基于太陽能供電智能心率檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

摘要：現(xiàn)在的醫(yī)學(xué)測(cè)量?jī)x器多種多樣并且日新月異，給檢查人們身體的健康程度帶來了一定的保證與便捷。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)技術(shù)為主實(shí)現(xiàn)心率檢測(cè)以及實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示，并通過太陽能來給系統(tǒng)提供電源。設(shè)計(jì)輕便易攜帶，可以用于家庭及體育運(yùn)動(dòng)者中。特別采用太陽能供電，對(duì)于戶外運(yùn)動(dòng)以及缺電的偏遠(yuǎn)地區(qū)的人們檢測(cè)心率采集健康數(shù)據(jù)提供了方便。

Abstract： Now， the medical instruments have an amazing variety and change with each passing day， has brought a certain guarantee and convenient for people's health. This design is based on SCM technology for heart rate detection and real-time monitoring and display， and through the solar system to provide power supply. The design is portable and can be used for family and sports. Particularly it uses solar power supply to provide a convenience for outdoor sports and people in remote areas of power shortage to detect heart rate and select health data.

關(guān)鍵詞：心率檢測(cè)；AT89S52單片機(jī)；太陽能；反射式光電傳感器

Key words： heart rate detection；AT89S52 SCM；solar energy；reflective photoelectric sensor

中圖分類號(hào)：TP732 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）19-0139-03

0 引言

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展、社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷增長(zhǎng)的時(shí)代，健康問題是一個(gè)令人十分關(guān)注的重要問題。雖然現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)給人們帶來了越來越好的條件，但是人們的身體狀況并沒有像想象的那樣更好。更嚴(yán)重的是，現(xiàn)在的人們更多的是亞健康，他們有的會(huì)食欲不振、情緒不穩(wěn)、失眠、關(guān)節(jié)疼痛、頭暈、疲乏無力等等。其中，心血管疾病的發(fā)病率逐年提高。目前，患者的年齡卻逐漸降低，心血管疾病對(duì)人類身體健康產(chǎn)生的威脅也越來越大。從專家的說法來看，人們?cè)诂F(xiàn)代生活中坐著工作，不愛運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致心臟發(fā)病的重要原因之一。所以大部分人都認(rèn)識(shí)到了運(yùn)動(dòng)的重要性。不管是老年人還是運(yùn)動(dòng)員又或者是身體亞健康的年輕人都需要運(yùn)動(dòng)去鍛煉身體，在運(yùn)動(dòng)后心率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。在未來幾年內(nèi)，運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備將逐漸普及心率監(jiān)測(cè)功能，必然會(huì)大量地生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備以幫助人們獲得更好的運(yùn)動(dòng)條件，甚至幫助醫(yī)療領(lǐng)域更好對(duì)抗心臟類疾病。本設(shè)計(jì)以智能單片機(jī)技術(shù)為核心，并以太陽能提供電源，利用數(shù)字液晶顯示頻顯示心跳數(shù)及時(shí)間等，實(shí)用方便，有利于戶外運(yùn)動(dòng)及缺電的偏遠(yuǎn)地區(qū)的人們檢測(cè)心率提供了方便。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)分析

心率是指單位時(shí)間內(nèi)心臟搏起的次數(shù)，一般把每分鐘的心跳次數(shù)看做是臨床常規(guī)檢查的生理指標(biāo)之一。心率包含了大量的人體健康狀況的信息，所以現(xiàn)在各種各樣的心率檢測(cè)儀器出現(xiàn)在了市面上。心率檢測(cè)儀器應(yīng)準(zhǔn)確、客觀、便捷。本設(shè)計(jì)以AT89S52單片機(jī)作為主控元件，采用反射式光電傳感器SON1303可以通過檢測(cè)身體各個(gè)部位采集心跳信號(hào)，利用單片機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)定時(shí)器來計(jì)算時(shí)間，然后由脈沖累加得到一分鐘內(nèi)心臟跳動(dòng)的次數(shù)。由LCD1602數(shù)字液晶顯示頻顯示心跳數(shù)及時(shí)間等。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模塊可以劃分為4個(gè)部分：①心率傳感器部分；②單片機(jī)處理電路部分；③太陽能充電電路；④顯示電路。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)硬件框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路分析

單片機(jī)采用AT89S52，由一個(gè)10K電阻和一個(gè)10微法的電解電容組成復(fù)位電路，由兩個(gè)30pF的電容和一個(gè)12MHz的石英晶體組成時(shí)鐘電路及供電電路等，組成單片機(jī)最小系統(tǒng)。顯示電路廣泛采用于便攜式儀表的1602液晶顯示芯片。

2.1 心率信號(hào)采集電路

心率傳感電路主要包括心率信號(hào)的采集、信號(hào)放大電路。主要器件是SON1303傳感器，它內(nèi)部集成了高科技納米涂層的環(huán)境光檢測(cè)傳感器，采用高集成脈沖反射方法的脈沖計(jì)模塊來采集人的心跳，這個(gè)模塊集成了雙綠色LED進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射，接收電路部分的光耦濾波則集成了光敏IC和低噪聲放大器，測(cè)量的靈敏度更高，再將變化的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)放多級(jí)放大后送到單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)計(jì)算出心跳速度并將計(jì)算結(jié)果通過LCD實(shí)時(shí)刷新，實(shí)現(xiàn)從采集心跳到心率顯示的過程。

信號(hào)放大電路是利用低功耗運(yùn)放集成電路LM358M來實(shí)現(xiàn)的，充分運(yùn)用了它的緩沖放大性能（內(nèi)部的兩組放大電路，即1，2，3腳為一組，5，6，7腳為一組）。信號(hào)放大電路如圖2。

2.2 太陽能充電電路

現(xiàn)在社會(huì)能源稀缺，設(shè)計(jì)中利用了太陽能板輸出7-12V電壓，系統(tǒng)需要的5V電壓，需要利用降壓轉(zhuǎn)換器LM2575來輸出穩(wěn)定的5V電壓對(duì)鋰電池進(jìn)行反復(fù)的充電，節(jié)省能源。充電電路如圖3所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)程序主要是通過SON1303集成式傳感器采集腕脈的跳動(dòng)，傳感器采集到的信號(hào)通過放大，形成一個(gè)高低電平的脈沖信號(hào)，通過單片機(jī)外部中斷端口P3.2接口（Heart）采集。心跳計(jì)數(shù)值在小于255次以內(nèi)，每來一次進(jìn)行一次計(jì)數(shù)。

4 結(jié)論

將太陽能板垂直于陽光，測(cè)得太陽能輸出電壓的正負(fù)兩端的數(shù)據(jù)為9.84V；穩(wěn)壓電路的輸入端的電壓5.56V，輸出端電壓4.93V，符合電路要求的5V電壓范圍。電源電路可以正常供電給整個(gè)系統(tǒng)電路。將傳感器板子放在手腕的部分，可以看到紅色LED燈只是隨著心跳在閃爍。把手腕不停地晃動(dòng)，它仍然可以很穩(wěn)定地在閃爍。成功感應(yīng)到脈搏信號(hào)時(shí)，傳感器模塊上的紅色LED呈現(xiàn)與心跳一致的脈搏規(guī)律。測(cè)試過程中，保持身體不動(dòng)，防止肌電干擾。保持手腕的放松和穩(wěn)定大約30s即可測(cè)出上一分鐘的脈搏次數(shù)，顯示在顯示器上，經(jīng)過多次的反復(fù)試驗(yàn)，誤差不超過0.5%。

本設(shè)計(jì)利用太陽能提供電源，節(jié)約能源。選擇SON1303這種高度集成的傳感器，心率信號(hào)的采集更加穩(wěn)定，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過LCD顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行并且測(cè)量靈敏度高，充分達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。并且該裝置體積小，方便攜帶，可作為日常生活檢測(cè)心率的一種工具。

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