基于MSP430的心率检测系统硬件设计The hardware circuit design of heart_rate detecting system base on MSP430摘要 基于红外检测和MSP430单片机主控的便携式心率信号测试仪，采川红外对管和指脉测 量原理采集人体心率信号，经放大、滤波、整形等信号调理,至单片机主控单元,对心率信号进 行分析、处理，并通过LCD显示和语音提示，实现智能心率检测关键词：指脉测最；信号调理；心率检测Abstract The portable cardiotach ometer which base on infrared detecting and be subject to MSP430 single-chip microcomputer , use the principle of infrared and thumb-pulse measure to detec heart-rate signal. The signaJ be treat with magnified, filter, Plastic etc. The main control unit of SCM process and analysis the heart-rate signal,Intelligent heart-rate detecting be realized by LCD display and voice clew.Key: Thumb-pulse measure; Signal process; Heart-rate detecting・1. 概述2方案论证 2.1传感器方案论证 2.2前置放大器方案论证 2.3低通滤波器方案论证 2.4后级放大器方案论证 2.5幣形电路方案论证 2.6心率信号处理方案论证 3整体方案设计 4单元电路设计 4.1传感器电路设计 4.2前置放大器电路设计 4.3低通滤波器电路设计 4.4后级放大电路设计 4.5幣形电路设计 4.6心率信号处理电路设计 5电路测试与数据分析 5.1测试仪器 5.2测试方法 5.3测试数据 6问题及处理 结论 致谢 参考文献一、概述统计表明，由心脏引发的多种突发性疾病，严重影响人们的身体健康。
因此，研究一种携带方 便、使用简单，能够在家里随时进行心率信号测量的简易心率检测仪，具有现实意义木课题是基于红外和MSP430单片机的便携式简易心率信号测试仪检测前端采丿I］红外传感器和 无线传输技术，控制单元采用MSP430系列单片机人体手指末端含有丰富的小动脉，它们和其它部位的动脉一样，含有丰富的信息手指尖的微 血管随肴心脏的跳动发生相应的脉搏的容积变化，光发射电路发出的特定波长的光透过手指到光电 器件，此过稈被检测生理量（人体的脉搏）转换成光信号，通过光电器件转换为电信号，送入前级放 大电路将信号放大、滤波,得到脉搏信号，该信号经再次放大、整形处理，送至MSP430主控单元.从光源发出的光除被手指组织吸收的部分外，一部分由血液漫反射返冋光电式脉搏传感器按 照光的接收方式可分为透射形式和反射式，其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且 对称布置，接收的是透射光，这种方法可较好地反映出心律的时间关系，但不能精确测最出血液容 积最的变化；反射式的发射光源和光敏器件位于同一侧，接收的是血液漫反射冋来的光，此信号可 以精确测量血管内容积变化木系统采用指脉测最原理和红外光电传感器实现心率信号测量。
信号调理电路包括前置放大 器、低通滤波电路、可控增益放大器和幣形电路等环节放大电路将检测信号放大、整形后，加至 单片机进行A/D转换，再由单片机将A/D转换的数据进行分析、处理，得到心率值，根据心率值判 断并通过LCD显示2、方案论证人体心率信号的频率范围为0.78〜3. 33IIz Z间，幅度约为10uV〜5mV,信号十分微弱，加 Z心率信号中通常混杂有其它生物电信号，以及外界与仪器本身产生的光电等干扰信号影响，因此 系统对抗干扰能力和信号处理能力要求较高2.1.传感器方案论证方案一：采用压电陶瓷片作为传感器将压电陶瓷片贴于人体颈部，感受心跳时颈部动脉压力变化，在陶瓷片两血产生电位差，通过 采集电乐变化信号探测心跳方案二：采用红外发射、接收二极管作为传感器该方案利用指脉的测量原理，指脉测最屈于检测有无脉博的测最，有脉搏时遮扌为光线，输出端 无信号或信号非常小，无脉搏时透光强，输出端有信号且信号很强结论：用压电陶瓷片测量心率信号时，外界干扰信号对电路的影响较小，抗干扰能力强，但由 于其电路结构复杂，测量方法繁琐，故不采川；指脉测量的电路结构简单，拟采川此方案但由于 红外接收二极管属于光敏元件，外界光电信号极易对其产生影响，所以在电路设计时，应考虑电路 的抗干扰性能，并在电路中加入低通滤波器，削弱外界干扰信号对心电信号的影响。
2.2前置放大器方案论证方案一：采用普通集成运算放大器采川集成运算放大器LM358o LM358内部包括有两个独立的高增益、内部频率补偿的双运算放大 器，适合于电源电圧范围很宽的单电源使用，也适用于双电源T作模式，具行电源电压范用宽、低 功耗电流、低输入偏置电流、输出电压摆幅大等特点方案二：采用典型的仪用放大器电路如图1所示该电路具有高输入阻抗、低输出阻抗、高共模抑制比等特点，有效的抑制外 界干扰本电路由Ul, U2组成同相并联输入第一级放大，U3为旁动放大，RG用于改变放大器的增益, 电路中要求R1与R2, R3与R4须匹配图1 三运放仪用放大电路结论：由于三运放仪用放大电路采用过多的集成运放和分立元件，且电阻难以做到匹配，因此, 共模抑制能力下降，加Z心率信号的频率信号非常低，低于一般的干扰信号，加入低通滤波器即可 有效的抑制外界的干扰故本课题采用普通的集成运算放大器LM358作为心率信号的前置放大器2.3低通滤波器方案论证低通滤波器主要用于抑制心率信号中5HZ以上高频干扰，并获取纯净的心率信号，即按人体心 跳在运动后最高跳动次数达240次/分来计算，其截止频率为4HZ,但为了保证心率信号不被衰减过 大，将其截止频率设为5Hz。
方案一：采用二阶切比雪夫低通滤波器切比雪夫滤波器与其他有源滤波器相比,在相同的阶数下，其值在进入阻带以后衰减更陡嵋, 其幅频特性曲线为-40dB/10倍频，接近理想滤波器的要求，但其通带内输出有波纹,输出信号不平 滑方案二：采用二阶巴特沃斯低通滤波器巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐 渐下降为零，幅频特性曲线为-40dB/10倍频在振幅的对数对角频率的波徳图上，从某一边界角频 率开始，振幅随着角频率的增加而逐步减少，趋向负无穷大，特别适用于低频应用，其对于维护增益 的平坦性来说非常重要方案三：采用二阶贝塞尔低通滤波器其电路结构简单，且加入了集成运算放大器，因此具有输入阻抗高，输出阻抗低等特点，同时 具有输入缓冲作用，通带外幅频特性曲线能达到-40dB/10倍频贝塞尔滤波器能在它的通频带内提 供平坦的幅度和线性相位（即一致的群延时）响应结论：切比雪夫低通滤波器通带内输出有波纹，输出信号不平滑，对丁幅度非常低且极不稳定 的心率信号来说影响较大，故不予采用贝塞尔滤波器与巴特沃斯滤波器相比，均能维持通带内输 出波形的平坦性，但贝塞尔滤波器的电路结构够简单，为了简化电路结构，缩小成木，故木课题采 用二阶贝塞尔滤波器作为低通滤波器。
2.4末级放大器方案论证方案一：采用固定增益放大器固定增益放大器采川和前置放大器相同的电路结构，但其增益较低红外光电接收管输岀的信 号一般在3niV〜lOmVZ间，为保证心率信号足够大，以便于后续处理，但又不能失真，因此整个电 路的放大倍数设在1000倍左右为宜，由于前级放大借数在100借左右，故后级放大倍数大约在10 左右方案二：采用可控增益放大器可控增益放大器与固定增益放大器的区别仅在于前者的增益不可调，示者的增益可调结论：由于人体心率信号极不稳定，变化范围大、且信号幅度的大小因人而异，因此，最可取 的方式是将后级放大器设置为增益可调放大器本课题采用了有别与传统的可调增益放大器的方案, 传统的方式是将反馈电阻用可调电位器代替，通过调节电位器即可改变放大倍数，但使川起来极不 方便，因此本课题采用了用单片机和模拟开关来控制放大倍数的自动控制方案，即单片机随时采集 输出信号的大小，并和单片机设置的基准电压进行比较，当输出信号幅度小于基准电压时，单片机 控制模拟开关的“开”与“合”，使放大器的放大倍数增大，当输岀信号幅度大于基准电压时，单片 机控制模拟开关，使放大器的放大倍数减小，使具达到智能控制的忖的。
2.5整形电路方案论证经过放大、滤波后的心率信号还不能直接送入单片机系统处理,还必须对其进行整形,得到一 个可供单片机处理的脉冲信号本系统提供以下两种整形方案：方案一：采用用555定时器构成的施密特触发器施密特触发器具有冋并电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲， 为数字系统提供标准的脉冲信号用施密特触发器可以将任意形状的信号转变为矩形脉冲信号,其 电路结构简单，但是其内部参考电压由电源电压VCC决定，不可变方案二：采用电圧比较器根据心电信号主波幅值高的特点，通过设置合适的比较器门限电压，即可得到准确、平滑的矩 形脉冲信号门限电压由外部电路提供设计时，通常将电源电压经分压电阻分压后供给比较器， 为了便于调节，分压电阻一般采用电位器结论：rfl于施密特触发器内部参考电压不可调，当不同的人心率信号幅度相并较大时，不便于 调整，与施密特触发器相比，电压比较器门限电压由外部电路提供，可方便的调试，故木课题采用 电压比较器作为整形电路2. 6主控单元方案论证数据处理和外围设备控制采用MSP430F157单片机该芯片具有丰富的片内外设, 如：时钟系统.看门狗、通用定时器、3个捕获/比较定时/计数器、PWM、2个中断端口. I/O端口、 比较器、12位ADC、USART等,是一款性价比极高的单片机系统。
利用它作为心率信号的处理、控 制器，极大地简化了系统硬件电路和开发成本3、整体方案设计红外传感器前置放大器滤波器后级放大器7整形电路\Z〉MSP430单片机LCD显示图2系统总体方框图系统整体方框图如图2所示木系统采用红外传感器采集人体信号，利用指脉测量原理，检测 人体心率信号；心率信号经前置放大，有源滤波器有效滤除5HZ以上的高频干扰信号；受控于主控 单元的程控放大器可fl动稳定检测信号的输出电平,以适应不同的测量应用场合和测量对象;整形 电路将模拟量心率信号换为矩形脉冲信号，作为单片机的脉冲计数信号送入主控单元的检测信号可以采用脉冲计数方式，也可以采用模数变换方式，木电路兼具脉冲 计数和模数变换两种接口方式4、单元电路设计4.1传感器电路设计木电路检测前端采用红外传感器，原理电路如下：VCC VCC VCC图3检测前端电路电路中，发光管LED1与R1串联，R1在电路中起限流作用，接收管LED2与电阻R2串联，R2起 限流，R3与R2串联接入电源端，起分压作用，为后级放大电路提供一个大约1.8V的直流偏置由 于接收管阻抗较大，为了防止接收管与前置放大电路Z间的相互影响，在接收管输出与前置放大器 Z间加入电压跟随器，对两级电路进行隔离，同时具有输入缓冲作川，提高了电路的稳定性。
电容 C1与R2、R3、放大器U1构成一阶低通滤波器，。