便携式心率监测器的研制

摘 要： 心率指人体心脏每分钟跳动的次数，是反映心脏是否正常工作的一个重要参数，也是心血管疾病诊断的重要生理指标。本文介绍了便携式心率监测器的研制方法，主要包括设计原理、结构组成、技术指标等。

关键词： 心率 光电传感器 单片机 A/D转换

1.引言

心率指是人体心脏每分钟跳动的次数，它是反映心脏是否正常工作的一个重要参数，综合反映了人体内各种生理变化的一扇“窗口”，通过它，能够比较准确地描述身体机能对运动刺激的即刻反应和慢性适应。心率是心血管疾病诊断的重要生理指标，心血管疾病是目前死亡率最高的疾病之一，这类疾病发作的主要前兆是心率异常，因此早期防治十分重要，若能进行实时心率监测，在发病之初进行及时抢救，患者的生存率将会大幅提升。

近年来由运动引发猝死的事件多次发生，引发教育界和医学界的深入思考。学校对身体状况异常的同学进行适度运动，并在运动过程中进行心率监测显得十分必要。

目前，医院使用的各种心率监测仪器价格昂贵、体积大、检测过程复杂，不便于随身携带。本文介绍了便携式心率监测器的研制方法，为学生体育运动与生命安全提供保障。同时，为患有心血管疾病的人们，提供安全、便捷、家用便携式医疗电子设备，为医生的医疗过程提供数据与帮助。

2.便携式心率监测器的设计原理

“便携式心率监测器”的设计原理：由于人体组织的半透明性，随着心脏的跳动，当血液送到人体组织时，组织的半透明度会减小；当血液流回心脏，人体组织的半透明度又会增加。这种现象在手指尖、耳垂、手臂等部位尤为明显，因此可以用光电传感器照射上述部位，同时检测透射光，并把光信号转换为电信号，该电信号的频率与人体心率一致，再将该频率信号放大、滤波、整形后，提供给单片机识别、计算。

3.便携式心率监测器的结构组成

“便携式心率监测器”（如图1）以单片机AT89C51为核心，由光电传感器采集脉搏信号，经过前置放大电路、滤波电路、积分和比较电路后得到与脉搏相关的脉冲信号，该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行脉冲周期的计算，计算出每分钟的脉搏搏动次数（即心率），并在数码管上显示心率值。同时，通过记忆电路将数值记录下来，以便通过按键查看心率的历史数据。利用程序实现上下限报警功能，在测量数据超过正常范围（如大于180次/min或小于45次/min）时进行报警，提醒使用者注意。

3.1光电传感器及信号处理电路

光电传感器采用红外对管HR1068C-O5Y2和PT331C。由于从人体采集到的生理信号十分微弱，其幅度一般在微伏到毫伏的数量级范围，而且在测试过程中由于肢体动作和较强的工频干扰而产生大量噪声。同时将采集到的脉搏信号经过前置级放大电路进行高倍放大，这就要求电路具有高增益和高共模抑制比，即集成运放要有很高的共模抑制比和极低的零漂等，所选的电阻参数要尽量精确，放大电路由电阻网络和OP07组成。

3.2单片机控制及显示电路

单片机控制及显示电路采用动态显示方式，利用单片机的P1口的P1.0～P1.6作为数码管七段码的输入。利用P3.0、P3.1、P3.2、P3.3作为4只数码管的选通信号。从光电传感器输出的心率脉冲作为中断信号直接接到单片机AT89C512的9脚（即T1端）。由T0定时，T1计数。P1.7输出心率的上、下限报警信号，经二极管驱动报警器报警。

3.3程序设计

系统程序将要显示心率数千位、百位、十位、个位数分别存放在AT89C51单片机内部的41H、42H、43H、44H单元内。采用动态扫描，每隔5ms分别轮流显示千位、百位、十位、个位。当单片机的第9脚有一上升沿时，T1脚计数1次，T0定时50ms，循环定时1200次，T1计数即为心率次数。然后返回主程序继续执行显示程序。

4.结语

便携式心率监测器通过光电传感器测量人体组织的透明度，进行人体脉搏的无创监测，结合单片机技术高效、实时、快捷、准确地进行心率测量，为人们提供生命安全保障，可以在高校、健身场所和医疗机构普及使用，也可以为医生的医疗过程提供数据与帮助。

参考文献：

[1]孟祥旭，李学庆.人机交互技术.北京：清华大学出版社，2004.

[2]李广弟.单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.

南京铁道职业技术学院校级课题（项目编号：Y150003）