攜帶型單片機控制液晶顯示心率計

　　它採用紅外線來進行檢測採集人體的脈搏，檢測的部位為被檢測人的任意一個手指或者是耳垂。
　　檢測的基本原理是：隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變。當血液送到人體組織時，組織的半透明度減小;當血液流回心臟，組織的半透明度增大。這種現象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。因此，本心率計將紅外發光二極體產生的紅外線照射到人體的上述部位，並用裝在該部位另一側或旁邊的紅外光電管來檢測機體組織的透明程度並把它轉換成電信號。由於此信號的頻率與人體每分鐘的脈搏次數成正比，故只要把它轉換成脈衝並進行整形、計數和顯示，就能實現實時檢測脈搏次數的目的。
硬體電路設計
　　筆者設計的這款攜帶型單片機控制液晶顯示型心率計，硬體整體電路如圖1所示。它可分為兩個大的電路組成部分，即心率採集處理電路和單片機控制顯示部分。

心率採集處理電路
　　心率採集處理電路如圖2所示。該部分電路主要由脈搏次數紅外檢測採集電路模塊、信號抗干擾電路模塊、信號整形電路模塊等三個主要的電路模塊組成。其中，紅外線發射管D1和紅外線接收管Q1組成了紅外檢測採集電路;R2與C1、C2與C3、R4與C4和IC1a共同構成了信號抗干擾電路組，它們分別承擔了對信號的低通濾波、干擾光線的光電隔離、殘餘高頻干擾的濾除等任務。另外，IC1b、C5與R10、IC1c則共同組成了信號整形電路模塊。
　　

　　心率採集處理電路工作的基本過程如下：
　　首先，紅外檢測採集電路中D1發射紅外線，而Q1則接收相應組織的半透明度，同時轉換為電信號。由於脈搏一般在50次/分～200次/分之間，對應的頻率範圍在0.78Hz～3.33Hz之間，因此經紅外檢測採集到並轉換得到的電信號頻率就非常低。為了防止信號因外界高頻信號干擾而使檢測結果有誤，信號就必須先進行低通濾波，以便濾出絕大部分的高頻干擾。電路中採用R2和C1來完成濾除高頻干擾的任務。
　　然後，由於本心率計設計的適用場所為室外，因此它必然會遇到強光輻射的情況。為了避免在接收正常脈搏紅外線時受到強光的干擾，電路中設計使用C2、C3背靠背串聯組成的雙極性耦合電容構成一個簡單的光電隔離電路，從而實現了對於干擾光線的隔離。此外，為了防止前面對於高頻干擾濾除的不夠徹底，電路中還設計連接了由IC1a、R4、C4組成的截止頻率為10Hz左右的低通濾波器電路，以便進一步濾除干擾，同時將前面的信號放大200倍左右。
　　經前面處理得到的信號為疊加有雜訊的脈衝正弦波，接下來必須對這個信號經過整形。先是通過比較器IC1b將正弦波轉換成方波。利用R8可以實現將比較器的閾值調定在正弦波的幅值範圍之內的目的。接下來，從IC1b的7引腳輸出的方波信號經C5、R10構成的微分電路，進行微分處理后將成為正負相間的尖脈衝。為了穩定脈衝的輸出，電路設計時是將此脈衝輸入到單穩多諧振蕩器IC1c的反相輸入端，並利用IC1c的輸出來作為後極工作的實際使用脈衝。
　　IC1c在工作時，凡有輸入信號時，它會在輸入信號后沿到來時輸出高電平，從而使C6通過R11充電。大約持續20ms之後，IC1c同相輸入端的電位會因C3充電電流減小而降低，當此電位低於反相輸入端的電位時（尖脈衝已過去很久）， IC1c就將改變狀態並再次輸出低電平。這20ms的脈衝時間是與脈搏同步的，這種脈衝在電路工作時是與紅色發光二極體D3的閃爍情況相對應的。
　　經過IC1c之後的脈衝就是後面單片機控制電路所需的實際脈衝，通過R12送到單片機P3.3引腳后，就可實現後面的計數和顯示了。
　　IC1a、IC1b、IC1c工作所需的4.5V電源電壓，在電路中是通過R14、R15對9V分壓並經IC1d緩衝而得到的。這樣的設置，就使得即使電池電壓降低到6V，本電路也能實現正常工作。
單片機控制電路
　　單片機控制電路如圖3所示。本部分電路主要由AT89C2051單片機、SMC1602A液晶顯示晶元、12MHz的晶振電路以及複位電路等幾個部分組成。電路主要完成對於前面採集處理得到的脈衝進行計數和顯示的任務。

　　經採集處理后得到的脈衝信號，通過P3.3引腳被輸入到單片機中。單片機被設為負跳變中斷觸發模式。因此，每次脈衝下降沿到達時，單片機就將被觸發併產生中斷進行計時;而當下一次脈衝的下降沿到達時，單片機就對兩次脈衝間的時間間隔進行運算，運算的結果就是心率。這個結果值，將通過P1口送至SMC1602A液晶顯示晶元的數據埠，從而被顯示出來。
　　在顯示心率值之後，單片機將對此心率值與80～120的人體正常脈搏範圍進行比較。若此值X為80≤X≤120，液晶顯示晶元中會顯示“Very Good!”，以表示被測者心率正常;若此值不在80～120範圍之內，即X120，那麼，液晶顯示晶元中會顯示“A Little Bad!”，以便表示被測者心率出現不正常。
　　另外，為了提示用戶及時觀察心率值的顯示，電路中還設置了一個提示音的裝置。即每次脈衝到來時，單片機P3.7引腳所連接的蜂鳴器SP均會發出提示音，這樣，當用戶第二次聽到這個提示音時，就表明1分鐘的脈搏計數顯示已經完成。如此一來，結合前面心率採集處理電路中對於每次脈搏給予的點亮閃爍裝置，本心率計在使用時就可以通過聲光相結合的形式形象地把脈搏的快慢顯示出來。
　　此外，本心率計設計的有效測量顯示範圍為50次/分～199次/分。為避免可能出現的干擾的影響，單片機對兩個脈衝之間的時間間距進行檢測，若發現有干擾，即次數值不在設置的有效測量顯示範圍之內時，則忽略該干擾而不顯示。這樣就更加降低了心率計在實際使用時出現誤差的可能性。
元器件選取