便携多功能心率计的设计

采用简单电路， 而且在软件处理中没有考虑基线 漂移， 当基线漂 移 时， 其 测 量 将 受 限， 因此还需进 一步完善软件设计， 抑制基线漂移。
图 56 7 8 7 间期法
这时的误 差 与 被 测 信 号 频 率 成 正 比， 要使频 率测量精度高， 应 在 被 测 频 率 $’ 较 低 时 采 用 7 8 7 间期法。因 此 根 据 心 电 信 号 的 低 频 特 点， 采用 7 8 7 间期法快速准确的测量心率。 用 049. 单 片 机 系 统 实 现 7 8 7 间 期 法 时 ， 可 将 单 片 机 内 计 数 器 !4 初 始 化 为 计 数 工 作 方 式 ， 检 测到被测心率方波 信 号 的 第 一 个 下 跳 沿 时， 使 !4 对内部标频开 始 计 数， 检测到第二个下跳沿就使 !4 停 止 计 数 ， 并 记 下 这 时 !4 的 值 ， 即可求出心率 $’ 。 049. 单 片 机 晶 振 振 荡 频 率 定 为 0 123 ， 即内 部 时 钟 周 期 为 . : 9 "" ， 若 !4 计 数 为 & ， 则可得输入 7 方 波 的 周 期 为 ：!’ ( & ) . : 9 "" $’ ( . * !’ 23 心 率 ; ( 54 ) $’ 另外， 在体温的测量过程中， 不同人的体温可 略有差异， 同时受环境温度的影响， 测量电极在胸 部可能略差于 实 际 体 温， 测量此时的高热或低温 状态， 则实际一定处于此种状态中。
图 )" 体温信号获取电路原理框图
中 心 体 温 !- ; 以 下 。 在 此 系 统 中 认 为 体 #重度： 温 )/ ; < )- # / ; 时 为 亚 正 常 和 正 常 ， 否则为高热 或 低 温 。 采 用 >?:$:- 型 二 极 管 与 电 极 组 合 构 成 体温电 极， 求得高温 （ )- # / ; ） 和低温 （ )/ ; ） 的 电压， 通过调节高热基准和低温基准的电压值， 经 过窗口电压比 较 器 得 到 高 或 低 电 平， 以供单片机 作 计 数 器 &’ 的 门 控 信 号 。 其 体 温 逻 辑 状 态 图 如 图 : 所示。 高热 $ ’ ’ 低温 ’ $ ’
!" " " " " " " " " " " " " " " " " " " 黄" 石" 理" 工" 学" 院" 学" 报" " " " " " " " " " " " " !’’, 年
! " 系统前置电路
! # $ " 心率 % 矩形波的获取
前置电路的任务是拾取心 电 信 号， 并 经 放 大、 滤波、 整形 后 获 得 矩 形 波， 以供单片机作计数器 其原理框图如图 ! 所示。 &’ 的 门 控 信 号 ，
% ( 系统基本设计方案
通过体温 电 极 从 人 体 胸 部 获 取 心 电 信 号， 经 0.1 滤 波 放 大 电 路 来 完 成 信 号 放 大 和 噪 声 的 滤
收稿日期： !""# $ "# $ %& 万 方数据 作者简介： 黄红霞 （ %&’& —( ） ， 女， 湖北咸宁人， 助教， 本科。 图 %( 系统框图
( ( 心率是临 床、 手术和生理研究中极为重要的 生理参数之一。迅速准确测量心率是现代医疗监 测仪器的基本 功 能。 随 着 电 子 技 术 的 发 展， 心率 监护仪逐步向智能化、 微型化方向发展， 目前用于 心率监护的 传 统 “ 台式” 机， 体 积 偏 大， 操作灵活 性差， 同时在监测心率时不能检测体温是否正常， 发现高热人群， 为此根据目前的技术及应用的发 展方向， 设 计 了 基 于 -./ $ +% 单 片 机 的 测 量 心 率 与判断体温是否正常的便携多功能心率计。
。低体温是指中心体温
低 于 )/ ; 而 言 ， 严 重 体 温 骤 低 症 分 为 ) 度： !轻
万 方数据 度： 中心体 温 )/ ; < )! ; ； )! ; < !- ; ； "中度：
第 5 期6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 黄红霞6 严6 伟： 便携多功能心率计的设计6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 !"
［:］ 用较多的以心电 图 % 波 触 发 计 数 为 技 术 基 础 固定， 这样可以 直 接 将 心 率 计 放 置 在 胸 前 来 获 取
) " 单片机系统与算法的确定
) # $ " 单片机系统组成
从便携和经济角 度 出 发， 选 用 @8A ( /$ 系 列 构成单片机系统， 外 接 $ 片 !=,: 7B%C@ 作 为 程 序 存 储 器 。 用 -!// * 作 为 系 统 的 输 入 并 行 扩 展 口 ， 心 率 和 体 温 信 号 从 此 输 入 。 采 用 -D 8/! 可 进 一 步减少体积， 向 小 巧 轻 便 更 进 一 步。 其 单 片 机 系 统组成框图如图 / 所示。
虑 % 波的幅度 和 % ( % 间 隔 周 期， 同时考虑到便 携， 无创， 使用三 电 极 胸 部 检 测 方 法 信号进行测量。 选 用 *+,!) 作 为 第 一 级 心 电 放 大 器 进 行 电 压 放 大 来 提 高 信 号 的 信 噪 比 。 *+,!) 的 增 益 由 $ 、 引 脚 间 的 %. 电 位 器 进 行 调 节 。 在心电干扰 中， 工 频 /’ 01 的 干 扰 最 为 明 显 。 因 此 使 用 /’ 01 双 & 陷 波 器 来 进 行 抑 制 。 /’ 01 双 & 陷波 器 由 低 通 滤 波 器 和 高 通 滤 波 器 两 部 分 组 成 。 低 通 滤 波 器 2 3 4 /’ 01 并 且 无 限 接 近 于 /’ 01 （ 2 3 ! /’ 01 ） ， 高 通 滤 波 器 2 5 6 /’ 01 并 且 无 限 接 近 于 /’ 01 （ 2 5 ! /’ 01 ） ， 由 于 内 阻 及 条 件 限 制， 不可 能 使 /’ 01 时 放 大 倍 数 为 ’ ， 只 能 调 节 使 /’ 01 时 放大倍数相应最小。 通 过 放 大 滤 波 后 得 到 的 78. 信 号 9 7 ， 目前应
波， 获 取 的 0.1 信 号 经 施 密 特 整 形 变 成 2 矩 形 波， 同时体温信 号 经 过 体 温 电 极 内 的 传 感 器 及 前 置处理电路转换为电压信号， 与高热、 低温临界所 对应的电压值组成窗口电压比较器形成高电平或 低电平。此三路 信 号 送 入 单 片 机 系 统， 由单片机 系 统 T0U 显 示 心 率 值 ， 并 判 断 体 温 是 否 正 常， 此 期间若单片机分析出心率、 体温异常， 通过给出心 率、 体温越限提示符报警。系统框图如图 % 所示。
［/］
图 / " -’/$ 系 统 电 路 的 框 图
) # ! " 算法的确定— — — % ( % 间期法
采用 % ( % 间期 法， 只 需 采 用 两 次 心 跳， 即% ( % 间期就可 以 测 出 $ 分 钟 内 的 心 跳 次 数， 响应 时间短， 精度高。 % ( % 间期法是时间间隔测量的特殊情形， 连 续两次相同 的 相 位—时 间 （ 例如周期性波形中正 向过零点） 之间的 时 间 间 隔 的 测 量。 即 用 机 器 周
可用施密特整 形 电 路 和 闭 锁 电 路， 当电极接触不 良或电极从人体脱落时， 仪器给出光报警电路， 同 时 使 *+,!) 通 过 电 容 闭 锁 放 电 。
! # ! " 体温信号的获取
体温 是 临 床 手 术 和 生 理 研 究 中 极 为 重 要 的 生 理参数之一， 为了使人们在使用此仪器时能判断 体温异常， 有助于测心率时监测高热人群， 其获取 电路如图 ) 所示。 一般正常 成 年 人 在 清 晨 安 静 状 态 下， 口腔体 温 波 动 为 ), # ) ; < )= # ! ; 之 间 的 狭 小 范 围 。 不 同人的体温可略有差异
图 :" 体温逻辑状态图
图 !" % 方波获取电路原理框图
无创 检 测 是 将 体 温 电 极 贴 在 人 体 的 表 面 或 附 带到人体的某 一 部 分 来 间 接 测 量 生 理 信 号， 如心
［$］ 电、 脑电等 。由于 % 波 具 有 波 形 陡 峭、 幅 度 大、 ［!］ 宽度窄、 变化趋势明显的显著特点 ， 因此主要考
关键词： 心率； 体温； 2 $ 2 间期法； 单片机 中图分类号： 34’’!5 !( ( ( ( 文献标识码： 6
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便携多功能心率计的设计
黄红霞( 严( 伟
（ 黄石理工学院电气与电子信息工程学院， 湖北 黄石 *,+"", ） 摘( 要： 介绍基于 -./ $ +% 单片机的便携多功能心率计的硬件和软件设计， 从 0.1 波形中提取 2 矩形波，