自制心率測(cè)量?jī)x

ID:71235 · 發(fā)表于 2014-12-27 21:11

花了整整18個(gè)小時(shí)，終于完成了這個(gè)心率測(cè)量?jī)x，看圖：

因?yàn)閺牟邉澋街谱魍瓿山?jīng)歷了1年半多的時(shí)間，期間方案多次更改，所以很需要記錄一下整個(gè)過(guò)程。

一、起源：
靈感還是來(lái)自愛(ài)折騰，看了后當(dāng)時(shí)就想復(fù)制一個(gè)。

二、準(zhǔn)備工作：
愛(ài)折騰的這個(gè)制作包括模擬檢測(cè)、放大，單片機(jī)計(jì)數(shù)、顯示兩部分，模擬檢測(cè)通過(guò)紅外發(fā)射接收對(duì)管檢測(cè)指尖血流變化，經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大、低通、高通濾波后，形成一個(gè)跟心率同步的脈沖，然后由單片機(jī)檢測(cè)計(jì)數(shù)后，送顯示器顯示。我的方案保留了模擬檢測(cè)部分，單片機(jī)選用了80C2051，脈沖檢測(cè)方式改為測(cè)量脈沖的周期，然后由周期推算出1分鐘的心率值，因而這個(gè)數(shù)值是動(dòng)態(tài)的，省卻了啟動(dòng)按鈕等操作。而原作是才用計(jì)數(shù)15秒內(nèi)的脈沖數(shù)，再計(jì)算出1分鐘速率，單片機(jī)也是用PIC�？紤]到測(cè)量脈沖周期需要標(biāo)準(zhǔn)的方波，所以我在模擬和單片機(jī)之間加上了一個(gè)555電路做的斯密特觸發(fā)器，對(duì)模擬脈沖進(jìn)行整形。
方案定下后是先做個(gè)試驗(yàn)，確認(rèn)模擬部分是否可行的。試驗(yàn)在面板板上做的；這是2011年7月做的：

電路中才用MCP602這一點(diǎn)很重要，因?yàn)槠胀ǖ膯坞娫催\(yùn)放電壓輸出幅度只能達(dá)到2/3VCC，剛剛達(dá)到高電平門限，有可能造成后級(jí)單片機(jī)檢測(cè)失誤，試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。模擬電路通過(guò)后又用另外一塊面包板搭建了一個(gè)80C205電路，用三個(gè)微型的數(shù)碼管作為顯示器，因?yàn)樾穆拭}沖周期常常大于1秒鐘，而單片機(jī)無(wú)法提供如此長(zhǎng)度時(shí)間測(cè)量，所以采用5毫秒的定時(shí)器定時(shí)檢測(cè)脈沖，檢測(cè)到脈沖中斷后開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到下一次中斷計(jì)數(shù)結(jié)束，然后計(jì)算一個(gè)脈沖周期的計(jì)數(shù)值，再乘以5毫秒，就是一個(gè)完整的心率周期了，而5毫秒的定時(shí)間隔對(duì)于心率這樣很長(zhǎng)的脈沖，精度影響是很小的。單片機(jī)部分也取得了成功，這樣完整的系統(tǒng)就算定下來(lái)了。接下來(lái)是設(shè)計(jì)PCB，由于近年形成的習(xí)慣，做東西前都要選一下外殼，一定要根據(jù)外殼定電路，而且是殼越小越好，結(jié)果造成PCB設(shè)計(jì)很困難，因?yàn)樽约褐荒茏鰡蚊娴�，走線很不容易，這是2011年9月未設(shè)計(jì)完成的PCB：

三、成為Arduino的擴(kuò)展板
認(rèn)識(shí)Arduino是在2012年的4月，Arduino這個(gè)平臺(tái)和適合做原型開(kāi)發(fā)，于是決定將擱置下來(lái)的心率測(cè)量?jī)x在arduion上實(shí)現(xiàn)一下，6月份做成了這個(gè)擴(kuò)展板：

   實(shí)現(xiàn)了方案的模擬部分，單片機(jī)部分由arduino來(lái)實(shí)現(xiàn)，程序原理也是照搬原來(lái)的方案，顯示器沒(méi)有使用數(shù)碼管，而是用了上次做便攜溫濕度氣壓計(jì)用過(guò)的4位液晶顯示器，可以說(shuō)這是對(duì)心率測(cè)量?jī)x等一次最接近實(shí)用的試驗(yàn)。

   四、最終實(shí)現(xiàn)！
   也許最近是閑得慌吧，想要完成這個(gè)制作的念頭一下子冒了出來(lái)。不過(guò)方案又有了新的更新，這次突然想用attiny13來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)部分了，因?yàn)樽罱?~6個(gè)制作都是用attiny13來(lái)實(shí)現(xiàn)的，手頭也有好幾片，冷靜思考了一天后又覺(jué)得不太可行，因?yàn)閍ttiny13一般都是用內(nèi)置的RC振蕩器，據(jù)說(shuō)誤差有10％，也即一分鐘60次心跳會(huì)有6次的誤差，這顯然有點(diǎn)大了，替代方案有兩個(gè)，一個(gè)是改用attiny24,可以外接晶振，程序空間也有2K，余地大點(diǎn)，二是attiny13接入有源晶振，但是有源晶振不便宜，而且占用占地兒。在確定最終方案前，先用手頭的一個(gè)attiny13開(kāi)發(fā)板＋上面的arduino心跳擴(kuò)展板做了一個(gè)測(cè)試，程序還是沿用原來(lái)的原理，簡(jiǎn)單的程序很快就搞定了，build結(jié)果是962字節(jié)，剛好沒(méi)溢出，又花了一個(gè)晚上將5毫秒定時(shí)搞精確，先是用對(duì)照實(shí)際心率調(diào)整定時(shí)器top值，后來(lái)是采用空余引腳輸出100HZ方波，用頻率計(jì)測(cè)量這個(gè)頻率，同時(shí)調(diào)整RC振蕩器的9.6m校準(zhǔn)值，最終將定時(shí)搞準(zhǔn)確。測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)頻率的影響只有1.5％，這樣的精度對(duì)心率完全夠用了，100次也就誤差1次而已，根據(jù)測(cè)試，555整形電路其實(shí)也是可以取消的。這樣整個(gè)方案就最終確定了，模擬不變，主控采用attiny13，不再采用整形電路!
   昨天早上開(kāi)始設(shè)計(jì)PCB，從制作水晶發(fā)光底座開(kāi)始（以后再撰文描述），就已經(jīng)開(kāi)始大量實(shí)用貼片元件了，為此還買了個(gè)拆焊臺(tái)。這次PCB設(shè)計(jì)自然也是用貼片元件，由于模擬部分電路比較規(guī)律，單片機(jī)部分又比較靈活（輸入輸出引腳可以隨PCB設(shè)計(jì)需要更改），所以設(shè)計(jì)完成時(shí)，沒(méi)有一根跳線，電路中的1uf電容由于沒(méi)有找到替代的無(wú)極性電容，所以還是使用了直插的，紅外發(fā)射接受管也只能用直插的，而且要安裝在top層，除了一個(gè)SIP接口用了插針，LCD接線和電源接線采用直接焊接的方式，這次的機(jī)殼還是用上次便攜溫濕度氣壓計(jì)的外殼（mini數(shù)字磁帶盒），所以PCB為這個(gè)機(jī)殼而優(yōu)化，attiny13從SSU改成了SU，就是為了讓一部分線從芯片下走過(guò)。接著是腐蝕電路，在把電路板放入腐蝕劑不到一分鐘，突然發(fā)現(xiàn)熱轉(zhuǎn)印轉(zhuǎn)反了！趕緊撈出來(lái)重做。到傍晚時(shí)分，PCB制作完成。開(kāi)始焊接元件，MCP602也是早上剛到的，其他的電阻電容也全都有，因此花了點(diǎn)時(shí)間還是完美完成了。

調(diào)試：晚上開(kāi)始調(diào)試。遇到的第一個(gè)問(wèn)題就是模擬電路貌似不起作用，手劃過(guò)紅外管的時(shí)候，輸出指示燈會(huì)閃一下，手指頭按在紅外管則什么都沒(méi)有，郁悶了好久，找來(lái)那塊擴(kuò)展板，將那塊板的紅外輸出信號(hào)接入新板，發(fā)現(xiàn)新板的電路是好的，看了問(wèn)題出在那個(gè)紅外發(fā)射接收模塊上，在換還是不換上猶豫了好久，最終決定換，換上擴(kuò)展板上的那一個(gè)，換好后，手指頭按在紅外管上，指示燈果然能一閃一閃跟著心跳節(jié)律閃動(dòng)了。然后又花了2小時(shí)，把主控板、顯示器、鋰電池、鋰電池充電板、開(kāi)關(guān)、充電插座硬塞進(jìn)了一個(gè)名片大小的盒子里了。已經(jīng)12點(diǎn)了，總裝完成了，該實(shí)際測(cè)試了，但是測(cè)試結(jié)果令人失望，顯示器顯示的數(shù)值比真實(shí)值少了20多，問(wèn)題在哪兒呢？首先考慮是因?yàn)闆](méi)有整形電路，造成波形不規(guī)律，影響了測(cè)量的準(zhǔn)確性，用示波器測(cè)量輸出脈沖波形，發(fā)現(xiàn)幅度很小很小，只有1v多點(diǎn)，怎么回事呢，難道運(yùn)放是壞的，或者買錯(cuò)了片子？再次郁悶。。。拿起探頭看看，上面的開(kāi)關(guān)打在了10X上！猛然想起，ATTINY13每個(gè)片子的時(shí)鐘都要單獨(dú)校準(zhǔn)的，自從燒完片子后就沒(méi)想過(guò)這個(gè)問(wèn)題，還是沿用老的校準(zhǔn)值，于是開(kāi)動(dòng)IDE和編程器，開(kāi)始調(diào)整參數(shù)，也許心太急，也許萬(wàn)用表表筆碰了不該碰的地方，也許校準(zhǔn)值調(diào)的太低，反正是那塊attiny13再也不能編程了，那一刻真想放棄了，可是看到自己花了1年多時(shí)間，都已經(jīng)非常非常接近完成了，難道就因?yàn)閾Q一塊芯片稍微有點(diǎn)麻煩就放棄了？換了后再次校準(zhǔn)、比較，顯示值終于正確了，此時(shí)已經(jīng)快2點(diǎn)了。

結(jié)語(yǔ)：能夠完成一件盡管一點(diǎn)都不偉大，卻時(shí)�？M繞在心頭的事情，感覺(jué)真好～～～

帳號(hào)		自動(dòng)登錄	找回密碼
密碼			立即注冊(cè)

自制心率測(cè)量?jī)x

評(píng)分