数字心率计的设计

摘要

摘要

本设计采用以AT89S51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示心率计的硬件电路和软件设计方法。整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、信号采集子程序、信号放大处理子程序、显示子程序等模块组成。本设计采用了红外对管传感器和光电转换原理进一步实现对心率的检测。心率计通过感知手指内的微弱波动来接收信号，可以避免人工听诊器所带来不必要的麻烦。心率传感器采样脉搏信号，采用AT89S51单片机作为控制器，心率传感器输出方波传入单片机，单片机每接收一个脉冲波形，数码管就计数一次。心率次数超限时用蜂鸣器报警。三极管加大功率 ，驱动器件工作。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现心率测量的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。

关键词：心率；传感器；滤波器；放大器；显示电路；报警电路

I

Abstract

Abstract

The rapid development of society today, people's material and cultural life has been greatly improved, but at the same time, a variety of diseases threatening people's life; and the heart attack is difficult to prevent the sudden fatal disease, so health is also more and more attention by people. This design is to solve the problem that can be measured by heart rate, heart disease prevention of heart disease in the digital heart rate meter.Heart rate is an important physiological parameter of human body, in modern medicine, heart rate for blood circulation and cardiac function in field research has important significance. Heart rate meter is used to measure the human heart rate in medical devices, high accuracy rate meter research and development of medical instrument is always an important topic in the field of. This design aims to have the circuit and hardware knowledge, design a simple heart rate meter. In the design of the pulse frequency and heart rate, heart rate can be used to measure the pulse measurement is obtained, therefore the design of human body pulse as the measuring object.

Key words：Heart rate;sensor;filter;amplifier;a display circuit;alarm circuit

II

目录

目 录

摘要 ..................................................................................................................................... I

Abstract .............................................................................................................................. II 第1章 绪论 .................................................................................................................... 1

1.1 课题背景、目的及意义 ................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状及存在问题 ........................................................................... 1 1.3 课题的主要问题和研究方法 ........................................................................... 2

1.3.1 设计要求 .................................................................................................... 2 1.3.2 设计内容 .................................................................................................... 2

第2章 数字心率计总体方案设计 ................................................................................ 3

2.1 数字心率计方案设计思路 ............................................................................... 3 2.2 心率计的结构组成和框图 ............................................................................... 3

2.2.1 心率计的结构组成 .................................................................................... 3 2.2.2 心率计的结构框图 .................................................................................... 4

2.3 本章小结 ........................................................................................................... 4 第3章 心率计的硬件设计 ............................................................................................ 5

3.1 AT89S51单片机 ............................................................................................. 5

3.1.1 AT89S51单片机简介 .............................................................................. 5 3.1.2 AT89S51单片机的特点 ........................................................................ 5 3.1.3 AT89S51的结构 ...................................................................................... 6 3.1.4 工作原理 .................................................................................................. 8

3.2 传感器 ............................................................................................................... 8

3.2.1 传感器的选择与论证 ................................................................................ 8 3.2.2 红外线传感器 .......................................................................................... 10

3.3 复位电路 ......................................................................................................... 10

3.3.1 单片机复位电路 ...................................................................................... 10 3.3.2 按键电路 .................................................................................................. 11 3.3.3 振荡电路 .................................................................................................. 11

3.4 显示报警模块 ................................................................................................. 12

3.4.1 显示模块的选择与论证 .......................................................................... 12 3.4.2 显示电路 .................................................................................................. 12 3.4.3 报警电路 .................................................................................................. 15

3.5 信号采集电路 ................................................................................................. 16

III

目录

3.6 信号放大电路 ................................................................................................. 17 3.7 信号比较电路 ................................................................................................. 17 3.8 LM358P放大器 .............................................................................................. 18 3.9 本章小结 ......................................................................................................... 19 第4章 心率计的软件设计 .......................................................................................... 20

4.1 程序流程 ......................................................................................................... 20

4.1.1 主程序流程图 .......................................................................................... 20 4.1.2 中断程序流程图 ...................................................................................... 21 4.1.3 定时器T0和T1的中断服务程序 ......................................................... 21

4.2 测量计算原理 ................................................................................................. 22 4.3 KEIL编程软件的介绍 ................................................................................... 23 4.4 几种主要干扰因素 ......................................................................................... 23 4.5 本章小结 ......................................................................................................... 24 总结 .................................................................................................................................. 25 致谢 .................................................................................................................................. 26 参考文献 .......................................................................................................................... 27 附录 .................................................................................................................................. 28

附录1 系统原理图 ................................................................................................. 28 附录2 程序代码 ..................................................................................................... 29

IV

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

第1章 绪论

1.1课题背景、目的及意义

近年来世界科技与经济的飞速蓬勃发展，重视生命和健康渐渐成为人类共同的追求。心脑血管疾病成为影响人类生命和健康的主要疾病之一。尤其是最近几年死于心脑血管疾病的人越来越多，耗费巨额的诊疗资金同时，还给患者的家庭带来了巨大的压力。由于饮食结构问题、心理情绪问题等众多原因，原本的老年疾病逐渐向低龄化发展。怎样有效的防治心脑血管疾病，尽量减轻心脑血管疾病带来的经济负担，逐渐成为全社会要面临的一个刻不容缓的问题。

目前，愈来愈多的人开始重视健康的生活方式以及重视疾病预防，人们越来越渴望人性化，日常化的健康监测产品融入人们的生活。科学工作者对于脉搏的研究，国内外的技术和理论已经相当丰富，以现代医学技术为基础，通过脉搏波来检测人体心血管健康的方法和仪器层出不穷。当前的目标是要对脉搏波的采集分析及对心血管的检测应用方向做出深层次的分析，制作一种面向千家万户的，能够对人的心率状况进行便捷检测的仪器，让人们能对自己的心率状况进行快速的了解，方便人们及早的发现和预防疾病的发生。

本课题要解决的内容包括能够测量心率、预防心脑血管疾病的数字心率计。心率对每个人来说都是一项重要的生理参数，当今医学诊断中，血液系统和心脏功能系统的研究都离不开心率。临床诊断中，人们主要通过心率计来测量心率情况，医学仪器制造业的重要科研开发内容之一就是制造出一款精确度高的心率仪器。本课题就是通过已学的编程知识和硬件理论，设计一款便携式心率计。本课题中因为脉搏频率与心率近似等同，测量脉搏即相当于测量心率，所以本课题将人的脉搏当成测量的对象。

1.2 国内外研究现状及存在问题

最近几年，各式各样如静态的、动态的、便携式的、远程控制的心率监测器已陆续上市。因为心率值及其变化情况是医学上作为心血管疾病诊查所重要的必不可少参数，与心率和心率诊疗仪相关的研发一直以来都是医学领域、电学领域还有工程研发领域等从事技术科研者们的工作重点。以前专注于测量心率值的设备较少，所以能够显示心率

1

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

变化情况的仪器更是屈指可数。

1.3课题的主要问题和研究方法

1.3.1设计要求

当前的医用电气设备已经不仅仅是纯粹的电子测量设备硬件系统，而应该是以电子电气技术、计算机控制技术、数字电路电子技术为基础的人体参数分析与检测系统，本课题把人体参数的测量和生理数据处理系统合二为一。以单片机控制器为基础的心率测试仪的研发，通过传感器得到脉搏的震动，获得信号，传入放大器后使信号放大；然后进入滤波器去掉干扰数据之后，将其转换为脉冲信号和方波信号；最后通过倍频器加强信号的频率，计算得出计数器的读数，运用定时器的读数，可以得出60秒内脉搏震动次数，即为人的心率值。计数器得到计数值存储到显示器中显示出来。

本设计所研制的心率计就属于一种集易控制、易携带、易操作、可直接观察等优点在一身的测量设备。 1.3.2 设计内容

简易数字心率计的主要控制处理模块是AT89S51单片机，传感器模块选取红外线传感器，采取硬件和软件的双重滤波功能来确保人体心率信号测量结果的准确性，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，编号；

(2)键盘的切换控制，实现数据的测试、存储、查询等功能； (3)小于40次或大于120次声光报警； (4)掉电存储，实现数据的存储；

(5)测量范围40~120次/分，测量误差小于2次/分。

2

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

第2章 数字心率计总体方案设计

2.1 数字心率计方案设计思路

心率计目前主要有压电式心率计和红外感应心率计两种，两种心率计在使用过程中各有优缺点，在做设计之前，通过查找相关文献了解到，红外感应在日常使用上更加易于操作便于使用，因此本设计选择了红外感应心率计的思路。电路容易实现，各部分造价较低，满足精度要求。

数字心率计的研发，原理是利用仪器收集到人体发出的生物信号，然后把生物信号转换成物理信号，使得这些得到的物理信号能够表达人体的心率情况，最后要得出每分钟的心跳频率，则要借助于其他的一些电子电路和单片机电路来处理信号的数据以及对心跳数据进行存储。随着心跳的震动，人的内脏系统半透明度也随之发生变化。每到血液流进身体各部位时，内脏系统的半透明度降低;每到血液重新进入心脏时，内脏系统的半透明度升高。这种生理情况在人体组织相对比较弱的手指前端、耳垂等部位比较容易观察。所以，此次方案预计将心率器的红外线发光二极管发出的红外线应用在身体的耳垂或手指的位置，然后通过放置与此位置的对面一侧或放置在旁边的红外线光电管用于检查生理器官的通透情况，之后将物理量变化为电信号。因为这个信号的频率和人体单位时间内的脉搏情况成正比，故只要把它变化为脉冲信号然后将其整形、存储数值并显示出来，就能实现实时测量脉搏情况的要求。心率计在将心跳脉冲传递于计数器之前，运用了100倍频的数据运算处理，形成了方框图。如果心脏每60秒跳动n次，频率就是n/60Hz，经过100倍频的数据处理,此时，仅需要把计数器的闸门设置成0.6秒，那么就可以把人的心率显示出来。假设n=76，100倍频之后的频率是127HZ，则进入的脉冲就是127×0.6=76，结果与人的真实心率情况恰恰相符。为了确保能够让各模块发挥应有的功能，对每一个模块都做出了具体的设计方案并进行了可行性分析。

2.2心率计的结构组成和框图

2.2.1心率计的结构组成

本设计采用单片机AT89S51作为控制核心，确保心率监测模块基本的测量功能。当指尖放在红外线发射二极管和作为接收的三极管中间，当心脏不断震动时，血管里血液

3

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

的体积也随之发生改变。由于将手指处于传感器件的传递路径内，血管里人体血液的饱和度的改变，必然带来光的强弱跟着发生变化，所以正好可以反映出心跳的频率，变化的还有红外接收三极管的电流值，于是红外接收三极管便可以把脉冲信号输出。此信号利用放大、滤波、整形之后开始输出，MCU外部的中断信号来源即为输出的脉冲信号。MCU控制模块会把进入的脉冲信号经过计算和处理之后把结果运输进数码管显示。

红外感应式心率监测系统是通过红外传感器当成感应器件，将收集得到的用于检测心脏跳动的红外信号变化为电信号，再通过电子仪表进行测量和显示的装置。本课题的组成主要含有光电传感电路单元、单片机控制单元、信号采集处理单元、LCD显示单元等部分。光电式传感器的工作原理是是把光信号变化为电信号，利用接收三极管和红外发射二极管组成，可以把获得到的红外光按一定的函数关系(一般情况下是线性的关系)变化为便于测量的物理量(如频率、电流或电压等)输出。信号采集处理模块的任务是把光电传感器获得到的低频信号数据的模拟电路(包括整形、滤波等)进行数据处理。单片机控制模块通过单片机特有的定时中断计数功能对得到的脉冲电平进行处理，即可获知心率(包含AT89S51、外部中断、外部晶振等)。电源电路部分为传感器单元、信号采集处理单元和MCU控制单元提供电源，通常是5V-9V的交流或直流的稳压电源。 2.2.2心率计的结构框图

据以上分析可以得出，本课题包含单片机AT89S51处理单元、脉搏传感器单元、LCD显示单元和其他外围元件构成。系统的基本框图结构如图2-1所示：

脉搏传感器 振荡电路

复位电路 图2-1 系统结构图

LCD显示电路 单片机 蜂鸣报警器电路 2.3本章小结

根据本课题的设计需求， 设计总共可以分解成：单片机控制处理电路、脉搏传感器电路和显示电路共三大部分。

4

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

第3章 心率计的硬件设计

3.1 AT89S51单片机

3.1.1 AT89S51单片机简介

到目前为止，51系列单片机可以兼容所有Intel 8031指令系统。51系列单片机最开始是Intel的8031单片机，后来随着科技的发展Flash rom技术在飞快的发展，8031单片机在经历了长时间飞快的发展长，现如今8031单片机已经成为全世界都在使用的8位单片机之一，51单片机最出名的型号就要数AT89系列了。这种型号的单片机在工业测控系统中运用的十分广泛。现如今很多公司都推出51系列的机型，这种机型会在今后很长的一段时间内在市场上广泛流通。51单片机是我们学生和初学者最容易入门的单片机，恰好也是最流通的一种。唯一的缺点就是51系列的单片机般不能自动编程，这就需要我们学好编程，熟练驾驭51系列单片机，使我的设计更加轻松。

AT89S5l单片机是美国Atmel研发公司制造的具有耗损低，功能强大的Cmos 八位单片机控制器，芯片里包括4K Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，此单片机选取高密度、高可靠性存储技术设计，与MCS -51指令系统和AT80C5l单片机的管脚构造完美兼容，元件里汇聚了常见的八位中央处理器还有ISP FLASH存储单元，性能出色的迷你计算机AT89S5l可以给大量嵌入式控制操作电路得到省时省力的设计思路。

AT89S5l类型单片机控制器是由宏晶电子公司研发的尖端器件，具有性能强、耗能少、抗干扰能力高的单片机，编写程序和原来的其他805l系列MCU兼容性能突出。 3.1.2 AT89S51单片机的特点

主要特点为： （1）CPU为8位；

（2）片内带振荡器，频率范围为1.2~12MHz； （3）片内带128字节的数据存储器；（RAM） （4）片内带4KB的Flash程序存储器；（ROM） （5）程序存储器的寻址空间为64KB；（需要扩展ROM） （6）片外数据存储器的寻址空间为64KB；（需要扩展RAM） （7）128位（16字节）用户位寻址空间；（在128个字节中）

5

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

（8）具有18个字节的特殊功能寄存器sfr（Mcs-52系列的单片机具有21个）； （9）4个8位的并行I/O接口：P0、P1、P2、P3；

（10）2个16位定时器/计数器T0、T1；（MCS-52子系列为3个，T2） （11）2个优先级别的5个中断源；（高、低2个） （12）1个全双工的串行I/O接口，可多机通信； （13）片内采用单总线结构； （14）有较强的位处理能力； 3.1.3 AT89S51的结构

此次设计所使用的AT89S51 的封装形式是DIP40。如图3-1 所示。

图3-1 AT89S51的封装形式

引脚功能： 89C51有40个引脚

引脚按其功能可分为如下3类：

（1）源及时钟引脚—－VCC、VSS；XTAL1、XTAL2； （2）控制引脚—-RST/VPD、ALE/PROG、PSEN、和EA/VPP； （3）I/O口引脚——P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口。

6

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

a.电源引脚

VSS（20脚）：接地，0V参考点。 VCC（40脚）：5V电源。 b.外接晶体引脚

XTAL1（19脚）：与外部晶体振荡器相连。在开启芯片里边的计时器的时候，这个管脚的作用是与石英晶体振荡器和微调电容连在一起；如果使用外部的计时器的时候，如果是Hmos单片机，那么这个管脚则接地；如果为CMOS单片机，那么此引脚作为外在振荡信号的输入端。

XTAL2（18脚）：与外部晶体振荡器相连接，在开启芯片的内置计数器的时候，这个管脚作用是与微调电容和石英晶体振荡器连到一起。当使用外部的计时时钟的时候，如果是HMOS单片机，那么这个引脚与外部振荡源相连；如果是CMOS单片机，那么这个引脚应当悬空，什么都不不接。

AT89S51晶体振荡器的使用频率为6MHZ～40MHZ，一般使用12MHz或6MHz的石英晶体。对于电容的选择没有具体明确，但是电容的取值还是些许会影响到振荡器频率输出的大小、稳定性和振荡电路的起振速度，C1、C2的取值范围为20pF~100pF。如果外部连接了晶体振荡器，电容取值为30pF±10pF；外部连接了陶瓷振荡器，电容取值为40pF±10pF。

c.控制信号或与其它电源复用引脚

（1）RST/VPD（9脚）：复位端口。如果进入的复位信号，连续两个以上运转周期（12个晶体振荡周期）出现高电平，那么就是可行的，用来处理MCU的复位初始化功能。正常工作时，此脚电平应 ≤ 0.5V。

在VCC发生故障、降低到电平规定值掉电期间，此引脚可接备用电源VPD（电源范围5V±0.5V），由VPD向内部RAM供电，以保持内部RAM中的数据。

（2）ALE/PROG（30脚）：地址锁存使能。 ALE（Address Latch Enable）；PROG（Program）

ALE/PROG是CPU读取外接程序存储器或外接数据存储模块提供数据读取信号，把低8位数据存储在片外的地址锁存器中。

ALE/PROG引脚第二功能，对片内 Flash编程，为编程脉冲输入端。

（3）PSEN（29脚）：（Programmer Saving ENable），外部程序存储器读选通信号。

7

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

在执行外部程序存储器时工作（低电平），来完成外部程序存储器模块的执行操作。 当每个设备运行周期是、如果PSEN有效，那么程序存储器的数据被传递到P0口（即数据总线）

（4）EA/VPP（31脚）：（Enable Address/Voltage Pulse of Programming） 访问程序存储控制信号。

当EA/VPP＝“0”时，表示读外部程序存储器。

只读取外部的程序存储器中的内容，读取的地址范围为0000H～FFFFH（64KB），片内的4KB Flash 程序存储器不起作用。

如果EA/VPP＝“1”，那么代表对程序存储器执行读操作第一步需要由内部程序存储器开始读取，然后能够传递到外部程序存储器。

如果PC数据没有超过0FFFH（即没有超过芯片内4KB Flash存储模块的地址范围）时，单片机读取芯片内的程序存储器（4KB）之内的程序，但当PC数据大于0FFFH （即大于芯片内4KB Flash地址范围）时，那么会自动去读取芯片外的60KB（1000H-FFFFH）程序存储器空间中的程序。

如果是EPROM（或FLASH）型的单片机，那么EPROM编程的时候，该引脚应当外加21V或者12.75V的编程电压。 3.1.4工作原理

本题目选用单片机最小系统当成信号的处理电路，源于整形输出模块和取样模块的脉冲电平进到AT89S5l的/INTO引脚，MCU设置成负跳变中断触发模式。每回出现脉冲信号降低进入时，引起单片机出现中断并执行计算时长功能，每当出现一次脉冲心跳，就增加一次计数；定时器里中断指令主要完成一分钟的定时计数功能。

3.2传感器

3.2.1传感器的选择与论证 （1）压电式

压电式传感器的工作原理是通过振动感应装置或压力感应装置把人体脉搏振动出现的物理信号变化为电信号。一般的压电式传感器可用常见的压电陶瓷代替。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。于是，中间的电极变成完全空闲的状态，能够利用拥有良好绝缘性能的导线

8

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

将其导出。这样的手段的优点是传感器的品种多样，常见的传感器可以输出比较大的信号，对于旁边的放大电路没有太高的要求。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

声电式传感器的功能是把气体、液体或者固体中传播的物理信号变成为电信号。所以，其属于力学量传感器的一种。声电式传感器的生产材料通常利用压电陶瓷材料或者不定性无烟煤颗粒材料制造。颗粒式的声电感应元件，其优点是容易生产、价格低廉和使用寿命长，缺点主要有，颗粒的使用磨损和接触外层的霎那电弧导致颗粒不断老化，所以造成非线性、杂音大和性能不稳定等问题；而压电陶瓷式的声电传感器在检测声音信号时却存在着无法避免的些许缺陷。

声电式传感器的工作原理是通过微音感应器件将人发出的振动物理信号变化成电信号。这样的性能的好处是作为传感器的微音感应元件可利用已存在驻极体或电容式话筒，但是他旁边的模块要应用必要的手段把四周的声音干扰信号排除。

（3）光电式

光电系统一般是指能精准感受由红外光到紫外光的光辐射，然后将光辐射转化成电信号的元件。一般可利用的光电器材有：光电式三极管和光电式二极管。光电式传感器用在精确的位移变化时能够达到明显的效果，不过光电传感器对光电管属性材料、电路控制要求较高：吸收红外光的能力特别高；介电常数要低，能够更容易的得到比较大的输出电压；介电损耗小。

光电传感器的工作原理是利用光电传感器得到人体内血液流动时，由于对光的反射率或透过率不同，然后再把光信号变化为电信号的原理。这样的方法有两种途径：包括对射式和反射式这两种。对射式的工作原理是在大小合适的环的两侧各放一个接收管和一个发射管，当测量的时候把手指插入检测环内，因为手指内的血液流动值的变化会导致光电接收管的光信号也跟着发生改变，反射式的方向与光电接受和光电发射相同，每到身体中的血血液流动发生变化时，它对于光的反射率将会跟着改变，所以检测到心率值。这样的原理的好处是外界带来干扰信号微弱，但是它最大的局限是传感器输出的信号也微弱，对后面的放大电路要求较高。还有一点，如果遇到干扰变化极其强烈的信号，回路不应该去调制，可以根据光电管的定向角的区别，光轴也不容易把握。

根据前面的分析，无论是传感器的材料的选择、制作技术、制作生产时中前级电路的生产难易程度和遇到外界的干扰信号时的干扰程度等原因考虑，还是更适宜使用两个红色发光二极管更可靠。

9

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

红外传感器的放大电路、滤波电路和整型电路的见图3-2所示。

图 3-2 信号处理模块

3.2.2红外线传感器

传感器也叫变换器或者换能器。在脉搏监测电路中，脉搏感应装置是必不可少的最关键单元，其大致作用是把桡动脉搏动压力和切脉压力这样的一些物理信号变化为容易检测的电信号。脉搏传感器的抗干扰能力大小、是否精确、安装手法是否便捷还有灵敏度强弱共同决定了脉搏检测结果的精确度，所以它的选型在整个课题起着非常关键的用途。

本课题里，选取红外对管脉搏式传感器，红外对管传感器具有价格低廉、利于收集身体手指微弱的脉搏物理信号的优点，再通过放大，模拟信号的输出，输出与脉搏波动

的脉冲信号同步进行，脉搏跳动时，每输出一次即出现一个正脉冲。可用于心率检测。

红外传感科技是在几十年之中崛起出来的一个热门科学。它在国防，科研，还有工农业制造生产等方向得到普遍的利用，特别是在军事国防、医学诊疗和科研院所里起着极其关键的作用。尤其在应用于远程温度检测和控制的研究领域，红外温度传感器有着良好的特点，能够在很多设计中达到检测目标，因而在产品设计中，红外传感器应用广泛。本课题心率计使用的传感器通过一对5MM的红外对管，然后再外加一些电路所构造出的红外传感器。红外对管指的是红外线发射管与光敏接收管，或者红外线接收头，或者红外线接收管配合在一起使用时候的总称。

光敏接收管是一种带着光敏特性的PN结，属于光敏三极管，特性为单向导电性。所以使用时应当通上反向电压。没有光照射的情况下,有很少的饱和的反向漏电流。此时的光敏管不导通。当光照时,饱和的暗电流马上上升，生出光电流,在一定的范围内它跟着入射光的强度的变化而上升。

3.3复位电路

3.3.1单片机复位电路

如图3-3所示，时钟电路开启之后，如果REST管引脚外加两个机器周期的高电平，

10

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

芯片内部就会开始初始复位的操作。

图3-3 单片机复位电路图

3.3.2按键电路

图3-4 测试复位电路图

如图3-4所示电路，单片机系统如果检测这个端口，查看是否有按键操作，一旦按下按键，便开始记录数据的工作，如一直未按则一直在此等待。

将单片机的I/O口配置为上拉输入，可以省去两个上拉电阻，简化了电路设计，也减小了电流消耗。因为I/O口足够用，键盘设计采用线性键盘。三个引脚设置成按键接地的方式。有程序控制扫描部分。三个按键分别连到单片机的P32、P31、P30引脚上，将正常的心率区间预先设置，方便在超过安全值时进行声光报警。 3.3.3振荡电路

如图3-5所示，本课题选择使用频率为12MHz的晶振，电容使用30pF的电容。通过计算，单片机的工作周期是：12×（1÷12M）=1us。

图3-5 振荡电路图

11

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

中断返回 恢复现场 R1R4+1送R1R4 保护现场 保护现场 置T1定时初置T0定时初值 外部中断0关闭 N 中断次数（100次）Y 外部中断恢复现场 中断返回

图4-3 定时器T0的中断 图4-4 定时器T1的中断

服务程序流程图 服务程序流程图

4.2测量计算原理

在心跳脉冲输入给计数器之前，此器件进行了100倍频的数据处理，组成方框图。如果每分钟人心脏跳动次数为n次，即频率f=n/60Hz,此刻，只需将计数闸门设置成0.6秒，那么就可以准确将心率显示出来。例如：n=76，100倍频后的f是127Hz，进入脉冲是0.6×127=76，恰恰和真是心率相同。

设时间为t（秒）内产生K个连续的动脉搏动作，于时间 t 内产生的心率的平均值为n（次/分），则：

n = 60K/t 式(4-1)

方便确保更好的掌控MCU算出t的数值，所以选择脉动信号控制MCU的计数/定时器To定时（定时每lms将会中断一次），工作寄存器会把中断次数进行累计，进而读取计数值。设该计数值为N，于是有：

t = 0.001N 式(4-2)

22

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

把（2）带入（1）得到：

n = 60k/0.001N =60000K/N 式(4-3)

式（3）中即使用了单片机量取心率数的数学模型。正如此单片机模块中，K = 1～9。可测心率范围20次/分~~200次/分（N的范围：300~~30000）

4.3 KEIL编程软件的介绍

编程软件选择方面使用了美国KEIL SOFTWARE公司研发的KEIL c5l，它能完美的兼容5l系列单片机及c语言软件编写环境，和汇编语言相比，c语言比汇编语言拥有在结构性、可读性、功能使用等方面具有显著的长处。KEIL c5l编程系统拥有普遍的功能更全面的集成开发调试功能和库函数，融合了WINDOWS系统。还有关键的一点，KEIL c5l编出来的目标指令效率特别明显，基本上语句编出来的汇编程序非常紧凑，便于读取。这样开发大型软件时，便越能表达出高级编程软件的优势。利用KEIL的审查功能就可以保证程序语言的无误性且保证预期功能的正常执行。

4.4几种主要干扰因素

（1）阳光的干扰。

由于此电路是利用红外光线穿过手指来采集人的心率信号，在此基础上把信号进行处理，从而获得心率值。另外处于千差万别的环境内，外界光照的强度也会产生差异，此因素给实验的干扰很明显。但是外界光照对于人体表面的强度是均衡的，也就是照在人体的各处光照强度相同，对人体内变化的影响是相同的，也就是可以相互抵消的。

注：在实际操作过程中，光对测量的影响确实很明显，刚开始我还一直以为是由于手指的抖动，导致传感器采集到的信号不明显而导致整个心率计不灵敏，后来拿到黑暗的地方，问题就不太大了。 （2）测量过程中手指的抖动。

光电传感器如果监测取得的心率信号十分微弱，在实际操作是，手指的轻微抖动就可能导致测量的心跳值产生大幅变化。为了解决这个问题，在设计中，在测量的时候尽量手指不要有太大的浮动，就可以很大减小手指抖动对试验现象以及结果的影响。 （3）呼吸的影响。

血液中的含氧量的变化进而导致人体组织透明度变化，从而来测量心跳频率，这就是本设计心率信号的采集原理。这样正常情况下的呼吸和急促的呼吸就使得人体内的含氧量大大的不同，所以运动的人和一般人的心率也大不一样。据试验所得，当人运动之

23

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

后呼吸会比较剧烈，这时他的心跳频率也就跟着变大。通常情况下 ，心率指的是当人一般生活状态下的时候的心跳值。

4.5 本章小结

基于单片机的数字心率器的软件设计部分大致包含主程序流程图、显示子程序还有中断程序流程图组成。众所周知C语言编程较容易完成难度较高的算法，而汇编语言指令则更节省时间，效率更高并且适用于精细计算程序工作的时间，而数字心率器的软件设计一方面包含相对复杂的计算（时间t内的平均值），另一方面还应做到准确计算程序工作时间（动脉搏动时间），因此控制程序选择C语言和汇编语言混合编程的方式。

24

总结

总结

脉搏测量过程核心环节是单片机的设置和传感器输出的信号如何提取的问题, 本课题的电路中模拟电路较为简洁，利用S51芯片来完成脉搏信号收取，对信号进行处理，对脉搏进行计数等功能，因此体积小，功耗低，电路的稳定性高。本设计可以作为对脉搏频率进行实时存储，还可以对脉搏次数进行报警, 所以适合当成便携的脉搏测试计。

基于单片机心率仪的软件部分大致有主程序流程图、显示子程序及中断程序流程图这几部分。众所周知，C语言编程能够完成较为高级的算法，而汇编语言编程则能够省时并且利于精细编程工作的时间，而心率计的编程指令既包含比较复杂的计算，还必须精细的计算出程序的工作时间（动脉搏动时间），因此控制代码运用C语言和汇编语言混合编程而成。

为了便于实现数字心率计的重复性，另外增加了单片机的复位按键还有测试复位按键。与此同时，为了便于观察脉搏跳动次数的增减情况，选择了动态扫描显示的方式，采取共阳极数码管，能够每时每刻便于观测脉搏跳动的实时情况。当测试完成时，利用心率计的报警功能，能够对病人进行预警，如果3种灯其中任何一种灯亮起，则表示测试过程结束。

本课题所研发的测量仪优点有：制作简单、操作简洁、功能全面、稳定性能高，日常使用范围广，拥有实际价值。但是因为利用的知识不够全面，所以本课题还拥有诸多可以改进的地方，例如：光电传感器的灵敏度不够精确，程序也许不够简练，数码管显示模块不是很完美等，另外这个设计里心率计的功能比较寻常，缺少如能够自动播放心率值的语音系统等一些更加人性化的功能，另外在设计的过程中，运用的运放数量也比较多，加大了电源管理的复杂度。但是我坚信，科学的发展势必会使监测仪的功能日益强大和完善，应用领域会不断扩大，会给我们的生活带来更多的方便和精彩。

25

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

致谢

四年大学生活即将结束，这四年中，我收获了知识，收获了友谊，更收获了为人处事的道理。感谢学校为我提供这个自我发挥的舞台，让我在这里尽情展现了自己的才能。在这个大家庭里，我和同学们共同生活，共同学习。

生活的道路不会一直这么平坦，在前进的道路上，我遇到了很多困难和挫折，但是凭借着自己的毅力和周围老师、同学的帮助，我最终都努力地克服了。

在这次课程设计的过程中，我的指导老师高敬格老师给予了我很大的帮助，在设计的初期我遇到了比较大的麻烦，可以说毫无头绪一度对论文失去的信心。多亏高老师提供了相关的资料，对我的课程设计作品给予了指导和支持。使我顺利圆满的完成了此次课称设计。在此，向高老师表示衷心的感谢！同时，也要感谢我的同学，在我遇到困难时主动帮我解决，使我很快地攻克了一个又一个难题。毕业设计已经结束，但它却给我留下了美好的回忆，在做毕业设计的过程中加深了师生的感情和同学之间的友谊，觉得每一天都是那么的充实和愉快。接着我要感谢学校和学院给了我们这么一次展示自己能力的机会，大学即将结束，在踏入社会前，学校为我们安排这么一次毕业设计的任务，这在很大程度上有助于提高我的学业水平和生活适应能力。

在本次毕业设计过程中我受益匪浅，同时也遇到了许多困难，在我定下毕业设计题目时，我自认为挺简单的，但在理性分析和实际操作过程中却处处碰壁，这都是由于基础知识不牢固造成的，最后在老师的耐心指导下，我对题目有了一定程度的认识和理解，对具体的细节有了清晰地认识。本次毕业设计让我学习到一些实践应用知识，增强了我实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。最后，再次感谢学院给了我们机会，以及信电学院的各位老师和许多的朋友、同学在各个方面给予了我很多的帮助和支持，让我坚持到了最后，谢谢你们！

26

参考文献

参考文献

[1] 余发山. 单片机原理及应用技术[M] 徐州：中国矿业大学出版社，2003年8月 [2] 饶连周.基于单片机的语音心率检测仪的设计[J] 三明学院学报，2005.22(4)：18-22 [3] 何忠蛟. 基于单片机控制的心率计[J] 邵阳学院院报:自然科学版2008.5(2) ：28-29 [4] 王延林.谢少良 OPT101型光电传感器的技术性能与应用[J].清华大学学报

1999.12（3）：22-24 [5] 何立民. 单片机应用技术选编[M] 北京：北京航天航空大学出版社，1999：493-497 [6] 吴木玠. 红外技术与生物医学[J]. 中国医疗器械信息，2001，7（2）：33-35 [7] 李鸿. 单片机原理及应用[M]. 长沙： 湖南大学出版社，2004，247-286 [8] 张岩，胡秀芳. 传感器应用技术[M]. 福州：福建科学技术出版社，2005年6月 [9] 陈永普. 红外器件与典型应用[M]. 北京： 北京电子工业出版社， 2004年8月 [10] 高峰. 单片机应用系统设计与实用技术[M]. 北京：机械工业出版社 2002年6月 [11] Johan H.Huijsng． Integrated Smart Sensors． Sensors and Actuators.1992，（A30)：

67-174 [12] Fujita，Takayuki，Macnaka，Kazusuke．Integrated multi—enviromnenta sensing system

for the intelligent data carrier．Sensors and Actuators.2002，(97～98)：527-534

27

附录1 系统原理图

附录

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

心率计原理图

28

附录

附录2 程序代码

#include #include

#define uint unsigned int #define uchar unsigned char #define ulong unsigned long #define LCD_DATA P0

sbit LCD_RS =P2^5; sbit LCD_RW =P2^6; sbit LCD_E =P2^7;

sbit Xintiao =P1^0 ; sbit speaker =P2^4;

void delay5ms(void); //误差 0us

void LCD_WriteData(uchar LCD_1602_DATA); /********LCD1602数据写入***********/

void LCD_WriteCom(uchar LCD_1602_COM); ***********/

void lcd_1602_word(uchar Adress_Com,uchar Num_Adat,uchar *Adress_Data); /*1602字符显示函数，变量依次为字符显示首地址，显示字符长度，所显示的字符*/

void InitLcd();

void Tim_Init();

uchar Xintiao_Change=0; uint Xintiao_Jishu; uchar stop;

29

/********LCD1602命令写入

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

uchar View_Data[3]; uchar View_L[3]; uchar View_H[3]; uchar Xintiao_H=100; uchar Xintiao_L=40;

uchar Key_Change; uchar Key_Value; uchar View_Con; uchar View_Change;

void main() { InitLcd(); Tim_Init();

lcd_1602_word(0x80,16,\ TR0=1; TR1=1; while(1) {

if(Key_Change) { Key_Change=0; View_Change=1; switch(Key_Value) { case 1: { View_Con++; if(View_Con==3)

View_Con=0;

\30

附录

break; }

case 2: {

if(View_Con==2) {

if(Xintiao_H<150)

Xintiao_H++; }

if(View_Con==1) {

if(Xintiao_L

Xintiao_L++; } break; }

case 3: { } }

31

if(View_Con==2) {

if(Xintiao_H>Xintiao_L+1)

Xintiao_H--; }

if(View_Con==1) {

if(Xintiao_L>30)

Xintiao_L--; } break; }

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

if(View_Change) { View_Change=0; if(stop==0) {

if(View_Data[0]==0x30) View_Data[0]=' '; } else {

View_Data[0]=' '; View_Data[1]=' '; View_Data[2]=' '; }

switch(View_Con) { case 0: { lcd_1602_word(0x80,16,\ lcd_1602_word(0xc0,16,\ lcd_1602_word(0xcd,3,View_Data); break;

}

case 1: { lcd_1602_word(0x80,16,\ lcd_1602_word(0x8d,3,View_Data);

View_L[0]=Xintiao_L/100+0x30; View_L[1]=Xintiao_L0/10+0x30;

View_L[2]=Xintiao_L+0x30;

32

\ \ \ 附录

if(View_L[0]==0x30) View_L[0]=' ';

lcd_1602_word(0xC0,16,\ \ lcd_1602_word(0xCd,3,View_L); break;

}

case 2: { lcd_1602_word(0x80,16,\ lcd_1602_word(0x8d,3,View_Data);

View_H[0]=Xintiao_H/100+0x30; View_H[1]=Xintiao_H0/10+0x30; View_H[2]=Xintiao_H+0x30; if(View_H[0]==0x30) View_H[0]=' ';

lcd_1602_word(0xC0,16,\ lcd_1602_word(0xCd,3,View_H); break;

}

} }

}

}

void Time1() interrupt 3 {

static uchar Key_Con,Xintiao_Con;

33

\ \

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

TH1=0xd8; TL1=0xf0;

//10ms

switch(Key_Con) { case 0: {

if((P3&0x07)!=0x07) { }

Key_Con++; }

break;

case 1: {

if((P3&0x07)!=0x07) {

Key_Con++; switch(P3&0x07) {

case 0x06:Key_Value=1;break; case 0x05:Key_Value=2;break; case 0x03:Key_Value=3;break; } }

else { }

Key_Con=0; }

break;

case 2: {

34

if((P3&0x07)==0x07) { Key_Change=1; Key_Con=0; }

break;

}

}

switch (Xintiao_Con) { case 0: { if(!Xintiao) { Xintiao_Con++; }

break;

}

case 1: { if(!Xintiao) { Xintiao_Con++;

}

else { Xintiao_Con=0; }

break;

}

case 2:

附录

35

河北工程大学科信学院毕业设计说明书

{

if(!Xintiao) {

Xintiao_Con++; }

else { }

Xintiao_Con=0; }

break;

case 3: {

if(!Xintiao) {

Xintiao_Con++; }

else { }

Xintiao_Con=0; }

break;

case 4: {

if(Xintiao) {

if(Xintiao_Change==1) {

View_Data[0]=(60000/Xintiao_Jishu)/100+0x30;

View_Data[1]=(60000/Xintiao_Jishu)0/10+0x30; View_Data[2]=(60000/Xintiao_Jishu)+0x30;

36

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5xa7.html