便携多功能心率计的设计

收稿日期: 2006- 06- 19 作者简介: 黄红霞 ( 1979) ), 女,湖北咸宁人, 助教,本科。 文章编号: 1008- 8245( 2006) 06- 0057- 03 便携多功能心率计的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 黄红霞 严 伟 (黄石理工学院电气与电子信息工程学院, 湖北 黄石 435003) 摘 要:介绍基于 M CS- 51单片机的便携多功能心率计的硬件和软件设计, 从 ECG波形中提取 R矩形波, 采用 R- R间期法,快速准确地测量心率, 在测量心率的同时可进行体温判断, 克服了传统便携式心率计不能 实时监测体温, 不可判断可疑高危体温的缺点。 关键词:心率;体温 ; R- R间期法; 单片机 中图分类号: TH77212 文献标识码: A The Design of PortableMulti- functional Heart Rate Counts HuangH ongxia Yan Wei ( S chool of E lectrical and E lectronic In form ation Eng ineering, H uangsh i In stitute of Technology, Hu angsh iH ubei 435003) Abstrac t: Th is paper introduces the hardwa re and so ftw are design of the portable mu lti- functiona l heart ra te counts based on MCS- 51 SCM. W e can draw theR rectang lew ave to adopt theR- R cycle law s from the ECG wavefo rm to m easure the heart rate accurate ly and quick ly. And the body temperature can be judged w hen the heart rate ism eas- ured. It overcom es the shortcom ings o f the traditiona l heart rate counts that can t' monito r rea l- tim e body- tem pera- ture and can t' judge the suspic ious high- r isk body- tem perature. K ey words: heart rate; body- tem pe rature; R- R cyc le laws; SCM 心率是临床、手术和生理研究中极为重要的 生理参数之一。迅速准确测量心率是现代医疗监 测仪器的基本功能。随着电子技术的发展, 心率 监护仪逐步向智能化、微型化方向发展 ,目前用于 心率监护的传统 /台式 0机, 体积偏大 , 操作灵活 性差, 同时在监测心率时不能检测体温是否正常, 发现高热人群, 为此根据目前的技术及应用的发 展方向 ,设计了基于 MCS- 51单片机的测量心率 与判断体温是否正常的便携多功能心率计。 1 系统基本设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 通过体温电极从人体胸部获取心电信号, 经 ECG滤波放大电路来完成信号放大和噪声的滤 波, 获取的 ECG 信号经施密特整形变成 R矩形 波, 同时体温信号经过体温电极内的传感器及前 置处理电路转换为电压信号, 与高热、低温临界所 对应的电压值组成窗口电压比较器形成高电平或 低电平。此三路信号送入单片机系统 , 由单片机 系统 LED显示心率值, 并判断体温是否正常, 此 期间若单片机 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 出心率、体温异常, 通过给出心 率、体温越限提示符报警。系统框图如图 1所示。 图 1 系统框图 第 22卷 第 6期 2006年 11月 黄 石 理 工 学 院 学 报 JOURNAL OF HUANGSH I INST ITUTE OF TECHNOLOGY Vo.l 22 No. 6 Nov 2006 2 系统前置电路 2. 1 心率 R矩形波的获取 前置电路的任务是拾取心电信号 , 并经放大、 滤波、整形后获得矩形波, 以供单片机作计数器 T0 的门控信号, 其原理框图如图 2所示。 图 2 R方波获取电路原理框图 无创检测是将体温电极贴在人体的表面或附 带到人体的某一部分来间接测量生理信号, 如心 电、脑电等 [ 1]。由于 R波具有波形陡峭、幅度大、 宽度窄、变化趋势明显的显著特点 [ 2] , 因此主要考 虑 R波的幅度和 R - R间隔周期 , 同时考虑到便 携 ,无创, 使用三电极胸部检测方法 [ 3] , 且将电极 固定, 这样可以直接将心率计放置在胸前来获取 信号进行测量。 选用 AD623作为第一级心电放大器进行电压 放大来提高信号的信噪比。 AD623的增益由 1、8 引脚间的 RG 电位器进行调节。 在心电干扰中, 工频 50H z的干扰最为明显。 因此使用 50H z双 T陷波器来进行抑制。 50H z双 T陷波器由低通滤波器和高通滤波器两部分组 成。低通滤波器 fl > 50H z并且无限接近于 50H z ( fl→ 50H z ) ,高通滤波器 fh < 50H z并且无限接近 于 50H z( fh→ 50H z ) , 由于内阻及条件限制, 不可 能使 50H z时放大倍数为 0, 只能调节使 50H z时 放大倍数相应最小。 通过放大滤波后得到的 ECG信号 UE, 目前应 用较多的以心电图 R波触发计数为技术基础 [ 4] , 可用施密特整形电路和闭锁电路, 当电极接触不 良或电极从人体脱落时, 仪器给出光报警电路 ,同 时使 AD623通过电容闭锁放电。 2. 2 体温信号的获取 体温是临床手术和生理研究中极为重要的生 理参数之一 ,为了使人们在使用此仪器时能判断 体温异常, 有助于测心率时监测高热人群, 其获取 电路如图 3所示。 一般正常成年人在清晨安静状态下, 口腔体 温波动为 36. 3e ~ 37. 2e 之间的狭小范围。不 同人的体温可略有差异 [ 5]。低体温是指中心体温 低于 35e 而言 , 严重体温骤低症分为 3度: ①轻 度 :中心体温 35e ~ 32e ; ②中度: 32e ~ 28e ; 图 3 体温信号获取电路原理框图 ③重度: 中心体温 28e 以下。在此系统中认为体 温 35e ~ 38. 5e 时为亚正常和正常 , 否则为高热 或低温。采用 IN 4148型二极管与电极组合构成 体温电极 , 求得高温 ( 38. 5e )和低温 ( 35e )的 电压 ,通过调节高热基准和低温基准的电压值 , 经 过窗口电压比较器得到高或低电平 , 以供单片机 作计数器 T0 的门控信号。其体温逻辑状态图如 图 4所示。 高热 低温 状态 1 0 高热 0 1 低温 0 0 正常、亚正常 图 4 体温逻辑状态图 3 单片机系统与算法的确定 3. 1 单片机系统组成 从便携和经济角度出发, 选用 MCS- 51系列 构成单片机系统 , 外接 1片 2764EPROM作为程序 存储器。用 8255A作为系统的输入并行扩展口 , 心率和体温信号从此输入。采用 89C 52可进一 步减少体积 , 向小巧轻便更进一步。其单片机系 统组成框图如图 5所示。 图 5 8051系统电路的框图 3. 2 算法的确定 ) ) ) R - R间期法 采用 R- R间期法 , 只需采用两次心跳 , 即 R - R间期就可以测出 1分钟内的心跳次数 , 响应 时间短, 精度高。 R - R间期法是时间间隔测量的特殊情形 , 连 续两次相同的相位 ) 时间 (例如周期性波形中正 向过零点 )之间的时间间隔的测量。即用机器周 58 黄 石 理 工 学 院 学 报 2006年 期作为尺度来测量信号的周期, T s为标频周期 , K 为分频系数 , fc为石英振荡器的输出频率 , N为时 间 T x内计数器的计数结果, 测量周期为 : Tx = N @ T s= N @ K / fc, 测量周期误差为 : $Tx / Tx = ? ( K / Tx @ fc+ |$fc / fc | ) , 在此单片机系统中由于 只选择呼吸的一个周期测量, 且 K = 12, fc = 8MH z,由于对于单片机的晶振而言 , $fc / fcU 0,所 以 $Tx= ? K / fc (即一个机器周期 )。如图 6所 示。 图 6 R - R间期法 这时的误差与被测信号频率成正比, 要使频 率测量精度高, 应在被测频率 fx较低时采用 R - R间期法。因此根据心电信号的低频特点, 采用 R- R间期法快速准确的测量心率。 用 8051单片机系统实现 R- R间期法时, 可 将单片机内计数器 T0 初始化为计数工作方式 ,检 测到被测心率方波信号的第一个下跳沿时 , 使 T0 对内部标频开始计数 , 检测到第二个下跳沿就使 T0 停止计数 ,并记下这时 T0 的值, 即可求出心率 fx。 8051单片机晶振振荡频率定为 8MH z, 即内 部时钟周期为 1. 5Ls, 若 T0计数为 N, 则可得输入 R方波的周期为: Tx = N @ 1. 5 Ls fx = 1 /T xH z 心率 n= 60 @ fx 4 测试软件 单片机测量系统的测量程序流程图如图 7所 示。 5 结束语 心率和体温都是临床、手术和生理研究中的 重要参数。为了在快速准确地测量心率的同时监 测高热人群 , 设计了此便携多功能心率计。因为 采用简单电路, 而且在软件处理中没有考虑基线 漂移 ,当基线漂移时, 其测量将受限 , 因此还需进 一步完善软件设计, 抑制基线漂移。 图 7 测量程序流程图 另外 , 在体温的测量过程中, 不同人的体温可 略有差异, 同时受环境温度的影响 , 测量电极在胸 部可能略差于实际体温 , 测量此时的高热或低温 状态 ,则实际一定处于此种状态中。 参 考 文 献 [ 1] 周玉彬,余梦孙. 用无电极方法测量人体生理信号 [ J]. 北京生物医学工程, 2001, 20( 2) : 91- 94 [ 2] 刘欣桃,吕军, 童隆正, 等. 心电信号的计算机辅助 分析方法的研究 [ J]. 计算机辅助设计有图形学研 究, 1997, 9( 2): 116- 122 [ 3] 王继江,朱宝旺,戎伟芳, 等. 一种较灵敏的心率动 态监测方法 [ J]. 第二军医大学学报, 1997, 18 ( 4): 391- 392 [ 4] 周洪建,吴晓玲. 心电监护系统的设计 [ J]. 医疗卫 生装备, 2000, 10( 6): 3- 5 [ 5] 陈开国. 谈体温检测的几个问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 [ J] . 生物学教学, 2002, 27( 7): 32 第 6期 黄红霞 严 伟:便携多功能心率计的设计 59