一种心率检测装置的设计002文档格式.docx

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我们见证了经济、科技、医疗等等飞速的发展。

伴随着社会的进步，使我们的生活水平被不断被的提高，高强度的脑力以及体力的工作让健康成为了我们大家所关注的焦点。

心脏是人体最重要的器官之一，主要功能是为血液流动提供动力，把血液运行至身体的各个部分，同时也被称为人体中血液循环的动力泵。

如果心脏发生问题会直接影响人的生命安全，各种类型的心率失常是引起心脏相关疾病死亡的首要因素，此系统疾病已经成为损害人类健康和生命的一大杀手。

2013年3月17日，权威医学杂志《美国心脏病学会》刊登了一篇名为《中国成人的心血管健康状况》（StatusofCardiovascularHealthinChineseAdults）的研究报告，基于9.6万多名年满20周岁的中国普通民众心血管健康数据。

该研究采用的是美国心脏病学会标准，将心血管的健康分为行为健康和身体健康。

行为健康包括不吸烟、体重指数正常、体育锻炼达标及饮食健康，身体健康的指标则有不吸烟、血脂正常、血压正常和血糖正常。

最终数据显示，在中国，身体健康四个指标都占全的人占13.5％，四项行为健康占全的人仅为7‰，而上述七项健康指标全部满足的人更为跌至2‰。

研究者还将七项健康指标均分为理想、中等和低等三个等级，其中心血管健康状态较差者达到了3/4，中等心血管健康者占不到1/4，至于理想的则更可忽略不计了。

报告中指出，在中国成年人中理想的心血管健康比例非常低，应针对全体公民和心血管病高危因素两方面努力实施有效的应对策略，以促进中国人心血管健康（JournaloftheAmericanCollegeofCardiology,2015,65（10）:

1013-1025）[1]。

2015年1月5日，世界医学权威杂志《柳叶刀》（Lancet）发布了《全球疾病负担报告2013》，该研究评估了1990年~2013年间188个国家的死亡情况，由华盛顿大学健康指标和评估研究所（IHME）领导的国际研究人员联盟指导进行。

报告显示，在中国，最致命的三种疾病是脑卒中、冠心病一级慢性阻塞性肺病，这三种疾病造成的死亡人数占2013年全部死亡人数的46％。

根据世界卫生组织的定义，心血管疾病是心脏和血管疾患引起的，包括冠心病、脑卒中、高血压、心衰等。

中国最致命的三大健康杀手，心血管疾病占去两个[2]。

由上述两篇研究报告可以清楚的发现，大多数人所患疾病都是由于心脏出现了问题所导致的。

这使我们更加注意到了对于心脏保护的重要性。

不仅仅是老年人，青少年以及成年人更应该关注对于心脏的保养以及监测。

1.2课题设计的目的及意义

因为人们注意到了保护心脏的重要性，所以研究了一种可以检测心率的装置。

这里我们需要了解到几个名词的具体含义。

心跳（heartbeat）：

心脏的跳动。

心率（heartrate）：

正常人安静状态下每分钟心跳的次数。

脉搏（pulse）：

人体表可触摸到的动脉搏动。

在非专业的方面来讲，心跳和心率是一样的。

正常人心率和脉搏是一致的，脉搏是80次，心率也就是80次/分钟。

因为心脏每跳动一下，血液向外推出，在动脉内就像波浪一样，一下一下向前推进，也就可以感觉到跳动。

当我们理解到了这几个名词所代表的含义，从而引出了我们本次课题的目的。

心率不仅是反映了心脏功能强弱的重要标志，也是反映人体运动强度的生理指标，在大多数情况下我们需要即使知道自己的心率。

因此，心率计就很快的出现了，并随着科技、医疗的进步得到了很快的发展。

但是在如今的医院中，我们依然能看到很多医生仍然采用人工听诊器的方式来对于心率的测定。

为了方便心率的采集，本课题所研究的心率计具有体积小、测量准确、成本低等特点，非常适合家庭医疗保健。

还可以把一段时间所采集到心率的数据上传到智能设备上，以便更好的观察心率数据的整体情况。

总体来说，它可以更有效的检测到人体心率的具体情况，为家庭医疗保健提供了很好的帮助。

1.3心率计设计的主要内容

本论文设计了一种基于51单片机并利用光电传感器及硬件检测电路的心率计，并通过嵌入式系统设计，实现对人体心率的准确测量。

并讨论心率变异性以及开展心率数据在睡眠领域的相关探索研究。

主要内容如下：

（1）51单片机心率检测仪的设计方案；

（2）光电传感器的设计方案；

（3）硬件电路及软件的设计；

（4）硬件电路实验、软件实验和系统调试。

第二章基于51单片机心率计检测仪设计方案

2.1基于51单片机心率检测仪设计方案

系统总体设计由51系列单片机的STC89C52单片机、光电传感器、LED4位数码管、蜂鸣器、按键、运算放大等构成。

系统设有四个按键，可以设置上下限脉搏数，当超过范围的时候单片机会驱动蜂鸣器发响。

心率测量的时候需要人把手轻轻的按在光电传感器上面，由于人体脉搏跳动的时候，血液的透光性不一样会导致接收器那边接收的信号强弱不一样，间接的把人脉搏信号传回，通过运算放大对其进行放大、整形后连接到单片机的IO口。

单片机利用外部中断对其进行计数，最终换算成人一分钟脉搏的跳动次数，最终显示在数码管上。

2.2传感器的设计方案

采用光电传感器提取人体脉搏信号，授予手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织，其中非血液组织的光吸收量是恒定的，而在血液中，静脉血的搏动相对动脉血是十分微弱的，可以忽略，因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起，那么在恒定波长的光源的照射下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号[3]。

由于光电传感器较压电传感器容易在一般的地方可以买得到，因此这里选用光电传感器来提取人体脉搏信号。

2.2.1传感器的介绍

本设计所用的光电传感器采用的是反射式红外光电传感器ST188。

反射式光电传感器是把发射器和接收器装入同一个装置内，在其前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的光电传感器。

可以用来检测地面明暗和颜色的变化，也可以探测有无接近的物体。

ST188反射式红外线光电传感器有以下几个特点：

（1）采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成；

（2）检测距离可调整范围大，4-13毫米可用；

（3）采用非接触检测方式。

应用范围如下：

（1）IC卡电度表脉冲数据采样；

（2）集中抄表系统数据采样；

（3）传真机纸张检测；

（4）与方向判别电路ST288A结合使用可判别被测物的运动方向及正反转速测量、行程测量等。

ST188反射式红外线光电传感器的极限参数如表2-1所示。

表2-1极限参数（Ta=25℃）

项目符号数值单位

输

入正向电流I50mA

反项电压V6V

耗散功率P75mW

出集-射电压Vceo25V

射-集电压Veco6V

集电极功率消耗Pc50mW

工作温度Topr－20~＋65℃

储存温度Tstg－30~＋75℃

ST188反射式红外线光电传感器的引脚图如图2-1、2-2所示，内部电路图如图2-3所示。

图2-1ST188引脚图

图2-2ST188引脚图

图2-3ST188内部电路图

由图2-3所示，A-K相当于二极管，E-C相当于三极管的发射极和集电极。

2.2.2传感器的电路图设计

ST188反射式红外光线光电传感器是通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，把脉搏跳动转换为电信号，其原理电路图如图2-4所示。

图2-4ST188原理电路图

第三章主控模块设计及信号采集电路的设计方案

3.1主控模块设计方案

主控模块模块在整个系统中起着统筹的作用，需要检测键盘等各种参数，同时驱动数码管显示相关参数，本论文设计的心率计检测装置采用的是51系列的单片机。

3.1.151单片机的选择及介绍

51单片机是对所有兼容lntel8031指令系统的单片机的总称。

51系列单片机最初是由Intel公司开发设计的，但后来Intel公司把核的设计方案卖给了几家大的电子设计生产商，譬如SST、Philip等大公司。

因此市面上出现了各式各样的均以51为内核的单片机[4]。

以下是51系列单片机的优点：

（1）从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器。

（2）不但能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算。

（3）乘法和除法指令，给编程带来了很大的便利。

本课题采用的是51系列单片机中的STC89C52单片机作为系统的主控芯片。

STC89C52是STC（国产宏晶）单片机其中的一个品牌，是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。

STC89C52单片机具有40个引脚，32位I/O口线，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），1个全双工异步串行口，3个16位定时/计数器。

STC89C52内置4KBEEPROM，MAX810复位电路。

STC89C52单片机的实物图见图3-1所示。

图3-1STC89C52单片实物图

STC89C52单片机的基本组成结构图见图3-1所示。

图3-2STC89C52单片机基本组成结构图

3.1.2STC89C52单片机的主要特性

STC89C52RC单片机是国产宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，其主要特性如下：

（1）增强型 8051 单片机，6 时钟/机器周期和 12 时钟/机器周期可以任 意选择，指令代码完全兼容传统 8051；

（2）工作电压：

5.5V～3.3V（5V 单片机）、3.8V～2.0V（3V 单片机）；

（3）工作频率范围：

0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工 作频率可达48MHz；

（4）拥有8K字节程序存储空间；

（5）片上集成512字节数据存储空间；

（6）可直接使用串口下载；

（7）四个8位并行I／O接口P0~P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出；

（8）两个定时器／计数器，每个定时器／计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制；

（9）一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I／O口，用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信；

（10）片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。

最高允许振荡频率为12MHz；

（11）可直接使用串口下载。

STC89C52单片机管脚如图3-3所示：

图3-3STC89C52引脚图

STC89C52单片机各部分引脚说明如下：

（1）VCC（40引脚）：

电源电压

（2）VSS（40引脚）：

（3）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2：

XTAL1（19脚）：

接外部晶体和微调电容的另一端；

在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。

在采用外部时钟时，该引脚必须接地。

XTAL2（18脚）：

接外部晶体和微调电容的一端；

片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。

若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。

要检查振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出[5];

（4）控制信号引脚RST,ALE/PSEN和EA：

RST/VPD（9脚）：

RST是复位信号输入端，高电平有效。

当此输入端保持备用电源的输入端。

当主电源VCC发生故障，降低到低电平规定值时，将＋5V电源自动两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。

RST引脚的第二功能是VPD,即接入RST端，为RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信息不丢失，从而合复位后能继续正常运行。

ALE/PROG（30脚）：

地址锁存允许信号端。

当8051上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。

平时不访问片外存储器

时，ALE端也以振荡频率的1/6固定输出正脉冲，因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。

此引脚的第二功能PROG在对片内带有4KBEPROM的8751编程写入（固化程序）时，作为编程脉冲输入端。

PSEN（29脚）：

程序存储允许输出信号端。

在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。

此引肢接EPROM的OE端（见后面几章任何一个小系统硬件图）。

PSEN端有效，即允许读出EPROM／ROM中的指令码。

PSEN端同样可驱动8个LS型TTL负载。

要检查一个8051/8031小系统上电后CPU能否正常到EPROM／ROM中读取指令码，也可用示波器看PSEN端有无脉冲输出。

如有则说明基本上工作正常。

EA/Vpp（31脚）：

外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。

当EA引脚接高电平时，CPU只访问片内EPROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令，但当PC（程序计数器）的值超过0FFFH（对8751/8051为4K）时，将自动转去执行片外程序存储器内的程序。

当输入信号EA引脚接低电平（接地）时，CPU只访问外部EPROM/ROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。

对于无片内ROM的8031或8032,需外扩EPROM，此时必须将EA引脚接地。

此引脚的第二功能是Vpp是对8751片内EPROM固化编程时，作为施加较高编程电压（一般12V～21V）的输入端[6]。

（5）输入/输出端口P0/P1/P2/P3：

P0口（P0.0～P0.7，39~32脚）：

P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O口。

作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。

当P0口作为输入口使用时，应先向口锁存器（地址80H）写入全1,此时P0口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。

作输入口使用时要先写1,这就是准双向口的含义。

在CPU访问片外存储器时，P0口分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。

在此期间，P0口内部上拉电阻有效。

P1口（P1.0～P1.7，1~8脚）：

P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。

P1口每位能驱动4个LS型TTL负载。

在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存地址（90H）写入全1,此时P1口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。

P2口（P2.0～P2.7，21~28脚）：

P2口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。

P口每位能驱动4个LS型TTL负载。

在访问片外EPROM/RAM时，它输出高8位地址。

P3口（P3.0～P3.7，10~17脚）：

P3口是一个带内部上拉电阻的8位准双向

I/O口。

P3口每位能驱动4个LS型TTL负载。

P3口与其它I/O端口有很大的区别，它的每个引脚都有第二功能，如下表所示。

表3-1p3口引脚第二功能

引脚号第二功能

P3.0RXD：

串行数据接收

P3.1RXD：

串行数据发送

P3.2INT0#：

外部中断0输入

P3.3INT1#：

外部中断1输入

P3.4T0：

定时/计数器0的外部计数输入

P3.5T1：

定时/计数器1的外部计数输入

P3.6WR#：

外部数据存储器写选通

P3.7RD#：

外部数据存储器读选通

STC89C52单片机的中断系统：

STC89C52系列单片机的中断系统有5个中断源，2个优先级，可以实现二级中断服务嵌套。

由片内特殊功能寄存器中的中断允许寄存器IE控制CPU是否响应中断请求；

由中断优先级寄存器IP安排各中断源的优先级；

同一优先级内各中断同时提出中断请求时，由内部的查询逻辑确定其响应次序。

在单片机应用系统中，常常会有定时控制需求，如定时输出、定时检测、定时扫描等；

也经常要对外部事件进行计数。

STC89C52单片机内集成有两个可编程的定时/计数器：

T0和T1，它们既可以工作于定时模式，也可以工作于外部事件计数模式，此外，T1还可以作为串行口的波特率发生器[7]。

3.1.3STC89C52单片机的最小系统设计

单片机最小系统有单片机、时钟电路、复位电路组成，时钟电路选用了12MHZ的晶振提供时钟，作用为给单片机提供一个时间基准，其中执行一条基本指令需要的时间为一个机器周期，单片机的复位电路，按下复位按键之后可以使单片机进入刚上电的起始状态。

图中10K排阻为P0口的上拉电阻，由于P0口跟其他IO结构不一样为漏极开路的结构，因此要加上拉电阻才能正常使用。

STC89C52单片机的最小系统电路见图3-4所示。

图3-4STC89C52最小系统电路

3.2信号采集电路设计方案

信号采集电路的功能是由传感器将脉搏信号转换为电信号，一般为几十毫伏，所以必须加以放大，以达到整形电路所需的电压，一般为几伏。

放大后的信号波形是不规则的脉冲信号，因此必须加以放大滤波电路、放大整形电路。

整形电路的输出电压应满足计数器的要求。

3.2.1显示模块电路设计

显示模块选用LED数码管动态扫描。

因为LED数码管价格适中，对于显示数字合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用单片机口线少，所以选用LED数码管显示屏，并采用四位数码管显示。

LED4位数码管实物图见图3-5所示。

图3-5LED4位数码管

当位选打开时，送入相应的段码，则相应的数码管打开，关掉位选，打开另一个位选，送入相应的段码，则数码管打开，而每次打开关掉相应的位选时，时间间隔低于20ms，则看到的几乎与数码管显示的一样。

显示电路图见3-6所示。

图3-6LED4位数码管连接电路图

3.2.2放大滤波电路设计

图3-7放大滤波电路图

图3-7为心率计的放大滤波信号，由于脉搏信号输出的信号十分微弱，一般在UV级别，输出的信号一般会伴随很大的噪声干扰，因此在这里用LM358搭建起一个放大滤波电路。

3.2.3放大整形电路设计

放大整形电路框图如图3-8所示。

图3-8放大整形电路框图

经过放大滤波后的脉搏信号仍是不规则的脉冲信号，且有低频干扰，仍不满足计数器的要求，必须采用整形电路，所以选用了滞回电压比较器，目的是为了提高抗干扰能力。

集成运放采用了LM358，除此外LM358还接上了一个LED用作指示脉搏跳动的状态。

放大整形电路如图3-9所示。

图3-9放大整形电路

3.3运算放大器LM358的介绍

LM358是