基于单片机的心率计设计

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基于单片机的心率计设计

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2013年 月 日

目录 摘要 ................................................................. 3

第一章 引言 ...................................................... 4

1.1 心率计的研究背景和意义 ....................................... 4 1.2 心率计的研究现状及发展动态 ................................... 4

第二章 方案论证及元器件选择 ...................................... 5

2.1 研究内容及设计指标 ........................................... 5 2.2 方案设计与论证 ............................................... 5 2.2.1 传感器的选择与论证 ....................................... 5 2.2.2 信号处理方案选择和论证 ................................... 7 2.2.3 单片机系统选择和论证 ..................................... 8 2.2.4 显示模块选择和论证 ....................................... 9 2.3元器件选择及其功能介绍 ........................................ 9 2.3.1单片机AT89S52 ............................................ 9 2.3.2红外传感器 ............................................... 11 2.3.3双运算放大器LM358N ...................................... 11 2.3.4 LCD1602 ................................................. 12

第三章 硬件系统设计 .............................................. 13

3.1 系统设计框图 ................................................ 13 3.2 信号采集电路 ................................................ 14 3.3 信号放大电路 ................................................ 15 3.4 信号比较电路 ................................................ 17 3.5 LCD显示电路 ................................................. 18 3.7 键盘电路 .................................................... 19

第四章 软件系统设计 .............................................. 19

4.1 测量计算原理 ................................................ 20 4.2 主程序流程图 ................................................ 20 4.3 中断程序流程图 .............................................. 21

4.4 定时器T0，T1的中断服务程序 ................................. 21

第五章 系统测试与结果分析 ....................................... 22

5.1 测试方法和仪器 .............................................. 22 5.2 仿真与焊接阶段 .............................................. 23 5.2.1 仿真阶段 ................................................ 23 5.2.2 焊接与完成阶段 .......................................... 23 5.3 测试数据与结果分析 .......................................... 25 5.3.1测量结果与分析 ........................................... 25 5.3.2几种主要系统干扰和影响 ................................... 27 结束语 .............................................................. 28 参考文献 ............................................................ 29 附录一：系统仿真图 附录二：系统原理图和PCB 附录三：源程序

基于单片机的心率计设计

摘要：在社会飞速发展的今天，人们的物质文化生活得到了极大的提高，但同时

多种疾病威胁着人们的生命；而心脏病又是人们难以预防的突发致命疾病，所以健康也被越来越多的人所重视。本设计要解决的问题就是可以测量心率、预防心脏病等心脏方面疾病的数字心率计。

便携式数字人体心率计运用AT89S52单片机作为核心控制处理单元，采用红外传感器作为传感器，运用软件和硬件双重滤波技术实现了对人体心率信号的准确检测。测量范围限可以用按键调节，并进行声音报警，传感器可以放在身体脉搏明显的任何部位，测量结果以数字方式方式显示，测量精确到2次/分。经过大量实验，本心率计已经基本达到题目要求部分的全部指标。

关键字：心率计，红外传感器，单片机AT89S52，LM358

第一章 引言

1.1 心率计的研究背景和意义

伴随着全球科技与经济的飞速发展与进步，关爱生命与健康已成为人类的共同追求。心脑血管疾病是危害人类生命和健康的最主要的疾病。每年因心脑血管疾病致死的人数位居人类死亡总数的首位，耗费的医疗费用居高不下，给家庭和社会造成巨大负担[1]。近年来，由于饮食习惯不合理、生活节奏加快等原因，心脑血管疾病的发病率更是呈逐年上升的趋势。如何科学的降低心脑血管疾病的发病率和死亡率，有效的减轻心脑血管疾病带来的社会和家庭负担，已经成为全社会所面临的一个十分严峻问题。

今天，越来越多的人已认识到健康生活方式和疾病预防的重要性，对拥有日常家庭化和个性化的健康监测和疾病预防手段的需求也日益增大。在脉搏波研究方面，国内外已经出现了众多的技术和理论，基于现代医学技术，利用脉搏波对人体心血管健康进行无创检测的方法和仪器不断涌现。现在的任务是既要对脉搏波的检测分析及对心血管健康检测应用方面做进一步研究，研制一种面向家庭和社区医疗服务的，能够对人体动脉硬化的程度和其他心血管健康状况进行无创检测的仪器，让更多的人对自己的心血管健康状态进行及时的了解，对心血管疾病能够及早的发现和进行预防。

基于上述现状和背景，不难发现：心血管功能检测新技术、新方法的研究以及心血管功能监测类家用电子医疗保健仪器的开发已刻不容缓。它不仅能满足当前的医疗保健急需，也能为维持和发展我国家用数字医疗事业，为推行实施国家“家庭医疗保健工程”做出积极和长久的贡献[2]。 1.2 心率计的研究现状及发展动态

自上世纪80年代以来，基于血流动力流变学和弹性腔理论的无创伤血管功能检测方法的研究逐渐受到广泛的关注。很多不同学科的研究员与医学家合作，研究出各种应用型人体心率传感器，有单部、三部、液态水、子母式单点，多点，气压式、硅杯式、软性接触式、刚性接触式等，组成脉搏传感器的主要部件有压电晶体、单

晶硅、陶瓷应变片、光敏组件、pvdf压电薄膜等，其中以单部单点应变片式应用最为广泛。

到目前，用于评价大动脉的结构和方法已有很多。血管造影和其他造影技术等有创方法可精确评价动脉管腔或分心动脉壁结构。但是这些方法操作复杂，费用高昂，需要非常精密的技术设备，限制了其只能在大型临床研究中应用，另外，还有一些其他的无创方法，这些主要根据超声技术和计算机分析图像和超声信号，来研究某些动脉轴和位点的功能和结构，这些相对复杂的技术仅用于某些临床研究实验室。在无创方法中，脉搏波速度的检测已经在较长时间内广泛应用于评价动脉壁扩张性和硬度。该方法无创伤，操作简单、结果准确、重复性好，因此被广泛应用于大型治疗和流行病学研究当中，并且，该方法非常适合于向家庭和社区医疗服务推广。国外，诸如法国研制生产的康普乐仪、日本科林公司的动脉硬化检测仪等就是利用此种方法，并在欧美国家得到广泛的普及，国内也有医院引进了这种设备，但是价格昂贵[7][8]。国内也有多家单位开始了此类设备的研究，在2007年，也有类似的产品相继上市。但是，这些仪器均被应用在大型医疗机构中，成本高，检测费用高，功能局限于检测，不能满足患者随时随地的检测的需要。

第二章 方案论证及元器件选择

2.1 研究内容及设计指标

研究内容：

便携式数字人体心率计运用AT89S52单片机作为核心控制处理单元，采用红外传感器作为传感器，运用软件和硬件双重滤波技术实现了对人体心率信号的准确检测，最终以数值形式显示在LCD上。

本课题开发一款低功耗、便携式数字心率计，具体要求如下： (1)实时显示被测者心率值，并显示；

(2)可用按键设置正常心率的范围，超过这个范围，进行报警提示。

2.2 方案设计与论证 2.2.1 传感器的选择与论证

(1)压电式

压电式传感器的检测方法是利用压力传感器或振动传感器将人体脉搏振动转换成电信号。常见的压力传感器可用现有的压电陶瓷代替。压电式元件的内阻极高，通常采用两片相同的元件，使其极性反向相叠，由夹在中间的铜片作为一个电极。这样，中央电极处于全空状态，可以用具有良好绝缘性的导线引出。此种方法的优点是传感器种类多，一般的传感器输出信号也比较大，对后面的放大电路要求不高。压电陶瓷具有成本低、取材方便、易于提高敏感度等特点。

(2)声电式

声电式传感器的作用是将气体、液体或固体中传播的机械振动转换成电信号。因此，它也属于力学量传感器。它的制作材料一般由不定性无烟煤颗粒或压电陶瓷构成。颗粒式声电传感器的优点是耐用、成本低和容易制作，缺点是颗粒的机械磨损和接触表面上的瞬间电弧会使颗粒逐渐老化，从而导致杂音大、性能不稳定和非线性；而压电陶瓷式的声电传感器在检测声音信号时却存在着一定的缺陷。

声电式检测方法是利用微音传感器将人体的振动的声音转换成电信号。此种方法的优点是作为传感器的微音传感器可利用现有的驻极体或电容式话筒，但其后面的电路要采取一定的措施将环境的声音干扰信号滤去。

(3)光电式

光电系统通常是指能敏感由紫外光到红外光的光能量，并将光能量转换成电信号的器件。通常用的光电器件有光电二极管和光电三极管。光电式传感器测量微小的位移变化有明显的效果，但是光电传感器对材料、电路控制和光电管属性要求较高：1）吸收红外光的能力极强2）介电常数小，以便得到大的输出电压。3）介电损耗小。

光电式检测方法是利用光电传感器检测人体内血液流动时对光的透过率或反射率不同而将其转换成电信号的方法。此种方法有两种方式：一种是对射式，另一种是反射式。对射式是在一个大小合适的环的两侧各放一个发射管和一个接收管，测量时将人的手指伸到环中，由于手指中的血流量的变化而使光电接收管的光电流也随之变化，反射式是光电发射与光电接收都指向一个方向，当人体内的血流发生

变化时其对光的反射率也随之变化，从而检测出心率。这种方法的优点是外界干扰信号小，但其最大的难点是传感器输出信号小，对后面的放大电路要求较高。此外，对于干扰变化强烈的信号，回路不宜调制，可视光电管的定向角不同，光轴也不宜把握。

综上所述，从传感器的制作工艺、材料的选取、受外界的干扰信号的干扰程度和制作过程中前级电路的处理难易程度上考虑，就选用一对红外对射二极管实现。

红外传感器的检测、放大、滤波和整型并传到单片机工作系统的过程见下图2-1所示：

图 2-1信号检测处理工作流程图

2.2.2 信号处理方案选择和论证

(1)小规模数字电路：采用小规模数字电路也可完成此方案的基本功能，

电路框图如图2-2所示。

图2-2小规模数字电路心率计

这种方案是采用一个二进制计数器，将处理后的脉波信号进行计数，在1分钟内将计数值显示。此方案的不足是电路结构复杂，实现一个相对简单一些的过程控

制功能都要用好多片电路，且数字电路器件功能单一，一旦硬件电路定型就难以改动，尤其在题目要求中，要实现心率测量并显示，还要超限报警等等，则显得力不从心。

(2) PLD：可编程逻辑器件(PLD)突破了小规模数字电路功能单一的缺点，可以按照设计者设计分析出来的逻辑要求去编程定义，应用起来确实方便，设计也比较灵活。针对题目要求，该方案应该至少由传感器电路、闸门电路、计数器电路、数字锁存电路、显示电路、数据存储电路、PC接口电路七部分构成，在闸门信号允许时间内对被测信号计数，闸门宽度为单位时间。显然电路复杂，一旦涉及到数据处理、数据分析、数据记忆、数据通信等功能要求时，其实现难度可想而知。 (3)单片机：单片机的发展和应用大家有目共睹，其体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点已经被默认。在科学计算、数据处理及信息管理、CAD、CAM、CAA、CAI、过程控制和仪表智能化、军事领域、多媒体系统和信息高速公路甚至家用电器和家庭自动化等方面都可以看到单片机的影子，可谓立下了汗马功劳。

单片机内部包含了CPU、RAM、ROM、I/O口、总线甚至A/D及D/A转换电路，功能十分强大。许多在数字电路、模拟电路中的难题都在单片机的程序设计中得到了出乎意料的解决效果，通过对程序和外部少许电路的修改即可以改变整个设计系统的功能。可移植性和可维护性得到极大的改善。在数据分析、处理、记忆、通讯等方面表现相当出色。根据题目提出的要求，单片机控制当为首选。以单片机为主外设显示器、键盘、通讯、打印接口等硬件电路，完成脉波计数、数据运算、显示、通讯、记忆等功能。

根据以上方案比较，本课题决定采用以红外传感器为传感器，以单片机为主控芯片外辅少量硬件电路完成数据处理、记忆、显示、通讯等功能。硬件框图如图2-3所示。

图 2-3单片机心率计

2.2.3 单片机系统选择

AT89C2051、AT89C51单片机是最常用的单片机，是一种高性能、低损耗、CMOS八位微处理器。AT89C2051与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容，而且能使系统具有许多新的功能，功能强、灵活性高而且价格低廉。AT89S52可构成真正的单片机最小应用系统，增加系统可靠性，缩小系统体积，降低了系统成本。程序长度只要不大于4K，四个I/O口全部提供给用户。系统运行中需要存放的中间变量较少，可不必再扩充外部RAM。采用AT89S52单片机，其内部有8KB单元的程序存储器。而且具有三个定时器，正好满足系统多机通信时所用。 比较以上方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用AT89S52。

2.2.4 显示模块选择和论证 (1)液晶显示

液晶单元是容性负载，液晶的电阻在大多数情况下可以忽略不计，是无极性的，

即正压和负压的作用效果是一样的。液晶显示器件在直流电压作用下会发生电解作用，故必须用交流驱动，并且限定交流成分中的直流分量不大于几十mv；由于液晶在电场作用下光学性能的改变是依靠液晶作为弹性连续体的弹性变形，响应时间长，所以交变驱动电压的作用效果不取决于其峰值，在频率小于1000Hz情况下，液晶透光率的改变只与外电压的有效值相关。液晶显示信息量大、长寿命、低压

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