基于单片机的便携式心率测试仪的设计.docx

基于单片机的便携式心率测试仪的设计.docx

《基于单片机的便携式心率测试仪的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的便携式心率测试仪的设计.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机的便携式心率测试仪的设计

本科学生毕业设计

基于单片机的便携式心率测试仪的设计

院部名称：

专业班级：

学生姓名：

指导教师：

职称：

讲师

PortableHeartRateMeasuringInstrumentBasedonMCU

Measurement&controltechnologyandinstruments

随着生物医学工程技术的发展,医学信号测量仪器日新月异。

生物医学测量与临床医学和保健医疗的联系日益紧密。

通过对人体各种生理信号的检测,能更好的认识人体的生命现象。

脉象包含丰富的人体健康状况信息,脉诊技术应客观化、定量化。

本设计利用光电式传感器,设计脉搏信号获取的方法。

本设计主要是基于单片机的便携式脉搏测试仪的具体实现方法，利用光电传感器产生脉冲信号，经过放大整形后，输入单片机内进行相应的控制，从而测量出一分钟内的脉搏跳动次数，快捷方便。

通过观测脉搏信号，可以对人体的健康进行检查，通常被用于保健中心和医院。

本设计所设计的基于单片机的便携式心率测试仪对推进脉诊技术客观化的实现具有积极的促进作用。

ABSTRACT

Keywords:

MCU；

2.4.2单片机部分的选择…………………………………………………………7

2.6本章小结……………………………………………………………………...…..8

3.1.1AT89S51简介……………………………………………..………………9

3.1.2AT89S51的特点…………………..……………………………………....9

心脑血管疾病是当今全球死亡率最高的疾病，是21世纪人类健康的头号杀手。

多年来，心率测试仪在心脑血管疾病的研究和诊断方面发挥出显著的作用，它记录的心脏活动时的生物电信号，已成为临床诊断的重要依据。

临床上使用的心电监护仪虽然功能强大，测量精度高，但因为价格高昂，不利于家庭的普及。

就算是在医院，护士每天监控病人病情而进行的心率测试也是常用手测。

正常人的心率和脉搏跳动的次数是一样的，因此可以用测脉搏的方法来测心率。

医院的护士每天都要给住院的病人把脉，并记录病人每分钟脉搏数，从而达到测试心率的目的，他们一般的方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。

为了节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测量10秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以6即得到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高。

随着科技发展的不断提高，生命科学和信息科学的结合越来越紧密，出现了各种新颖的脉搏测量仪器，特别是电子脉搏仪的出现，使脉搏测量变得非常方便。

从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。

几乎世界上所有的民族都用过“摸脉”作为诊断疾病的手段。

脉搏波所呈现出的形态（波形）、强度（波幅）、速率（波速）和节律（周期）等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。

本系统采用AT89S51单片机为核心而制作的一种实用型脉搏测量仪。

采用光电脉搏传感器作为传感器对人体的脉搏进行数据采集。

得到的信号送入AT89S51单片机进行处理。

单片机将采集到的脉搏数在数码管上实时显示出来，同时还设置了脉搏测量仪的上下限报警电路。

本设计首先描述本设计的整体思路，然后介绍各个部分设计中的细节问题，最后提出一些完善本设计的改进意见。

便携式心率测试仪携带方便并且能准确快速地测试心率，这是我们在家中就可以测试心率从而能检测是否患有一些心血管疾病，做到早发现。

他还可以供运动员使用以检测身体状态，当能护士使用它可以节省大量的时间并大大的提高了测试心率的准确性。

人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，是血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波成为脉搏波。

从脉搏波中提取人体的心理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。

脉搏波所呈现出的形态（波形）、强度（波幅）、速率（波速）和节律（周期）等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。

随着科学技术的发展，脉搏测量技术也越来越先进，对脉搏的测量精度也越来越高，国内外先后研制了不同类型的脉搏测量仪，而其中关键是对脉搏传感器的研究。

而由于脉搏传感器的不同，现今市场上的脉搏测试仪的脉率采集主要有三种方法：

采用一对红色发光二极管实现、采用反射式的红外管实现和采用压电陶瓷芯片实现。

近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器，这类传感器的重要特征是测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，能够自动消除仪表自身系统的误差，测量精度高，通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。

本设计采用的光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器。

它是采用一对红色发光二极管进行脉率的采集，而它的测量位置一般是耳垂或手指。

通过对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号。

具有结构简单、无损伤、精度高、可重复使用等优点。

虽然手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降，但只要注意清理，测量的准确性还是非常高的；耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。

但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确。

脉搏测量仪的发展主要向以下几个趋势发展：

1、自动测量脉搏并且对所得到的脉搏进行自动分析

目前很多脉搏测量仪都具有检测血氧等其他的功能，但是对这些信号的分析和诊断还需要一些有经验的医生观察，进行分析后才能确认结果，浪费大量的人力，且由人为引入的误差较大。

因此，未来脉搏自动检测的内容将更加详细，自动分析诊断功能也更强大。

2、数字化技术等先进技术的应用

随着数字科学技术的发展，脉搏测量仪集成度将更高，更便于携带。

数字信号处理的运用将使干扰更小，测量更为准确。

3、多功能化越来越明显

目前的脉搏测量仪，一般都具有测试血氧，心电图等等功能，单纯的脉搏测量仪已经很少见。

随着电子技术的发展，脉搏测量仪必然可以实现更多的功能。

本设计以单片机为核心，由光电传感器采集脉搏信号。

经过前置放大电路、滤波电路、积分和比较电路后得到与脉搏相关的脉冲信号。

该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行买长周期的计算。

然后得到每分钟的脉搏搏动次数（即心率），并在数码管上显示心率。

本设计的工作是围绕着光电传感器检测脉搏波而单片机进行控制进行的。

本设计的设计内容安排如下：

第一章为引言。

简要介绍了心率测试仪设计的目的和意义，并对基于单机的便携式心率测试仪的现状和应用以及未来的发转走势做了简单的阐述，指出了本设计的主要技术内容，即心率的测试。

第二章为整体方案的分析。

顾名思义第二章是对整个方案的详细的对比与选择并确定最终方案。

在确定方案之前我必须先明确本设计的任务与要求，之后是各个部分的对比选择。

第三章是本设计的核心。

在这里给出了整体的硬件电路设计思路，并且对电路的各个部分进行分析与解释。

第四章叙述程序的编程方案，给出程序的框架结构图并对整个设计进行总结，而且对以后的设计工作进行了展望。

基于单片机的便携式心率测试仪的设计。

本设计以单片机为核心，由光电传感器采集脉搏信号。

经过前置放大电路、滤波电路、积分和比较电路后得到与脉搏相关的脉冲信号。

该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行买长周期的计算。

然后得到每分钟的脉搏搏动次数（即心率），并在数码管上显示心率，并且在超出设定的正常脉搏跳动范围时，驱动蜂鸣器报警。

（1）通过脉搏传感器采样脉搏信号，设计脉搏波检测电路，通过译码管来显数脉搏次数。

（2）将脉冲波送入单片机，采用单片机构成脉搏波检测仪，要求实现脉搏波次数超出设定时限时驱动蜂鸣器报警。

设计时要考虑的问题

环境光对脉搏传感器测量的影响

在光电式脉搏传感器中，光敏器件接收到的光信号不仅包含脉搏信息的透射光的信号，而且包含测量环境下的背景光信号，由于动脉波动引起的光强变化比背景光的变化微弱得多，因此在测量过程当中要保持测量背景光的恒定，减少背景光的干扰。

测量环境下的背景光包含环境光和在测量过程中引起的二次反射光。

为了减少环境光对脉搏信号测量的影响，同时考虑到传感器使用的方便性，采用密封的指套式包装方式，整个外壳采用不透光的介质和颜色，尽量减小外界环境光的影响，为了避免测量过程中的二次反射光的影响，在指套式传感器的内层表面涂上一层吸光材料，这样能有效减少二次反射光的干扰。

加上指套式外壳后的脉搏传感器测量到的脉搏波形比较平滑。

这是因为加指套式的脉搏传感器中环境光在测量过程中基本不受外界环境光的影响，而且能够有效减少二次反射光，使照射到手指上的光波长单一，所以得到的脉搏信号较为稳定，没有明显的重叠杂波信号，能够很好的体现出脉搏波形的特征。

电磁干扰对脉搏传感器的影响

通过光电转换得到的包含脉搏信息的电信号一般比较微弱，容易受到外界电磁信号的干扰，在传统的光电式脉搏传感器电路中，由于光敏器件和放大电路是分离的，那么在信号的传递过程就很容易受到外界电磁干扰，通常在一级放大电路采用电磁屏蔽的方式来消除电磁干扰。

本系统采用了新型的光敏器件，在芯片内部集成光敏器和一级放大电路，有效地抑制了外界电磁信号对原始脉搏信号的干扰。

工频干扰是电路中最常见的干扰，脉搏信号变化缓慢，特别容易受到工频信号的干扰，因此对工频信号干扰的抑制是保证脉搏信号测量精度的主要措施之一。

通常脉搏信号的频率范围在0.3－30Hz之间，小于工频50Hz，因此通过低通滤波器可以有效滤除工频干扰，这在信号调理电路中容易实现；同时可以在控制电路中对光源进行脉冲调制，这样不但能够降低系统的功耗，而且能够在一定程度上减小外界的电磁干扰，在脉搏信号数据采集后，可以通过数据处理法方法进一步滤除工频信号的干扰。

2.3.3测量过程中运动噪声的影响

测量过程中，通常情况下手指和光电式脉搏传感器可能产生相对的运动，这样会使脉搏的测量产生误差，可以通过两个方面减少运动噪声误差：

一是改善指套式传感器的机械运动性，比如说使指套能够更紧的套在手指上，不易松动；二是从脉搏处理的角度，通过算法来减少误差。

对于本设计的传感器的设计来说，采用的是第一个途径。

根据题目的要求系统模块可以基本划分为：

脉搏传感器部分、单片机处理电路部分、显示电路部分和报警电路。

为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。

脉搏传感器的选择传感器又称为换能器、变换器等。

脉搏传感器是脉搏检测系统中重要的组成部分。

（1）光电式传感器

血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍，据此特点，采用光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号。

反向偏压的光敏二极管，它的反向电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性，在一定光强范围内，光敏二极管的反向电流与光强呈线性关系。

指端血管的容积和透光度随心搏改变时，将使光电三极管极管收到不同的光强，并由此产生的光电流均随之作相应变化。

常用检测脉搏的光电传感器分为红外对管和红外放射管。

采用红外对管。

将对管夹于手指端部，通过手指的血液浓度会随着心脏的跳动发生变化，红外对管对应的信号便会发生相应的变化，采集此信号经过放大，滤波，比较等处理便可以得到理想的信号。

采用反射式的红外管。

现在市场上的心率计普遍采用这种传感器来采集信号，因为此红外管接收和发射都在手指的同一侧，因此便不用考虑每个人手指情况不同所造成的麻烦。

接收的是血液漫反射回来的光，此信号可以精确地测得血管内容积变化。

光电式传感器具有灵敏度高，易于操作,响应速度快，结构简单等优点。

虽然外部光源的变化对测量结果的影响较大，但我们进行测量的地方一般都是在室内，有稳定的光源，所以在正常的操作过程中只要稍微注意下光源的问题就可以了。

（2）压电式传感器