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心率检测电路如何设计?看这篇就够了

  智能穿戴  

candytang 2016-12-20

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智能硬件设备火爆以来,到处都能见到心率检测的影子:智能手表、智能手环、智能耳机.....心率检测电路如何设计?心率检测原理是什么?测人体心率有哪些方式方法?有哪些心率检测传感器推荐?希望通过本篇文章大家能够了解手环、手表上心率检测的基本原理;工程师能够少走弯路,参考借鉴。

一、心率小常识:(18px)


心率是用来描述心动周期的专业术语,是指心脏每分钟跳动的次数,以第一心音为准。 心率,现代汉语将心率解释为“心脏跳动的频率”。频率就是在单位时间内,某件事情发生的次数。两种解释合起来就是,心脏在一定时间内跳动的次数,也就是在一定时间内,心脏跳动快慢的意思。


心率是一项重要的人体机能指标,健康成年人大约每分钟心跳72下(72 beats per minute (bpm))。通常情况下运动员的心率比缺少运动的程序员的心率低。小孩心率会高一些,大约120bpm。大一点的小孩心率大约在90bpm。当一个人运动时,心率会逐渐升高,当停下后又会慢慢恢复。如果心率比正常的低,表明心率过缓;比正常高,表明心动过速~



二、心率测量有哪些方法


1、测心率的土方法

一般情况下最省钱的测心率的方法是——把脉法(将手指放到手腕上的动脉处,在30s的时间内统计动脉搏动,然后乘以2)。这种将大姆手指放到动脉上的方法缺点是在心率高的情况下容易出错。




2、医学上测心率的方法--心电图法


通过测量心电图算出心率,这种方式因为是根据心电产生的生物学原理来测量,所以结果准确。
但由于其测量的原理,容易受到电磁干扰,其次如果电极与人体接触不良得到的结果也不准确(医院做之前在手上胸上擦拭酒精就是这么个道理)。这种方法是目前医疗级别最常用最准确的方法,金标准。
最简单的就是下面这种内置算法的单导联(Ⅰ导联)的快速心电检测仪(机器左右两边的电极直接接触手掌)




前面说的两种方法,一个太专业,一个太业余,都不是本文的重点。下面要讲的是智能硬件设备如何测心率。


3、透射式心率检测(夹式测心率)


像下图中夹子型的测心率设备,其原理是如下figure1:夹子下面的TX是个LED灯,用来照射拇指;上面有个感光设备RX用来采集手指中的光亮度变化。因为心脏跳动会导致血液浓度变化,从而影响从TX发射的光。接着用滤波电路将RX的数据的部分杂质滤除,并转换到微处理AD可处理的合适电压范围,最后通过计算将结果显示到LCD上。



如下图,夹式测心率设备的原理图比较简单:包含夹子模块、2个运放模块、1个低通滤波器(滤掉毛刺)、MCU和显示器模块。第一个放大器使增益刚刚超过100,第二个运放的增益大约560,最后将两极运放结果输入到单片机进行处理。





夹式测心率软件部分是以10s为一个周期,然后将10s的计算心率的结果乘以6得到一次心率值。最终采用3次测量区平均的方法得出最终单次心率值。





4、反射式测心率


像手环、手表等智能设备采用透射式就不方便了,此时可以采用反射式心率检测方法。其实,反射式和透射式在运放、低通滤波、嵌入式程序、以及LCD显示部分基本一样。不同之处在于透射式采用夹子,夹子下端有光源,上端是感光原件,通过采集透射光的变化判断心率变化;而反射式则光源和感光原件在同一侧(中间用隔光板隔开),手指按到采集设备上,发光源的光会经过手指反射到感光设备。



5、另一种心率检测原理图介绍(和夹子式的大同小异):

该信号调理电路包括2个独立的低通滤波器,他们的截止频率大约为2.5Hz,也就说最高能测量的心率为150bpm。该运放芯片采用双运放芯片MCP602(淘宝上1元/个),它由单电源供电,提供轨到轨输出摆幅(rail-to-rail output swing,如果参数为:50mV,表示输出电压范围为Vee+50mV到Vcc-50mV)。这个滤波是非常必要的,它能够滤掉任何高频噪声。每个运放的增益为101,总共运放为10000。同时,每个运放前有一个1uF的电容,来滤掉直流分量。






三、一些反射式光学传感器

如果在淘宝上直接搜心率模块,出来的种类很少。经过这篇文章,想必你已经知道此类心率检测模块只不过是一个反射是或透射式光学传感器加上一些运放而已。几个容易买到的反射式光学传感器分享给大家:TCRT 1000、LTH1550、SFH7050。


四、心率检测方案推荐


1、智能血压心率手环(成品)


核心芯片: NORDIC 52832 BLE4.0

清华团队研发独有的心率血压专利算法,精准度提高50%。运动记录、 智能提醒、健康监测、多国语言、时间显示、遥控拍照、智能双向防丢多种功能选配,支持APP空中升级,支持个性功能的软硬件定制开发。点击了解详情>>




2、蓝牙心率耳机(模块)


核心芯片:CC2541

运动监测、心率监测、听音乐等功能,适合市场上智能穿戴产品需求。本方案的动态心率测量精度高实时性好,并且用户佩戴到耳朵处即可实现计步功能,完美的将传统的蓝牙耳机和智能穿戴结合在一起,前景广阔。点击了解详情>>



3、可穿戴心率模块


核心芯片: Nordic51822

实时心率计算、 支持BLE传输、标准规格2032纽扣电池供电。适用于心率监测应用. 传统心率带,智能心率带,跑步机,智能自行车等产品 。点击了解详情>>




4、超低功耗运动心率耳机(成品)


项目心率检测技术完全自主开发,具有自主知识产权。现在产品已经具备批量生产的条件,自主设计的模具也已经准备开模。目前与联想等国内知名厂家进行合作。产品适合运动人群。目标客户为运动产品品牌商,运动产品厂商,运动耳机厂商。点击了解详情>>




5、心率智能手环(成品)


核心芯片: DA14580

本方案可实现来电显示、信息显示、动态心率实时监测、计步、测距、卡路里消耗管理、睡眠管理、久座提醒、运动量目标管理、时钟日期显示、闹铃、双向防丢(手机手环互找功能)、支持按键和翻手自拍、OTA升级、电容触摸按键功能,另外还有全球首创独家穿戴识别功能。点击了解详情>>



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