基于MSP430的心率检测系统硬件设计

基于MSP430的心率检测系统硬件设计The hardware circuit design of heart_rate detecting system base on MSP430摘要基于红外检测和MSP430单片机主控的便携式心率信号测试仪，采用红外对管和指脉测量原理采集人体心率信号，经放大、滤波、整形等信号调理，至单片机主控单元，对心率信号进行分析、处理，并通过LCD显示和语音提示，实现智能心率检测。

关键词：指脉测量；信号调理；心率检测。

Abstract The portable cardiotach ometer which base on infrared detecting and besubject to MSP430 single-chip microcomputer ,use the principle of infrared and thumb-pulse measure to detec heart-rate signal. The signal be treat with magnified, filter,Plastic etc. The main control unit of SCM process and analysis the heart-rate signal,Intelligent heart-rate detecting be realized by LCD display and voice clew.Key: Thumb-pulse measure; Signal process; Heart-rate detecting.目录1. 概述2 方案论证 .......................................................................2.1 传感器方案论证 ...........................................................2.2 前置放大器方案论证 .......................................................2.3 低通滤波器方案论证 .......................................................2.4 后级放大器方案论证 .......................................................2.5 整形电路方案论证 .........................................................2.6 心率信号处理方案论证 .....................................................3 整体方案设计 ...................................................................4 单元电路设计 ...................................................................4.1 传感器电路设计 ...........................................................4.2 前置放大器电路设计 .......................................................4.3 低通滤波器电路设计 .......................................................4.4 后级放大电路设计 .........................................................4.5 整形电路设计 .............................................................4.6 心率信号处理电路设计 .....................................................5 电路测试与数据分析 .............................................................5.1 测试仪器 .................................................................5.2 测试方法 .................................................................5.3 测试数据 .................................................................6 问题及处理 .....................................................................结论 ..........................................................................致谢 ..........................................................................参考文献一、概述统计表明，由心脏引发的多种突发性疾病，严重影响人们的身体健康。

因此，研究一种携带方便、使用简单，能够在家里随时进行心率信号测量的简易心率检测仪，具有现实意义。

本课题是基于红外和MSP430单片机的便携式简易心率信号测试仪。

检测前端采用红外传感器和无线传输技术，控制单元采用MSP430系列单片机。

人体手指末端含有丰富的小动脉，它们和其它部位的动脉一样, 含有丰富的信息。

手指尖的微血管随着心脏的跳动发生相应的脉搏的容积变化，光发射电路发出的特定波长的光透过手指到光电器件，此过程被检测生理量(人体的脉搏)转换成光信号，通过光电器件转换为电信号，送入前级放大电路将信号放大、滤波，得到脉搏信号，该信号经再次放大、整形处理，送至MSP430主控单元.从光源发出的光除被手指组织吸收的部分外，一部分由血液漫反射返回。

光电式脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射形式和反射式，其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置，接收的是透射光，这种方法可较好地反映出心律的时间关系，但不能精确测量出血液容积量的变化；反射式的发射光源和光敏器件位于同一侧，接收的是血液漫反射回来的光，此信号可以精确测量血管内容积变化。

本系统采用指脉测量原理和红外光电传感器实现心率信号测量。

信号调理电路包括前置放大器、低通滤波电路、可控增益放大器和整形电路等环节。

放大电路将检测信号放大、整形后，加至单片机进行A/D转换，再由单片机将A/D转换的数据进行分析、处理，得到心率值，根据心率值判断并通过LCD显示。

2、方案论证人体心率信号的频率范围为0.78～3.33Hz之间，幅度约为10ｕV～5ｍＶ，信号十分微弱，加之心率信号中通常混杂有其它生物电信号，以及外界与仪器本身产生的光电等干扰信号影响，因此系统对抗干扰能力和信号处理能力要求较高。

2.1．传感器方案论证方案一：采用压电陶瓷片作为传感器将压电陶瓷片贴于人体颈部，感受心跳时颈部动脉压力变化，在陶瓷片两面产生电位差，通过采集电压变化信号探测心跳。

方案二：采用红外发射、接收二极管作为传感器该方案利用指脉的测量原理，指脉测量属于检测有无脉博的测量，有脉搏时遮挡光线，输出端无信号或信号非常小，无脉搏时透光强，输出端有信号且信号很强。

结论：用压电陶瓷片测量心率信号时，外界干扰信号对电路的影响较小，抗干扰能力强，但由于其电路结构复杂，测量方法繁琐，故不采用；指脉测量的电路结构简单，拟采用此方案。

但由于红外接收二极管属于光敏元件，外界光电信号极易对其产生影响，所以在电路设计时，应考虑电路的抗干扰性能，并在电路中加入低通滤波器，削弱外界干扰信号对心电信号的影响。

2.2 前置放大器方案论证方案一：采用普通集成运算放大器采用集成运算放大器LM358。

LM358内部包括有两个独立的高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，具有电源电压范围宽、低功耗电流、低输入偏置电流、输出电压摆幅大等特点。

方案二：采用典型的仪用放大器。

电路如图1所示。

该电路具有高输入阻抗、低输出阻抗、高共模抑制比等特点，有效的抑制外界干扰。

本电路由U1,U2组成同相并联输入第一级放大，U3为差动放大，RG用于改变放大器的增益，电路中要求R1与R2，R3与R4须匹配。

图1 三运放仪用放大电路结论：由于三运放仪用放大电路采用过多的集成运放和分立元件，且电阻难以做到匹配，因此，共模抑制能力下降，加之心率信号的频率信号非常低，低于一般的干扰信号，加入低通滤波器即可有效的抑制外界的干扰。

故本课题采用普通的集成运算放大器LM358作为心率信号的前置放大器。

2.3 低通滤波器方案论证低通滤波器主要用于抑制心率信号中5HZ以上高频干扰，并获取纯净的心率信号，即按人体心跳在运动后最高跳动次数达240次/分来计算，其截止频率为4HZ,但为了保证心率信号不被衰减过大，将其截止频率设为5Hz。

方案一：采用二阶切比雪夫低通滤波器。

切比雪夫滤波器与其他有源滤波器相比，在相同的阶数下，其值在进入阻带以后衰减更陡峭，其幅频特性曲线为-40dB/10倍频，接近理想滤波器的要求，但其通带内输出有波纹，输出信号不平滑。

方案二：采用二阶巴特沃斯低通滤波器。

巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零，幅频特性曲线为-40dB/10倍频。

在振幅的对数对角频率的波德图上,从某一边界角频率开始,振幅随着角频率的增加而逐步减少,趋向负无穷大，特别适用于低频应用，其对于维护增益的平坦性来说非常重要。

方案三：采用二阶贝塞尔低通滤波器其电路结构简单，且加入了集成运算放大器，因此具有输入阻抗高，输出阻抗低等特点，同时具有输入缓冲作用，通带外幅频特性曲线能达到-40dB/10倍频。

贝塞尔滤波器能在它的通频带内提供平坦的幅度和线性相位（即一致的群延时）响应。

结论：切比雪夫低通滤波器通带内输出有波纹，输出信号不平滑，对于幅度非常低且极不稳定的心率信号来说影响较大，故不予采用。

贝塞尔滤波器与巴特沃斯滤波器相比，均能维持通带内输出波形的平坦性，但贝塞尔滤波器的电路结构够简单，为了简化电路结构，缩小成本，故本课题采用二阶贝塞尔滤波器作为低通滤波器。