基于红外技术的简易心率计的设计

引 言

现代社会中，人们对家人和自己的身体健康状况尤为重 视，心脑血管疾病作为一种发病率高、致死率高的疾病直接 威胁着人们的生命安全。目前，用于心脑血管疾病监测的仪器 仪表不断涌现，但大多操作复杂，主要用于医院环境。因此， 人们迫切需要一种使用简单方便，可用于家庭或社区环境的心 脑血管疾病监测设备。本文基于红外技术设计了一种简易心率 计。该心率计采用红外对管发射和接收红外信号，采集人体的 心率信号，并经过主控芯片对信号进行处理，计算出人体的 心率值。该心率计具有使用简单方便，抗干扰能力强，成本低 等优点，可为心脑血管疾病的预防和监测提供有效手段。

1 红外技术

红外技术是一种视距无线通信技术，具有非接触式、抗 干扰能力强、工作功耗低利、数据通信可靠等优点。红外光 电式检测方法测量心率，是利用光信号对血液流动的透射率 或反射率不同，将光信号变换成电信号进而进行测量的方法。 一般对光信号的采集有两种方法，一种是对射式采集，即在 对人体如手指测量时，在手指两侧各放一个光电二极管，一个 用于发射信号，一个用于接收信号。当通过手指的血流量变化 时，光信号的透射率发生变化，光电接收管中的电流量也将发 生变化，从而测量心率值 ；另一种是反射式采集，即用于发射 信号和接收信号的光电二极管都朝向一端，利用血流变化时， 光的反射率发生变化，从而利用光电管中的电流量的变化来测量心率值。本文选用第一种方法来实现。整个系统的信息处理 工作流程如图 1 所示。

2 硬件设计 

2.1 主控芯片选择 

心率计的主控芯片是整个系统的核心，负责数据信号的 处理和系统的协调运行。考虑到成本、可靠性、简易性等问 题，这里选用AT89S52来作为主控芯片。AT89S52是一种 8 位、 低功耗的微控制器，其自带 8 KB 可编程 Flash 存储器，32 个 可编程 I/O 口线，3 个 16 位定时器，8 个中断源，具有全双工 UART 串行通道，低功耗空闲和掉电模式，非常适合作为心 率计的主控芯片。其芯片引脚如图 2 所示

2.2 信号采集电路 

红外线发射管在使用时，有 850 nm、875 nm、940 nm 三个波段。各波段由于波长不同，适用环境也各有不同。 850 nm 波段在安防监控设备中使用较多，875 nm 波段在红外监控中有较多应用，940 nm 波段主要用于家电设备红外控制 等。本文设计的心率计采用一对 5 mm 的红外对管，另加外围 少量电子器件组成信号采集电路。信号采集电路如图 3 所示。 图中 D1 与 D3 为红外对管，负责红外信号的发射与接收。电 阻 R7 和电容 C5 构成低通滤波电路，主要用于去除高频干扰。

2.3 显示模块 

心率计的数值显示选用液晶显示模块。这里经比较，选 用 LCD1602 液晶显示模块，LCD1602 内部存储器已内置了 160 个不同的点阵字符图形，使用简单方便，每次可显示两 行，每行 16 个字符，可以满足本设计的心率计显示的需要， LCD1602 与单片机的接口电路如图 4 所示。

3 软件设计 

系统上电后，首先完成初始化程序，以初始化部分硬件 芯片，确定中断地址和程序入口。然后，液晶显示屏显示全零， 表示没有信号进入 ；其次，程序定时 100 ms，进入等待中断 过程，并累加中断次数 ；最后，根据 n= K/t（n 表示时间 t 内 心率的平均值，K 表示时间 t 内连续的脉动次数）计算心率值， 并在液晶显示屏显示数值。整个程序流程如图 5 所示。

4 结 语

无线技术和电子技术的发展，使人们对疾病的监测手段 不断更新和发展。本文基于红外技术设计了一种简易心率计， 该心率计采用红外对管发射和接收红外信号，采集人体的心率 信号，并经过主控芯片对信号进行处理，从而计算出人体的心 率值。该心率计具有使用简单方便，抗干扰能力强，成本低等 优点，可为心脑血管疾病的预防和监测提供有效手段。