心率检测综合实验设计与实践

岳昊嵩，张 静，张秀磊，范昌波

（北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 100191）

“电气技术实践基础”是北京航空航天大学面向全校电类专业本科生开设的一门实验课程，对应“电路”“模拟电子技术”“数字电子技术”这3 门理论课。为了使实验课与理论课进程同步、保证学生的学习效果，该实验课分3 个学期开设，共96 个课内学时。由于每次实验都是对理论课上某个具体知识点的验证，学生在做完全部实验后难以对整个课程有系统的认识，缺乏将所学知识灵活运用的能力。因此，设计一个综合性的实验环节十分必要。

近年来，智能穿戴设备已经进入了人们的日常生活中，社会上对医工交叉领域人才的需求也越来越迫切[1-4]。在这样的大背景下，本文设计实现了一个完整的心率测量实验系统。本实验来源于实际工程项目，且具有较强的综合性。该项目密切贴近学生的日常生活，但又是学生很难在课堂上接触到的，因此可以极大地激发学生的学习兴趣。通过限定学生制定方案的范围，可有效提高学生对所学知识灵活运用的能力，巩固学生对知识的理解和掌握。

1 心率检测原理

心率是指一个人每分钟心跳的次数，是一项重要的生理指标。目前常用的心率检测方法包括：心电图法[5-6]、光电容积脉搏波描记法（photoplethysmograph，PPG）[7-8]、生物电阻抗法[9-10]等。其中PPG 方法测量设备简单、测量精度高，应用最为广泛。根据传感器安装位置的不同，PPG 法又可以分为透射式和反射式2 种。以反射法为例，发射器发出的入射光经皮肤、血管等组织反射后被接收器接收。由于血管中血液的浓度与心跳动作密切相关，随着心脏周期性的跳动，接收器采集的PPG信号也呈现相同周期性的变化。通过统计一定时间内PPG 信号的周期数，就可以换算出被测试者的心率。

2 实验设计

在实际的工程项目中，往往有很多因素限制了实施方案的制定，例如成本、供货商等。因此，如何引导学生在有限条件下解决工程问题是本实验的重点之一。本实验要求学生灵活运用3 个学期所学知识点，利用课上使用过的芯片设计一个完整的心率测量系统，但不限制每个模块的具体实现方式。要求测量范围0~255 bpm（beat per minute）、测量时间小于20 s、测量误差小于3%。

图1 为本实验系统的整体结构框图，包含了系统的组成模块、各模块蕴含的知识点以及各知识点所对应的课上已做过的实验内容。

图1 系统整体结构框图

2.1 直流稳压电源模块

该模块的作用是将 220 V 交流电转换成稳定的5 V 直流电，供其余各模块使用。整流稳压是十分成熟的技术[11-12]，对学生来说设计难度不大。如图2 所示，可先用变压器将输入的220 V 市电转换成幅值较小的交流电，然后接桥式整流和电容滤波电路，最后接额定稳压值为5 V 的稳压管，得到稳定的5 V 直流输出。

图2 直流稳压电源模块电路图

2.2 信号产生模块

本实验要求学生先在计算机上实现整个系统的仿真验证，因此需要设计一个信号产生模块，以产生一个近似的PPG 信号。在用硬件实现时，PPG 信号直接由传感器得到。典型的PPG 信号可以近似为不同频率正弦信号的叠加，其模型可简化为式（1），其波形如图3 所示。

图3 模拟PPG 信号波形

2.3 数据预处理模块

传感器采集的 PPG 信号往往包含大量的噪声，且有效信号的幅值也比较小，需要进行一定的预处理才能传递给心率计算模块。这部分电路可以采用图 4的方案进行设计。由于普通人的正常心率范围为 40~160 bpm，对应频率为0.7~2.7 Hz，比噪声信号小很多，因此可采用二阶有源低通滤波器滤除噪声信号，然后采用同相比例放大电路将有效信号进行放大，最后采用非门整形电路将放大后的信号转换成标准的方波信号。除了使用非门整形以外，还鼓励学生设计不同的方案，例如通过设计比较器实现。

图4 数据预处理模块电路图

2.4 心率计算模块

该模块的功能是根据数据预处理模块产生的方波信号计算心率值。最简单的方法是设计一个1 min 定时电路，统计这段时间内方波的周期数，但是这种方法的测量效率太低，不适合工程应用。本实验要求学生在20 s 内完成心率的测量，因此需要将单个方波周期转换成多个计数脉冲，或者将方波计数结果乘以某个系数；此外还需要设计清零与锁存电路，在计算结束后更新显示结果并清零计数器。如何利用所学知识实现上述功能是整个系统的重点和难点。

为了满足 20 s 内完成心率测量的要求，可采用555 定时器设计一个周期为15 s 的多谐振荡电路，以15 s 为计数周期对整形后的PPG 信号进行计数；再通过四位全加器74LS283 的级联设计一个乘4 电路，将计数结果乘以4 便可以得到最终的心率值。这种方案需要设计二进制到 BCD 码的转换电路，实现起来较为复杂。

除了上述先计数再乘4 的方法外，还可以采用如图5 所示的方案。首先设计3 个由阻容元件和非门构成的延时电路，将整形信号进行延时，从而得到4 个不同相位的方波信号；然后采用 JK 触发器搭建 4 个单脉冲发生电路，其时钟端接一个频率远大于心率信号的时钟信号（例如用555 产生1 kHz 的方波），这样就可以由4 路相位各异的方波信号产生4 个脉冲信号；最后将4 路脉冲信号经门控电路送给三位十进制计数器，直接得到被测心率值。这种方案实现起来比较简单，且精度更高。

2.5 显示与报警模块

该模块采用数码管对测得的心率值进行显示，并通过适当的组合逻辑判断检测结果是否在正常心率范围内，若检测结果超出普通人正常心率范围，则通过蜂鸣器和指示灯进行声光报警。鼓励学生通过动态扫描的方式进行显示，以提高显示效率。

图5 心率计算模块电路图

3 实验结果与分析

图6 为学生的仿真结果。图中左下角波形为门控信号，右下角波形依次为模拟PPG 信号、整形信号、多脉冲信号。在该次实验中，模拟心率信号的频率为2 Hz，即理论心率值为120 bpm。测量时间为15 s，实际测量值为119 bpm，误差为0.83%。

表1 为不同心率下的仿真结果。从表中可以看出，最大测量误差为 1.67%，满足设计要求。假设理论心率值为F1、实测心率值为F2，误差的计算方法如下：

图6 心率检测仿真结果

表1 心率测量结果

4 结语

本文设计实现了一个基于 PPG 原理的心率测量综合实验系统，并对系统各组成模块的设计思路进行了介绍。该系统涉及传感器技术、整形滤波、信号产生等方面的知识，对应“电气技术实践基础”课上 9个实验的内容，具有很强的综合性。通过本实验可以让学生经历一个完整的工程实践过程，包括需求分析、方案论证、仿真调试、总结分析等。实践表明，该实验可以巩固学生对课上所学知识的理解，培养学生分析和解决实际工程问题的能力，尤其是在条件受限的情况下灵活变通、大胆创新的工程素养。