自制心率測量儀

ID:71235 · 發(fā)表于 2014-12-27 21:11

花了整整18個小時，終于完成了這個心率測量儀，看圖：

因為從策劃到制作完成經(jīng)歷了1年半多的時間，期間方案多次更改，所以很需要記錄一下整個過程。

一、起源：
靈感還是來自愛折騰，看了后當(dāng)時就想復(fù)制一個。

二、準(zhǔn)備工作：
愛折騰的這個制作包括模擬檢測、放大，單片機(jī)計數(shù)、顯示兩部分，模擬檢測通過紅外發(fā)射接收對管檢測指尖血流變化，經(jīng)過兩級放大、低通、高通濾波后，形成一個跟心率同步的脈沖，然后由單片機(jī)檢測計數(shù)后，送顯示器顯示。我的方案保留了模擬檢測部分，單片機(jī)選用了80C2051，脈沖檢測方式改為測量脈沖的周期，然后由周期推算出1分鐘的心率值，因而這個數(shù)值是動態(tài)的，省卻了啟動按鈕等操作。而原作是才用計數(shù)15秒內(nèi)的脈沖數(shù)，再計算出1分鐘速率，單片機(jī)也是用PIC�？紤]到測量脈沖周期需要標(biāo)準(zhǔn)的方波，所以我在模擬和單片機(jī)之間加上了一個555電路做的斯密特觸發(fā)器，對模擬脈沖進(jìn)行整形。
方案定下后是先做個試驗，確認(rèn)模擬部分是否可行的。試驗在面板板上做的；這是2011年7月做的：

電路中才用MCP602這一點很重要，因為普通的單電源運(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，有可能造成后級單片機(jī)檢測失誤，試驗也證明了這一點。模擬電路通過后又用另外一塊面包板搭建了一個80C205電路，用三個微型的數(shù)碼管作為顯示器，因為心率脈沖周期常常大于1秒鐘，而單片機(jī)無法提供如此長度時間測量，所以采用5毫秒的定時器定時檢測脈沖，檢測到脈沖中斷后開始計數(shù)，直到下一次中斷計數(shù)結(jié)束，然后計算一個脈沖周期的計數(shù)值，再乘以5毫秒，就是一個完整的心率周期了，而5毫秒的定時間隔對于心率這樣很長的脈沖，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)就算定下來了。接下來是設(shè)計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)計很困難，因為自己只能做單面的，走線很不容易，這是2011年9月未設(shè)計完成的PCB：

三、成為Arduino的擴(kuò)展板
認(rèn)識Arduino是在2012年的4月，Arduino這個平臺和適合做原型開發(fā)，于是決定將擱置下來的心率測量儀在arduion上實現(xiàn)一下，6月份做成了這個擴(kuò)展板：

   實現(xiàn)了方案的模擬部分，單片機(jī)部分由arduino來實現(xiàn)，程序原理也是照搬原來的方案，顯示器沒有使用數(shù)碼管，而是用了上次做便攜溫濕度氣壓計用過的4位液晶顯示器，可以說這是對心率測量儀等一次最接近實用的試驗。

   四、最終實現(xiàn)！
   也許最近是閑得慌吧，想要完成這個制作的念頭一下子冒了出來。不過方案又有了新的更新，這次突然想用attiny13來實現(xiàn)單片機(jī)部分了，因為最近5~6個制作都是用attiny13來實現(xiàn)的，手頭也有好幾片，冷靜思考了一天后又覺得不太可行，因為attiny13一般都是用內(nèi)置的RC振蕩器，據(jù)說誤差有10％，也即一分鐘60次心跳會有6次的誤差，這顯然有點大了，替代方案有兩個，一個是改用attiny24,可以外接晶振，程序空間也有2K，余地大點，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attiny13開發(fā)板＋上面的arduino心跳擴(kuò)展板做了一個測試，程序還是沿用原來的原理，簡單的程序很快就搞定了，build結(jié)果是962字節(jié)，剛好沒溢出，又花了一個晚上將5毫秒定時搞精確，先是用對照實際心率調(diào)整定時器top值，后來是采用空余引腳輸出100HZ方波，用頻率計測量這個頻率，同時調(diào)整RC振蕩器的9.6m校準(zhǔn)值，最終將定時搞準(zhǔn)確。測試過程中發(fā)現(xiàn)溫度對頻率的影響只有1.5％，這樣的精度對心率完全夠用了，100次也就誤差1次而已，根據(jù)測試，555整形電路其實也是可以取消的。這樣整個方案就最終確定了，模擬不變，主控采用attiny13，不再采用整形電路!
   昨天早上開始設(shè)計PCB，從制作水晶發(fā)光底座開始（以后再撰文描述），就已經(jīng)開始大量實用貼片元件了，為此還買了個拆焊臺。這次PCB設(shè)計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)計需要更改），所以設(shè)計完成時，沒有一根跳線，電路中的1uf電容由于沒有找到替代的無極性電容，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的外殼（mini數(shù)字磁帶盒），所以PCB為這個機(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。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！趕緊撈出來重做。到傍晚時分，PCB制作完成。開始焊接元件，MCP602也是早上剛到的，其他的電阻電容也全都有，因此花了點時間還是完美完成了。

調(diào)試：晚上開始調(diào)試。遇到的第一個問題就是模擬電路貌似不起作用，手劃過紅外管的時候，輸出指示燈會閃一下，手指頭按在紅外管則什么都沒有，郁悶了好久，找來那塊擴(kuò)展板，將那塊板的紅外輸出信號接入新板，發(fā)現(xiàn)新板的電路是好的，看了問題出在那個紅外發(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，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)律閃動了。然后又花了2小時，把主控板、顯示器、鋰電池、鋰電池充電板、開關(guān)、充電插座硬塞進(jìn)了一個名片大小的盒子里了。已經(jīng)12點了，總裝完成了，該實際測試了，但是測試結(jié)果令人失望，顯示器顯示的數(shù)值比真實值少了20多，問題在哪兒呢？首先考慮是因為沒有整形電路，造成波形不規(guī)律，影響了測量的準(zhǔn)確性，用示波器測量輸出脈沖波形，發(fā)現(xiàn)幅度很小很小，只有1v多點，怎么回事呢，難道運(yùn)放是壞的，或者買錯了片子？再次郁悶。。。拿起探頭看看，上面的開關(guān)打在了10X上！猛然想起，ATTINY13每個片子的時鐘都要單獨校準(zhǔn)的，自從燒完片子后就沒想過這個問題，還是沿用老的校準(zhǔn)值，于是開動IDE和編程器，開始調(diào)整參數(shù)，也許心太急，也許萬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年多時間，都已經(jīng)非常非常接近完成了，難道就因為換一塊芯片稍微有點麻煩就放棄了？換了后再次校準(zhǔn)、比較，顯示值終于正確了，此時已經(jīng)快2點了。

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

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