心率是描述心動(dòng)周期的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，指心臟每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)，以第一聲音為準(zhǔn)。心率測(cè)量是常用的醫(yī)學(xué)檢查項(xiàng)目之一，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的心率測(cè)量在臨床醫(yī)學(xué)、老年人體征監(jiān)測(cè)和競(jìng)技體育等方面具有重要意義和廣泛應(yīng)用。正常情況下，成年人心率有顯著的個(gè)體差異，一般安靜時(shí)為60～100次/分，平均約75次/分。心率可因年齡、性別及其他生理情況而改變。同一個(gè)人，在安靜或睡眠時(shí)心率慢，運(yùn)動(dòng)、情緒激動(dòng)或突發(fā)病情時(shí)心率加快。心動(dòng)過(guò)速和過(guò)緩都會(huì)影響健康，尤其對(duì)老人和心臟有問題的人，心率是一個(gè)非常重要的參數(shù)。因此，心率的精確檢測(cè)具有重要意義，本文采用基于壓電陶瓷傳感器和超低功耗的MSP430單片機(jī)的小型便攜式心率采集系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

心率是人體非常重要的生理參數(shù)，而傳統(tǒng)的脈診由于其非定量和主觀性影響了心率測(cè)試的精度，為了提高對(duì)心率監(jiān)測(cè)的精度和監(jiān)測(cè)的方便性，本系統(tǒng)采用壓電陶瓷傳感器和MSP430芯片組成測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)ADC10片上溫度傳感器采集溫度，就可以在數(shù)碼管上顯示。同時(shí)SC0073壓電陶瓷傳感器采集的信號(hào)經(jīng)濾波和放大后與設(shè)定壓力閾值進(jìn)行比較，對(duì)脈搏波信號(hào)進(jìn)行處理，并根據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行精確計(jì)數(shù)和顯示。

1.1 心率檢測(cè)傳感器

目前用于檢測(cè)心率的儀器比較多，常見的有基于壓力傳感器、電容傳感器、光電傳感器和電聲傳感器等類型的測(cè)試系統(tǒng)，但不同傳感器對(duì)心率測(cè)試部位的要求不一。常見的基于紅外原理的傳感器，主要依靠紅外檢測(cè)血流壓力波動(dòng)信號(hào)，即當(dāng)血液輸送到人體組織時(shí)，組織的半透明度會(huì)減小，當(dāng)血液流回心臟時(shí)半透明度會(huì)增加，這種現(xiàn)象在指尖最為明顯，紅外檢測(cè)雖然是一種較好的檢測(cè)方法，但由于平時(shí)需要洗手以及勞動(dòng)等因素，不便于長(zhǎng)時(shí)間攜帶，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)。

為便于長(zhǎng)時(shí)間攜帶，本系統(tǒng)腕式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為滿足這一要求，本文采用壓電陶瓷片采集脈搏信號(hào)，由于心臟的搏動(dòng)，人體腕部的脈壓波動(dòng)相對(duì)明顯，當(dāng)脈搏跳動(dòng)時(shí)，壓電陶瓷片檢測(cè)到相應(yīng)的信號(hào)。若傳感器放置腕部，傳感器檢測(cè)壓力波信號(hào)和進(jìn)行預(yù)處理，再進(jìn)行整形轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，然后計(jì)數(shù)和顯示，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)心率次數(shù)。

1.2 MSP430芯片

本心率檢測(cè)系統(tǒng)由于面向家庭和醫(yī)院，而目前空巢老人較多，因此，芯片選擇上采用超小型壓、超低功耗MSP430g2553單片機(jī)，結(jié)合壓電陶瓷片采集壓力信號(hào)，從而達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的尺寸小型化，手腕式佩戴設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)一天24小實(shí)時(shí)心率監(jiān)測(cè)。MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)TI公司1996年推向市場(chǎng)的16位單片機(jī)，該單片機(jī)是一款具有精簡(jiǎn)指令集和超低功耗的混合型單片機(jī)，具有極低功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)備和方便靈活的開發(fā)手段，成為許多高精度設(shè)備電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的首選。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

信號(hào)經(jīng)過(guò)前置差動(dòng)放大，低通濾波等處理，放大至合適的幅值送入AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。采集系統(tǒng)在MSP430控制下進(jìn)行，為保證采集系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作，內(nèi)部各模塊電路均配置穩(wěn)壓器件，具有啟動(dòng)快、方便、安全等特點(diǎn)。

根據(jù)心率信號(hào)特點(diǎn)，系統(tǒng)主要包括傳感器接口電路、信號(hào)采集、放大和濾波電路，信號(hào)前置級(jí)應(yīng)滿足如下要求：1）高輸入阻抗。通過(guò)傳感器檢測(cè)的脈搏信號(hào)是不穩(wěn)定的微弱信號(hào)，為了減小信號(hào)源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器的輸入阻抗；2）高共模抑制比CMRR。人體所產(chǎn)生的干擾以及測(cè)量參數(shù)以外的干擾，一般為共模干擾；3）低噪聲、低漂移；4）高安全性，以確保人體絕對(duì)安全。

圖2 前置放大電路

2.1 放大集電路設(shè)計(jì)

前置放大電路對(duì)于脈搏波信號(hào)采集來(lái)至關(guān)重要，考慮到脈搏信號(hào)的特點(diǎn)，心率信號(hào)采集屬于強(qiáng)噪聲環(huán)境下的微弱生理信號(hào)檢測(cè)，要求放大器具有高共模和差模輸入阻抗；低輸出阻抗、精確和穩(wěn)定的增益、高共模抑制比。基于以上分析，選用ANALOG DEVICES退出的低功耗、高精度儀表放大器AD620作為前置放大的核心器件。放大電路設(shè)計(jì)如圖2所示。AD620由三個(gè)放大器組成，內(nèi)部采用三運(yùn)放典型電路，可實(shí)現(xiàn)1～1000增益任意調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)是通過(guò)引腳1和8的連接阻抗R3實(shí)現(xiàn)。

2.2 濾波電路設(shè)計(jì)

脈搏波檢測(cè)屬于強(qiáng)噪聲環(huán)境下的弱信號(hào)檢測(cè)，因此濾波電路設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。根據(jù)脈搏波心率信號(hào)特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用帶通濾波器對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。考慮到電路設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔、可靠，帶通濾波器可由低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)而成。濾波電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，LM358是雙運(yùn)放集成電路，它內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的高增益和具有內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，具有短路保護(hù)輸出、內(nèi)部補(bǔ)償、真差動(dòng)輸入級(jí)、低輸入偏置電流。

帶通濾波器的通帶頻率范圍0.8～3Hz，R1、R2可在3～5K范圍內(nèi)選取，選定阻值以后，電容C1和C2應(yīng)根據(jù)阻值和濾波器截止頻率確定，進(jìn)而確定其他電阻、電容參數(shù)。由示波器顯示的帶通濾波電路輸出脈波形如圖4所示。

圖3 濾波電路 圖4 脈搏波的示波器輸出信號(hào)

2.3 二級(jí)放大電路

目的是將信號(hào)放大到適合A/D轉(zhuǎn)換的要求，從而使前置放大器的放大倍數(shù)不太高，提高信號(hào)質(zhì)量。經(jīng)前置放大后信號(hào)約50 mV，因此后級(jí)放大倍數(shù)為100。二級(jí)放大電路如圖5所示。

圖5 二級(jí)放大電路

3 心率計(jì)數(shù)軟件設(shè)計(jì)

程序主流程如圖6所示，包括CPU初始化、LCD初始化、時(shí)鐘初始化、溫度傳感器18b20初始化、軟硬件自檢、讀取溫度和時(shí)間、按鍵掃描與控制等。由于心率檢測(cè)需24小時(shí)持續(xù)進(jìn)行，因此，系統(tǒng)應(yīng)循環(huán)檢測(cè)，直到用戶按停止鍵。

圖6 心率測(cè)試程序主流程

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)原理和軟件流程，硬件電路主要包括心率傳感器電路、信號(hào)放大和濾波電路等，能十分方便地計(jì)算出實(shí)時(shí)心率，本系統(tǒng)采用高性能、低功耗430系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，具有體積小、成本低、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低，實(shí)現(xiàn)了對(duì)心率和溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量、實(shí)時(shí)顯示，超限報(bào)警等功能，大量實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用表明，本心率檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，可用于檢測(cè)如心臟病患者和老年人的心率參數(shù)，并可以幫助醫(yī)護(hù)人員對(duì)特定人群進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)和防護(hù)。