基于光電對射管的心率測量系統(tǒng)的設計

時間：2012-05-31 16:49:30

關鍵字：光電心率測量測量系統(tǒng) OV

手機看文章

掃描二維碼
隨時隨地手機看文章

[導讀]引言心率在健身器系統(tǒng)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(tǒng)起著重要的監(jiān)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(tài)，因而心率測量是健身器系統(tǒng)中重要的組成

引言

心率在健身器系統(tǒng)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(tǒng)起著重要的監(jiān)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(tài)，因而心率測量是健身器系統(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)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(fā)光管和接收管兩部分構成。在應用中可以給發(fā)光管加上適當的恒定電流，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。當發(fā)光管和接收管之間的透光狀況發(fā)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(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變化，從而系統(tǒng)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?guī)в幸欢ǖ碾妷浩昧?，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(tǒng)必須單獨為信號調理電路提供電源，同時，系統(tǒng)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。

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(wěn)定，并且也去掉了電壓偏置。該信號經過施密特反向觸發(fā)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(wěn)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。

3心率算法和軟件編程

系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89S52單片機。該單片機對各種惡劣的工作環(huán)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。

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