便携多功能心率计的设计

收稿日期：2006-06-19

作者简介：黄红霞（1979— ），女，湖北咸宁人，助教，本科。

文章编号：1008-8245（2006）06-0057-03

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435003）

摘 要：介绍基于MCS -51单片机的便携多功能心率计的硬件和软件设计，从ECG 波形中提取R 矩形波，

采用R -R 间期法，快速准确地测量心率，在测量心率的同时可进行体温判断，克服了传统便携式心率计不能实时监测体温，不可判断可疑高危体温的缺点。

关键词：心率；体温；R -R 间期法；单片机

中图分类号：TH772.2 文献标识码：A

The Design of Portable Multi -functional

Heart Rate Counts

Huang Hongxia Yan Wei

（Schooi of Eiectricai and Eiectronic Information Engineering ，Huangshi Institute of Technoiogy ，Huangshi Hubei 435003）

Abstract ：This paper introduces the hardware and software design of the portabie muiti -functionai heart rate counts based on MCS -51SCM.We can draw the R rectangie wave to adopt the R -R cycie iaws from the ECG waveform to measure the heart rate accurateiy and guicliy.And the body temperature can be judged when the heart rate is meas-ured.It overcomes the shortcomings of the traditionai heart rate counts that can't monitor reai -time body -tempera-ture and can't judge the suspicious high -risl body -temperature.Key words ：heart rate ；body -temperature ；R -R cycie iaws ；SCM

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MCS -51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。

1 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ECG 滤波放大电路来完成信号放大和噪声的滤

波，获取的ECG 信号经施密特整形变成R 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LED 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1所示。

图1 系统框图

第22卷 第6期2006年11月 黄 石 理 工 学 院 学 报JOURNAL OF HUANGSHI INSTITUTE OF TECHNOLOGY

oi.22 No.6

Nov

2006

2 系统前置电路

2.l心率R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T

的门控信号，其原理框图如图2所示。

图2R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［l］。由于R波具有波形陡峭、幅度大、宽度窄、变化趋势明显的显著特点［2］，因此主要考虑R波的幅度和R-R间隔周期，同时考虑到便携，无创，使用三电极胸部检测方法［3］，且将电极固定，这样可以直接将心率计放置在胸前来获取信号进行测量。

选用AD623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。AD623的增益由l、8

引脚间的R

G

电位器进行调节。

在心电干扰中，工频50Hz的干扰最为明显。因此使用50Hz双T陷波器来进行抑制。50Hz双T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f

l

>50Hz并且无限接近于50Hz

（f

l 50Hz），高通滤波器f

h

<50Hz并且无限接近

于50Hz（f

h

50Hz），由于内阻及条件限制，不可能使50Hz时放大倍数为0，只能调节使50Hz时放大倍数相应最小。

通过放大滤波后得到的ECG信号U

E

，目前应用较多的以心电图R波触发计数为技术基础［4］，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AD623通过电容闭锁放电。

2.2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3所示。

一般正常成年人在清晨安静状态下，口腔体温波动为36.3C~37.2C之间的狭小范围。不同人的体温可略有差异［5］。低体温是指中心体温低于35C而言，严重体温骤低症分为3度：!轻度：中心体温35C~32C；"中度：32C~28C；

图3体温信号获取电路原理框图

#重度：中心体温28C以下。在此系统中认为体温35C~38.5C时为亚正常和正常，否则为高热或低温。采用IN4l48型二极管与电极组合构成体温电极，求得高温（38.5C）和低温（35C）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T

的门控信号。其体温逻辑状态图如图4所示。

高热低温状态

l0高热

0l低温

00正常、亚正常

图4体温逻辑状态图

3 单片机系统与算法的确定

3.l单片机系统组成

从便携和经济角度出发，选用MCS-5l系列构成单片机系统，外接l片2764EPROM作为程序存储器。用8255A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89C52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5所示。

图5805l系统电路的框图

3.2算法的确定———R-R间期法

采用R-R间期法，只需采用两次心跳，即R -R间期就可以测出l分钟内的心跳次数，响应时间短，精度高。

R-R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

!"黄石理工学院学报2006年