基于光電對射管的健身器心率測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(tǒng)設(shè)計(jì)。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(jīng)過濾波放大等信號調(diào)理，使心率信號轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可直接計(jì)量的方波信號。本文介紹的心率測量系統(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(hù)作用。心率測量的準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)用簡單的濾波和放大電路，使健身器的心率測量準(zhǔn)確可靠。

1光電對射管的特點(diǎn)及其應(yīng)用

　　光電對射管是一種光電轉(zhuǎn)換的器件。它可以將外界光的信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換等各種場合得到廣泛應(yīng)用。光電對射管由發(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://m.brongaenegriffin.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。當(dāng)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(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信號。采用合適的電路將信號放大、濾波、整形后輸出標(biāo)準(zhǔn)方波信號送到單片機(jī)中。

2信號分析和信號調(diào)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(diǎn)采集到的信號波形如圖1所示。

　　2.2 信號調(diào)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(dú)為信號調(diào)理電路提供電源，同時，系統(tǒng)的線路板布線也會對信號產(chǎn)生較大的影響，因此在設(shè)計(jì)線路板時要主要信號線與電源地線的設(shè)計(jì)。信號經(jīng)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(diào)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(qiáng)的雜波和干擾信號。因此將信號放大后必須進(jìn)行濾波處理。經(jīng)過LM324的一級放大和整形濾波后的信號已經(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(jīng)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(diǎn)測量到信號波形中已無干擾，信號已經(jīng)相對穩(wěn)定，并且也去掉了電壓偏置。該信號經(jīng)過施密特反向觸發(fā)器74LS14反向后，就得到了標(biāo)準(zhǔn)的方波信號。從圖2所示電路中的d點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)反映，將此信號直接連接到單片機(jī)中以進(jìn)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(jī)。該單片機(jī)對各種惡劣的工作環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性，并且內(nèi)部帶有看門狗。心率信號連接到單片機(jī)的外部中斷INT0口，通過計(jì)算相鄰兩次心率之間的時間差換算出心率。通過定時器計(jì)時，得到相鄰兩次中斷之間的時間差T。設(shè)定定時器的計(jì)時單位為 秒,即每 秒計(jì)數(shù)字節(jié)增加1，通過計(jì)算可得到兩次中斷之間的時間和計(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

　　主程序里打開外部中斷，并且外部中斷0設(shè)為下降沿有效。信號每出現(xiàn)一次下降沿，程序?qū)⒆詣舆M(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)存儲的中轉(zhuǎn)字節(jié)，在主程序里就將此數(shù)據(jù)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(jié)論

　　本文所述的基于光電對射管的心率測量系統(tǒng)采用普通光電對射管測量心率，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。光電對射管使用壽命長，性能穩(wěn)定，應(yīng)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。