摘 要：介紹了一種的由取樣電路、放大整形電路、計(jì)數(shù)顯示電路、電源電路四部分組成的新型心率計(jì)的設(shè)計(jì)方法。采用高集成度、高性能、低功耗、高頻高速的集成芯片實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)譯碼模塊。具有時(shí)基信號頻率穩(wěn)定，設(shè)置合理，計(jì)數(shù)器清零及時(shí)，瞬時(shí)心率周期內(nèi)準(zhǔn)確計(jì)數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。測量范圍為0～199次/min，兩位半數(shù)字顯示測量值。
　　關(guān)鍵詞： 瞬時(shí)心率； 數(shù)字方法； 快速； 兩位半顯示

 　　心跳速率是了解人體健康狀況的重要參數(shù)之一，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確顯示心率在生物醫(yī)學(xué)以及體育運(yùn)動(dòng)方面都有廣泛的應(yīng)用。
　　目前使用的心率計(jì)其測量范圍幾乎都是每分鐘幾十至兩百多次。本文介紹一種新型數(shù)字心率計(jì)的設(shè)計(jì)，其測量范圍為0～199次/min，并作兩位半數(shù)字顯示，所顯示心率值是前一次心跳的速率（每心跳一次心率顯示更新一次）。本心率計(jì)能快速測量出人體瞬時(shí)心率值，對于極低的心率依然能夠準(zhǔn)確測量出來。
1 測量方法
　　設(shè)兩次心跳間隔時(shí)間為T秒，則瞬時(shí)心率（Instantaneous Heart Rate）可表示為：
　　IHR=60/T （次/min）
　　即先測量兩相鄰R波之間的時(shí)間T秒（即瞬時(shí)心率周期），再將這個(gè)心率周期轉(zhuǎn)換為每分鐘的心跳次數(shù)。
如果用頻率為f的時(shí)鐘脈沖作為測量時(shí)間基準(zhǔn)信號，在T秒時(shí)間內(nèi)對時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，并設(shè)計(jì)數(shù)值為N，則T=N/f，故瞬時(shí)心率的計(jì)算公式又可表示為：
IHR=60f/N  （次/min）
　　只要算出脈沖數(shù)，即可根據(jù)上式求出瞬時(shí)心率[1]。
2  電路組成及工作原理
2.1  電路組成方框圖
　　心率計(jì)電路基本組成框圖如圖1所示。

　　通過取樣電路獲得微弱的人體心電信號（約0.5mV～3 mV），通過具有低通濾波特性的放大器將心電信號放大到2V左右，并將心電信號含有的音頻干擾濾除。整形電路先由比較器將脈搏波變換為方波，再通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器把不規(guī)則的方波整形成為寬度相同，并且小于一個(gè)時(shí)鐘周期的“干凈”的矩形脈沖。石英晶體多諧振蕩器產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的時(shí)鐘脈沖作為時(shí)基信號。計(jì)數(shù)器在心率周期T秒時(shí)間內(nèi)對輸入的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，經(jīng)過譯碼存儲電路即可得到瞬時(shí)心率值的BCD碼，再經(jīng)過鎖存驅(qū)動(dòng)電路送至顯示電路進(jìn)行顯示。利用心電信號經(jīng)過放大整形得到的矩形窄脈沖作為鎖存器的鎖存使能信號，并經(jīng)過延遲后作為計(jì)數(shù)器的清零信號，這保證了計(jì)數(shù)器在瞬時(shí)心率周期內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)，且鎖存顯示的是前一次心跳的速率。
2.2 各模塊的電路及工作原理
2.2.1 取樣傳感器
　　取樣電路采用抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器CPS182?？垢g的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個(gè)惠通斯電橋。由于壓敏電阻的壓阻效應(yīng)，使電橋產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比、與激勵(lì)電壓成正比的高度線性度電壓信號。通過激光標(biāo)定，該傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性。
2.2.2  放大整形電路
　　放大器由第一級放大器A₁、第二級放大器A₂和RC低通濾波器組成，如圖2所示。對這部分電路的設(shè)計(jì)要求有：(1)輸入阻抗高，輸出阻抗低；(2)放大倍數(shù)足夠大；(3)低頻響應(yīng)好；(4)溫度漂移?。?5)抗干擾能力強(qiáng)[2]。

　　電阻R₁與電容C₁、電阻R₃與電容C₂構(gòu)成低通濾波器，將脈搏波中的音頻噪聲濾去。R₁ 、R₃取阻值為2 kΩ，C₁，C₂容量根據(jù)實(shí)際測量值而定。第一級運(yùn)放A1采用差動(dòng)比例放大電路（因前面為電橋電路），第二級運(yùn)放A2采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋，提高了放大倍數(shù)的穩(wěn)定性，且運(yùn)放級輸入電阻較大，輸出電阻較小。第一級電壓放大倍數(shù)為：              
　　
　　顯然,上式忽略了電容C₁的影響。實(shí)際上，總電壓放大倍數(shù)A<1020倍,且心跳頻率不同,A也不同。
放大器輸出的心電信號還不能直接用于心率測量，必須經(jīng)過整形電路變換成脈沖信號。整形電路如圖3所示。本設(shè)計(jì)的整形電路先通過比較器把脈搏波變成方波，再通過R₁₀與C₆進(jìn)行微分后觸發(fā)555組成的單穩(wěn)電路把方波整形成寬度也相等的窄脈沖，以作為鎖存使能信號和計(jì)數(shù)器延時(shí)清零信號。

2.2.3  計(jì)數(shù)譯碼顯示電路
　　本設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)譯碼顯示電路如圖4所示。采用12位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC4040與4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS163級聯(lián)構(gòu)成16位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。其計(jì)數(shù)值在0～65 535之間，所計(jì)得的二進(jìn)制數(shù)作為EPROM uPD24C1024D的地址碼，該地址單元存儲的數(shù)據(jù)為相應(yīng)瞬時(shí)心率值的BCD碼。EPROM輸出的數(shù)據(jù)送到3片具有鎖存驅(qū)動(dòng)功能的芯片CC4511以驅(qū)動(dòng)用于顯示個(gè)位、十位、百位的LED顯示器[3]。

 　　假設(shè)心率為150次/min，那么計(jì)數(shù)器在一個(gè)周期T內(nèi),可以計(jì)數(shù)得到脈沖數(shù)N=60×1 000/150=400(個(gè))，化為十六進(jìn)制數(shù)為190，即在EPROM的190地址單元中填上心率值150的個(gè)位、十位、百位數(shù)，亦即D8為1；D7、D6、D5、D4分別為0、1、0、1；D3、D2、D1、D0均為0。如果心率為80次/min，則計(jì)數(shù)器在一個(gè)周期內(nèi)計(jì)得的脈沖數(shù)為N=60×1 000/80=750(個(gè))，用十六進(jìn)制數(shù)表示為2EE，即在EPROM的2EE的地址單元中填上心率值80的個(gè)位、十位、百位數(shù)，亦即D8為0；D7、D6、D5、D4分別為1、0、0、0；D3、D2、D1、D0均為0。如果心率為10次/min，則計(jì)數(shù)器在一個(gè)周期內(nèi)計(jì)得的脈沖數(shù)為N=60×1  000/10=6 000(個(gè))，用十六進(jìn)制數(shù)表示為1 770，即在EPROM的1 770的地址單元中填上心率值10的個(gè)位、十位、百位數(shù)，亦即D8為0；D7、D6、D5、D4分別為0、0、0、1；D3、D2、D1、D0均為0。依此編碼。由于實(shí)際計(jì)數(shù)值與理論值存在差異，一定范圍數(shù)內(nèi)的N值可以表示同一心率值，因此EPROM的多個(gè)地址單元可能存放同一個(gè)心率數(shù)值，且心率越低所對應(yīng)地址個(gè)數(shù)越多。
2.2.4  電源電路
　　電源電路部分采用常規(guī)方法設(shè)計(jì)[3]，220V交流電經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)幅，輸出穩(wěn)定的直流電壓，向各部分電路供電。適當(dāng)設(shè)置變壓器原副線圈的匝數(shù)比，使電源電路能提供+15V、+5V的直流電壓。電路圖如圖5所示。

　　EPBOM輸出的數(shù)據(jù)反映瞬時(shí)心率值，經(jīng)過鎖存后再進(jìn)行顯示，鎖存使能信號取自555輸出的心電信號窄脈沖，當(dāng)脈沖上升沿到來時(shí)，鎖存器鎖存當(dāng)前數(shù)值。心電信號窄脈沖經(jīng)過74LS04非門延遲（約50 ns）后作為計(jì)數(shù)器的清零信號，清零后計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)算下一心率周期內(nèi)輸入的脈沖個(gè)數(shù)。延遲電路確保在計(jì)數(shù)器清零之前，鎖存器CC4511有足夠的鎖存時(shí)間。因此，保證了計(jì)數(shù)器在瞬時(shí)心率周期內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)，且鎖存顯示的是前一次心跳的速率。
　　由瞬時(shí)心率計(jì)算公式：IHR=60f /N（次/min）可知，當(dāng)周期計(jì)數(shù)值N較小時(shí)，N變化一個(gè)單位（增大或減小1）對應(yīng)的瞬時(shí)心率值變化比較大。顯然，低心率處的分辨率較好，高心率處的分辨率較差。而在實(shí)際心率測量中，人們習(xí)慣1跳/min的分辨率，更高的分辨率沒有必要。因此，綜合考慮分辨率要求以及EPROM的地址范圍（0～65 535），本設(shè)計(jì)采用頻率f=1000 Hz的高穩(wěn)定度的時(shí)鐘脈沖作為時(shí)基信號。時(shí)鐘脈沖頻率的穩(wěn)定度，直接決定著計(jì)時(shí)的精度，本設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路選用振蕩頻率穩(wěn)定度很高的石英晶體多諧振蕩器。調(diào)節(jié)電容C4的容值，使晶振時(shí)鐘頻率穩(wěn)定在f=1000 Hz。
　　由瞬時(shí)心率計(jì)算公式IHR=60f/N  （次/min）可得
　　N = 6 0 f /IHR=60×1000/IHR
　　因此，瞬時(shí)心率值IHR與計(jì)數(shù)值N的關(guān)系如表1所示[4]。
 

　　本設(shè)計(jì)采用數(shù)字方法測量瞬時(shí)心率，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測量精度高，可靠性好，并且使用了高集成度、高性能、低功耗、高頻高速的集成電路，能夠很好地實(shí)現(xiàn)對瞬時(shí)心率的測量。
參考文獻(xiàn)
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