基于集成心跳探测芯片的心跳测试仪研究

　　0 引言

　　心跳是人类生命的基本特征，表面上看，心率似乎仅反映了心脏跳动的频率，但实质上，心率能较可靠地反映出人体心血管的机能状况;同时，由于心率 对运动的刺激反应比较敏感，能确切地反映身体负荷的不同变化。把目标心率与主观感觉运动负荷评估值(rating of perceived exertion，简称 RPE)结合起来评价运动员的机能状况会更客观[1 ]，因此，心跳频率检测对实际生活(包括医疗、体检、运动、测谎等方面)非常有价值。

　　心率检测基本实现原理有 2 大类：1)将多普勒雷达技术与高速信号处理技术相结合，实现快速傅里叶变换和频率响应曲线很陡的滤波功能，这样就可从杂乱的回波信号中提取出人体所特有的 心率信号[2];2)由红外传感器作探测装置通过接触人体表面而获得心率信号，随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变，当心脏将血液推入动脉时，血液 组织的半透明度减低，传输到光敏器件上的红外线变弱，红外线接收器的输出信号较小，从而实现对心跳信号的取样。本文采用了反射式红外传感器，在实际应用中 只需将传感器接触身体任何部位即能达到探测效果。

　　1 心跳测试仪基本原理

　　心跳测试仪主要由信号获取单元和信号处理单元2 部分组成。其中心跳非电量信号经过反射式红外传感器变成电量信号，此电量信号通过心跳探测芯片进行放大，2 级滤波，自适应迟滞比较最终输出数字信号，然后单片机对数字信号进行处理，计算出心跳频率，并通过 LED 显示，其基本原理如图 1 所示。

　　2 反射式红外传感器原理

　　将红外辐射能转换成电能的光敏器件称为红外传感器，它是红外探测系统的核心，其性能好坏将直接影响红外探测系统性能的优劣。选择合适的、性能良好的红外传感器，对于红外探测系统十分重要[3]。

　　在本设计中，选用日本公司生产的反射式红外传感器 SG-105F，其内部结构如图2 所示[4]。其工作原理如下，根据图 2 加芯片外接电路，EMITTER 的方波从发光二极管的 Input 端输入，此时二极管的发光频率为方波频率，镜面反射二极管的红外线被光敏三极管接收，通过三极管的 Output 引脚输出相应的电压信号，并送至心跳探测芯片。为了使传感器将心率转化为电信号，此时可以用指腹按住器件，由于指腹反射红外线，此时传感器也处在工作状 态。而指腹中的毛细血管会随着心脏的搏动舒张或收缩，这在一定程度上能影响反射的效率。这是因为人体组织的半透明度会随心脏跳动而变化，当心脏将血液推入 动脉时，血液组织的半透明度降低，因此能穿透手指的红外线变弱，红外线接收器的输出信号较小，反之，输出信号将增大。此时心率反映为三极管上的光强度周期 性的变化，光敏三极管即可将它转化为电信号输出，这样心率信号就调制到了传感器输出信号上。