hào)和信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。
?

　　從圖1的原始信號(hào)波形圖中基本可以看到波形整體的變化趨勢(shì)，但是其中有很強(qiáng)的雜波和干擾信號(hào)。因此將信號(hào)放大后必須進(jìn)行濾波處理。經(jīng)過(guò)LM324的一級(jí)放大和整形濾波后的信號(hào)已經(jīng)很平滑。經(jīng)圖2電路中的b點(diǎn)即可采集得到很好的心率信號(hào)波形，此時(shí)信號(hào)的變化幅值為0.8V，但還存在一定程度的電壓偏置量，經(jīng)過(guò)圖2所示的再一級(jí)放大就得到了0～4V的脈沖信號(hào)。從圖2電路中的c點(diǎn)測(cè)量到信號(hào)波形中已無(wú)干擾，信號(hào)已經(jīng)相對(duì)穩(wěn)定，并且也去掉了電壓偏置。該信號(hào)經(jīng)過(guò)施密特反向觸發(fā)器74LS14反向后，就得到了標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)。從圖2所示電路中的d點(diǎn)測(cè)量的信號(hào)波形如圖3所示。從圖3中可以看出信號(hào)的上升沿和下降沿很好，電壓變化量為標(biāo)準(zhǔn)的0～5V。此時(shí)即得到了完整的心率信號(hào)。此信號(hào)變化穩(wěn)定，和心臟同步，是心臟跳動(dòng)的真實(shí)反映，將此信號(hào)直接連接到單片機(jī)中以進(jìn)行心率信號(hào)的測(cè)量。
?

3心率算法和軟件編程

　　系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)。該單片機(jī)對(duì)各種惡劣的工作環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性，并且內(nèi)部帶有看門(mén)狗。心率信號(hào)連接到單片機(jī)的外部中斷INT0口，通過(guò)計(jì)算相鄰兩次心率之間的時(shí)間差換算出心率。通過(guò)定時(shí)器計(jì)時(shí)，得到相鄰兩次中斷之間的時(shí)間差T。設(shè)定定時(shí)器的計(jì)時(shí)單位為 秒,即每 秒計(jì)數(shù)字節(jié)增加1，通過(guò)計(jì)算可得到兩次中斷之間的時(shí)間和計(jì)數(shù)器n的關(guān)系為： ，再根據(jù)心率的計(jì)算公式：心率=心跳次數(shù)/分鐘,得到的計(jì)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(jì)數(shù)器

　　MOV 32H,#0；

　　DISPLAY: ?

　　? ；顯示程序

　　?

　　AJMP DISPLAY?

　　END

　　主程序里打開(kāi)外部中斷，并且外部中斷0設(shè)為下降沿有效。信號(hào)每出現(xiàn)一次下降沿，程序?qū)⒆詣?dòng)進(jìn)入中斷，將計(jì)數(shù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)讀出并且將計(jì)數(shù)器清零。把讀出的數(shù)據(jù)放到30H地址內(nèi)，31H為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的中轉(zhuǎn)字節(jié)，在主程序里就將此數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。

　　外部中斷的子程序如下：

　　INTX:MOV 30H,31H

　　MOV 31H,#0??

　　RETI

　　定時(shí)器0的中斷子程序如下：

　　INTT0:INC 31H

　　MOV TH0,#0BEH

　　MOV TL0,#0E4H

　　RETI

4結(jié)論

　　本文所述的基于光電對(duì)射管的心率測(cè)量系統(tǒng)采用普通光電對(duì)射管測(cè)量心率，具有較高的可靠性和準(zhǔn)確度，已在筆者研制的某品牌健身器上大量應(yīng)用。光電對(duì)射管使用壽命長(zhǎng)，性能穩(wěn)定，應(yīng)用可靠，保證可了健身器使用中的心率測(cè)量，是值得推廣的一種方法。