自制心率测量仪

ID:71235 · 发表于 2014-12-27 21:11

花了整整18个小时，终于完成了这个心率测量仪，看图：

因为从策划到制作完成经历了1年半多的时间，期间方案多次更改，所以很需要记录一下整个过程。

一、起源：
灵感还是来自爱折腾，看了后当时就想复制一个。

二、准备工作：
爱折腾的这个制作包括模拟检测、放大，单片机计数、显示两部分，模拟检测通过红外发射接收对管检测指尖血流变化，经过两级放大、低通、高通滤波后，形成一个跟心率同步的脉冲，然后由单片机检测计数后，送显示器显示。我的方案保留了模拟检测部分，单片机选用了80C2051，脉冲检测方式改为测量脉冲的周期，然后由周期推算出1分钟的心率值，因而这个数值是动态的，省却了启动按钮等操作。而原作是才用计数15秒内的脉冲数，再计算出1分钟速率，单片机也是用PIC。考虑到测量脉冲周期需要标准的方波，所以我在模拟和单片机之间加上了一个555电路做的斯密特触发器，对模拟脉冲进行整形。
方案定下后是先做个试验，确认模拟部分是否可行的。试验在面板板上做的；这是2011年7月做的：

电路中才用MCP602这一点很重要，因为普通的单电源运放电压输出幅度只能达到2/3VCC，刚刚达到高电平门限，有可能造成后级单片机检测失误，试验也证明了这一点。模拟电路通过后又用另外一块面包板搭建了一个80C205电路，用三个微型的数码管作为显示器，因为心率脉冲周期常常大于1秒钟，而单片机无法提供如此长度时间测量，所以采用5毫秒的定时器定时检测脉冲，检测到脉冲中断后开始计数，直到下一次中断计数结束，然后计算一个脉冲周期的计数值，再乘以5毫秒，就是一个完整的心率周期了，而5毫秒的定时间隔对于心率这样很长的脉冲，精度影响是很小的。单片机部分也取得了成功，这样完整的系统就算定下来了。接下来是设计PCB，由于近年形成的习惯，做东西前都要选一下外壳，一定要根据外壳定电路，而且是壳越小越好，结果造成PCB设计很困难，因为自己只能做单面的，走线很不容易，这是2011年9月未设计完成的PCB：

三、成为Arduino的扩展板
认识Arduino是在2012年的4月，Arduino这个平台和适合做原型开发，于是决定将搁置下来的心率测量仪在arduion上实现一下，6月份做成了这个扩展板：

   实现了方案的模拟部分，单片机部分由arduino来实现，程序原理也是照搬原来的方案，显示器没有使用数码管，而是用了上次做便携温湿度气压计用过的4位液晶显示器，可以说这是对心率测量仪等一次最接近实用的试验。

   四、最终实现！
   也许最近是闲得慌吧，想要完成这个制作的念头一下子冒了出来。不过方案又有了新的更新，这次突然想用attiny13来实现单片机部分了，因为最近5~6个制作都是用attiny13来实现的，手头也有好几片，冷静思考了一天后又觉得不太可行，因为attiny13一般都是用内置的RC振荡器，据说误差有10％，也即一分钟60次心跳会有6次的误差，这显然有点大了，替代方案有两个，一个是改用attiny24,可以外接晶振，程序空间也有2K，余地大点，二是attiny13接入有源晶振，但是有源晶振不便宜，而且占用占地儿。在确定最终方案前，先用手头的一个attiny13开发板＋上面的arduino心跳扩展板做了一个测试，程序还是沿用原来的原理，简单的程序很快就搞定了，build结果是962字节，刚好没溢出，又花了一个晚上将5毫秒定时搞精确，先是用对照实际心率调整定时器top值，后来是采用空余引脚输出100HZ方波，用频率计测量这个频率，同时调整RC振荡器的9.6m校准值，最终将定时搞准确。测试过程中发现温度对频率的影响只有1.5％，这样的精度对心率完全够用了，100次也就误差1次而已，根据测试，555整形电路其实也是可以取消的。这样整个方案就最终确定了，模拟不变，主控采用attiny13，不再采用整形电路!
   昨天早上开始设计PCB，从制作水晶发光底座开始（以后再撰文描述），就已经开始大量实用贴片元件了，为此还买了个拆焊台。这次PCB设计自然也是用贴片元件，由于模拟部分电路比较规律，单片机部分又比较灵活（输入输出引脚可以随PCB设计需要更改），所以设计完成时，没有一根跳线，电路中的1uf电容由于没有找到替代的无极性电容，所以还是使用了直插的，红外发射接受管也只能用直插的，而且要安装在top层，除了一个SIP接口用了插针，LCD接线和电源接线采用直接焊接的方式，这次的机壳还是用上次便携温湿度气压计的外壳（mini数字磁带盒），所以PCB为这个机壳而优化，attiny13从SSU改成了SU，就是为了让一部分线从芯片下走过。接着是腐蚀电路，在把电路板放入腐蚀剂不到一分钟，突然发现热转印转反了！赶紧捞出来重做。到傍晚时分，PCB制作完成。开始焊接元件，MCP602也是早上刚到的，其他的电阻电容也全都有，因此花了点时间还是完美完成了。

调试：晚上开始调试。遇到的第一个问题就是模拟电路貌似不起作用，手划过红外管的时候，输出指示灯会闪一下，手指头按在红外管则什么都没有，郁闷了好久，找来那块扩展板，将那块板的红外输出信号接入新板，发现新板的电路是好的，看了问题出在那个红外发射接收模块上，在换还是不换上犹豫了好久，最终决定换，换上扩展板上的那一个，换好后，手指头按在红外管上，指示灯果然能一闪一闪跟着心跳节律闪动了。然后又花了2小时，把主控板、显示器、锂电池、锂电池充电板、开关、充电插座硬塞进了一个名片大小的盒子里了。已经12点了，总装完成了，该实际测试了，但是测试结果令人失望，显示器显示的数值比真实值少了20多，问题在哪儿呢？首先考虑是因为没有整形电路，造成波形不规律，影响了测量的准确性，用示波器测量输出脉冲波形，发现幅度很小很小，只有1v多点，怎么回事呢，难道运放是坏的，或者买错了片子？再次郁闷。。。拿起探头看看，上面的开关打在了10X上！猛然想起，ATTINY13每个片子的时钟都要单独校准的，自从烧完片子后就没想过这个问题，还是沿用老的校准值，于是开动IDE和编程器，开始调整参数，也许心太急，也许万用表表笔碰了不该碰的地方，也许校准值调的太低，反正是那块attiny13再也不能编程了，那一刻真想放弃了，可是看到自己花了1年多时间，都已经非常非常接近完成了，难道就因为换一块芯片稍微有点麻烦就放弃了？换了后再次校准、比较，显示值终于正确了，此时已经快2点了。

结语：能够完成一件尽管一点都不伟大，却时常萦绕在心头的事情，感觉真好～～～

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