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4.7健康报告提示
第五章参考文献２４
第六章附录２５
心率测试仪设计方案
王晨
（东南大学信息科学与工程学院11级南京211189）
摘要
本设计方案的主要内容是设计一个由信号采集电路、滤波整形电路、计数显示电路组成的实时心率采集系统。
本系统MSP430F149单片机为核心控制芯片，SC0073微型压电式脉搏波传感器采集信号，经信号处理电路后将脉冲信号送入单片机，并在12864液晶显示器上进行实时数据显示。
同时，本设计采用MSP430F149作为下位机，PC机作为上位机——于.netFramework4.0框架下利用C#语言开发的的心率测试仪控制系统，通过RS-232串口通信协议将数据传输到PC机上，我们可以方便地监测测量参数。
本文设计的心率测试仪使用方便，只需将传感器轻靠动脉处，即可实时显示出心率。
该系统运行稳定，实时性强，安全可靠，系统通用性好，移植、扩展方便，同时具有低成本、低功耗、操作简单等优点，对心血管疾病的早期诊断具有重要的意义。
【关键词】传感器滤波整形电路串口通信上位机设计
Abstract
Themaincontentsofthisdesignistodesignacircuitfromthesignalacquisition,filteringshapingcircuit,countingacquisitionsystemdisplaysreal-timeheartratecircuitcomposed.ThissystemMSP430F149microcontrollerasthecorecontrolchip,SC0073MicroPiezopulsewavesensorsignalacquisitionbythepulsesignalaftersignalprocessingcircuitintothemicrocontrollerandLCDdisplayonthe12864real-timedatadisplay.Meanwhile,thedesignusesMSP430F149asthenextcrew,PCmachineasaPC——under.NetFramework4.0frameworkusingC#languagedevelopedheartratetestercontrolsystem,viaRS-232serialcommunicationprotocoltotransferdatatoaPC,wecaneasilymonitorthemeasuredparameter.Thisdesignoftheheartratetestereasytouse,simplybyalightsensorartery,heartratecanbedisplayedinrealtime.Thesystemisstable,real-time,secure,systemversatility,easytotransplant,expansion,andlowcost,lowpowerconsumption,easyoperation,etc.,hasimportantsignificancefortheearlydiagnosisofcardiovasculardiseases.
【Keywords】SensorfiltershapecircuitdesignofserialcommunicationbetweenPC
第一章绪论
心率（HeartRate）：
用来描述心动周期的专业术语，是指心脏每分钟跳动的次数,以第一声音为准。
心电信号是一种非常弱且频率较低的信号，一般幅值在0.05～5mV，频率在0.05～100Hz。
结构特征：
心脏是一厚壁的肌性器官，由左右2心房和左右2心室4个心腔组成。
心脏的自动节律性收缩，推动血液在循环系统的各种血管中环流，使机体各组织、器官能不断地吐故纳新、新陈代谢。
正常成年人安静时的心率有显著的个体差异，平均在75次/分左右（60—100次/分之间）。
心率可因年龄、性别及其它生理情况而不同。
初生儿的心率很快，可达130次/分以上。
在成年人中，女性的心率一般比男性稍快。
同一个人，在安静或睡眠时心率减慢，运动时或情绪激动时心率加快，在某些药物或神经体液因素的影响下，会使心率发生加快或减慢。
经常进行体力劳动和体育锻炼的人，平时心率较慢。
健康成人的心率为60～100次/分，大多数为60～80次/分，女性稍快；
3岁以下的小儿常在100次/分以上；
老年人偏慢。
成人每分钟心率超过100次（一般不超过160次/分）或婴幼儿超过150次/分者，称为窦性心动过速。
常见于正常人运动、兴奋、激动、吸烟、饮酒和喝浓茶后。
也可见于发热、休克、贫血、甲亢、心力衰竭及应用阿托品、肾上腺素、麻黄素等。
如果成人的心率在160～220次/分，则称为阵发性心动过速。
心率低于60次/分者（一般在40次/分以上），称为窦性心动过缓[5]。
可见于长期从事重体力劳动和运动员；
病理性的见于甲状腺机能低下、颅内压增高、阻塞性黄疸、以及洋地黄、奎尼丁或心得安类药物过量或中毒。
如心率低于40次/分，应考虑有房室传导阻滞。
心率过快超过160次/分，或低于40次/分，大多见于心脏病病人，病人常有心悸、胸闷、心前区不适，应及早进行详细检查，以便针对病因进行治疗。
心电图如图1-1所示。
图1-1心电图
脉搏波：
人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张,使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,这种波称为脉搏波。
脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息,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。
正常人脉搏数为60～80次/分钟，婴儿为90～100次/分钟，老人为100～150次/分钟。
脉搏波如图1-2所示。
图1-2脉搏波
心率与脉搏的联系：
心率与脉搏在身体正常的时候是相等的，只有在心脏出现疾病的时候出现。
因此心率测量问题可以转化为脉搏的测量，而脉搏的测量有更容易实现特点，在实际应用中得到广泛运用。
本监测系统的有效测量范围为60次－199次/分钟。
检测的基本原理是：
随着心脏的搏动，波动压力信号的频率与人体每分钟的脉搏次数成正比，故只要把它转换成脉沖并进行整形、计数和显示，即可实时地测出脉搏的次数。
1.2心率测试的意义
现代的医学电子仪器已不仅仅是单纯的医学电子测量仪器硬件系统，而应该是基于电子技术、计算机技术、数字信号处理技术的生理量检测和分析系统，本课题把生理量的测量和生物信号处理技术融为一体。
本课题所设计的心率测试仪属于一种集轻型化、一体化、可视化等优点的便携式测试仪。
心率是指人体心脏每分钟搏动的次数．它是反映心脏是否正常工作的一个重要参数。
同时心率值也是衡量体力劳动强度和脑力劳动强度的重要指标。
因此，设计一种可随身携带、可长时间记录、显示和存贮心率值，可与微机通讯并具有较强抗干扰能力，能对超出正常范围的心率进行报警的心率测试仪是十分必要的。
1.3心率测试仪的组成框图
系统框图如图1-3。
定时器
计数器
整形电路
放大模块
传感模块
串口通信
上位机控制
显示
MCU控制
图1-3心率测试仪的系统框图
1.4心率测试的基本过程
测量心率最简单的方法是记录一分钟脉搏的次数。
根据人体脉搏信号特征，本文设计了一种测量脉搏每分钟跳动次数的系统。
本系统通过脉搏传感器采集脉搏信息，将脉搏压力信号转化为电压信号，经信号放大电路对其进行放大，再经过滤波器，滤去干扰信号，再将所得信号进行电压比较，波形整形，形成脉冲作为计数器的计数脉冲，然后送入显示电路，同时利用串口通信将数据传送至上位机系统，在上位机中进行数据分析，得出健康报告。
第二章基础知识介绍
如图2-1，动态微压传感器是一种高性能、低成本的压电式小型压力传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，在经传感器内部放大电路转换成电压输出。
该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击波能力强，抗干扰性好、操作简便、体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。
图2-1SC0073微型动态脉搏微压传感器
图2-2为传感器使用电路图。
图2-2传感器使用电路图
（1）传感器典型应用：
脉搏计数探测
按键键盘，触摸键盘
振动、冲击、碰撞报警
振动加速度测量
管道压力波动
其它机电转换、动态力检测等
（2）传感器主要性能指标[4]：
压力范围：
≤1Kpa
灵敏度：
≥0.2mv/pa
非线性度：
≤1%
F.S
频率响应：
1~1000HZ
标准工作电压：
3V
（DC）
扩充工作电压：
1.5~6V
标准负载电阻：
10K
扩充电阻：
5K~20K
外形尺寸：
F12.7
X
7.6
重量：
＜1.5g
2.2单片机介绍
2.2.1MSP430F149主要性能
本设计采用的MSP430F149单片机属于德州仪器公司MSP430系列。
MSP430系列是一组超低功耗的微控制器，由多种针对不同应用目标而以不同模块组成的型号组成。
微控制器设计成可使用电池长期工作，电源电压范围1.8～3.6V。
MSP430F149有60KB的Flash和2KB的RAM。
其中Flash又分为120段主存储器（每段512B）和两段信息存储器（每段128B）。
Flash可以整个擦除也可以分段擦除，这给系统的软硬件设计带来了极大的便利和灵活。
鉴于单片机存储器的容量和特点，外部不用扩展存储器和I/O口，外围设备得到了简化。
MSP430F149的工作电压是3.3V，因此，其I/O电平也是3.3V逻辑电平，并且与5VTTL电平兼容。
MSP430F149有两个串行异步通信口，两者的切换是通过MSP430F149单片机控制多路转换器CD4052的A和B端引脚的电平高低来转换的。
图2-3开发板实物图
特点：
Ø
低功耗16位单片机
精简指令集（RISC），单周期指令，含硬件乘法器等强大的运算处理模块
低功耗，5种工作模式，待机电流小于1uA（51待机的千分之一）
丰富的片内外设，开放的架构，16位数据处理能力，完整的片内数据链路
单芯片，高性价比
资源：
60KBFlashROM.
2KBSRAM
48个IO（可设置为普通IO或内部模块输入/输出）
3组时钟
3个定时器A比较/捕获模块（带PWM模块）
7个定时器B比较/捕获模块（带PWM模块）
USART0（UART和SPI）
USART1（UART和SPI）
1个片内比较器A
8路模拟量输入端口
12位片内ADC
片内2.5V和1.5V参考电压
1路外部参考电压输入端口
内部参考电压可输出
硬件乘法器
2.2.2MSP430F149引脚说明
图2-4MSP430F149引脚图
MSP430F149与主机的数据通信是通过RS232通信模块实现的。
RS232模块主要由Maxim公司的MAX232/MAX232A接收/发送器组成，是Maxim公司特别为满足EIA/TEA232E的标准而设计的。
它们在EIA/TIA232E标准串行通信接口中日益得到广泛的应用，功耗低、工作电源为单电源，外接电容仅为0.1μF或1μF；
采用双列直插封装形式、接收器输出为三态TTLCOMS等优越性，为双组RS232接收/发送器，工作电源为+5V，波特率高，价格低，可在一般需要串行通信的系统中使用。
EIARS-232C通信协议：
RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA（ElectronicIndustryAssociation）代表美国电子工业协会，RS（recommendedstandard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969）。
RS-232C标准规定，若不使用MODEM，在码元畸变小于4%的情况下，DTE和DCE之间最大传输距离为15m。
RS232九引脚通信设备及各个引脚功能（上排左起1~5，下排左起6~9）如图2-5：
图2-5引脚图
针脚
功能
1
载波检测（DCD）
6
数据准备好（DSR）
2
接受数据（RXD）
7
请求发送（RTS）
3
发出数据（TXD）
8
清除发送（CTS）
4
数据终端准备好（DTR）
9
振铃指示（RI）
5
信号地线（SG）
图2-6RS232DB9实物图和各引脚功能
MAX232芯片：
EIARS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与TT恋以高低电平表示逻辑状态的规定不同。
因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIARS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。
我们使用美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片MAX232，使用+5v单电源供电。
图2-7MAX232芯片引脚图
（1）电荷泵电路：
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
（2）数据转换通道：
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；
DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
（3）供电：
15脚GND、16脚VCC（+5v）。
MAX232具体电路连接如图2-8：
图2-8串口通信电路
第三章电路设计方案
本设计中的关键之处在于信号的采集，信号采集可以分为压电式信号采集或光电式信号采集，由于光电信号采集相对误差较大，可控制度低且成本比较高。
于是本设计采用压电式传感器采取信号。
考虑到的压电式传感器有压电薄膜传感器、压电陶瓷片、HK-2000系列的脉搏传感器、MB-4型脉搏波传感器和SC0073微型脉搏传感器。
由本文2.1节介绍的SC0073微型动态脉搏微压传感器具有比较高的灵敏度，非线性比较好，频率响应范围很广，但如果人体脉搏每分钟心跳少于60下，则有可能检测不到脉搏信号，扩充工作电压可以与单片机的工作电压匹配，节省了另外的独立的工作电源。
外形尺寸小巧轻便，价格在70元左右。
总体来说，除了测量脉搏范围有一点儿不足外。
其他各方面的性能都值得考虑。
[5]
HK-2000A集成化脉搏传感器性能指标如下：
电源电压：
3-12VDC
压力量程：
-50-+300mmHg
过载：
100倍
输出高电平：
大于VCC-1.5V
输出低电平：
小于0.2V
HK-2000A集成化脉搏传感器采用高度集成化工艺将力敏原件PVDF压电膜、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内。
脉搏波动一次输出一正脉冲。
该产品可用于脉率检测，主要用于运动、健身器材中的心率测试。
其灵敏度高、抗干扰性能强、过载能力大、一致性好，性能稳定可靠，使用寿命长。
价格在100元左右。
HK-2000B集成化脉搏传感器性能指标如下：
5-6VDC
灵敏度：
2000uV/mmHg
灵敏度温度系数：
1×
10-4/℃
精度：
0.5%
重复性：
迟滞：
HK-2000B集成化脉搏传感器采用高度集成化工艺将力敏原件PVDF压电膜、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内。
主要应用于无创心血管测试，中医脉象诊断。
其灵敏度高、抗干扰能力强、过载能力大、一致性好，性能稳定可靠，使用寿命长。
价格在240元左右。
HK-2000C集成化数字脉搏传感器在HK-2000B集成化脉搏传感器基础上增加了程控放大电路、基线调整电路、A/D转换电路、串行通信电路，使用户使用更方便、快捷。
性能指标同HK-2000B集成化脉搏传感器。
价格在480元左右。
MB-4型脉搏波传感器主要性能指标如下：
频率响应：
0.1-35Hz
>
2mV/Pa（对于正常脉搏波信号，输出幅度可达3-4Vpp）
绝缘阻抗：
>
1000MΩ
输出阻抗：
<
1KΩ
体积：
φ22×
15mm
5-9VDC
MB-4型脉搏波传感器灵敏度很高、抗过载能力强、抗干扰性能优、具有操作简便等特点。
本传感器壳体内已配置放大器和输出阻抗变换器，可以很方便地与其他电路相匹配。
适用于心脏功能监测仪检测体表脉搏搏动波形。
实际使用时往往不必再加其他放大环节，可以直接送到A/D变换器等环节进行处理。
压电薄膜传感器与压电陶瓷片传感器价格低廉，但市面上很难找到卖家，从网上买又有最小订货量的限制，HK-2000A集成化脉搏传感器与SC0073微型动态脉搏传感器功能相近，但价格比后者高出许多。
HK-2000B集成化脉搏传感器与MB-4型脉搏传感器虽然功能很强大，但同样价格也很高，从设计成本上考虑太奢侈，不适合设计的应用。
HK-2000系列的脉搏传感器功能比较全，但价格非常高，在三四百元左右，MB-4型脉搏波传感器功能上能与HK-2000C集成化数字脉搏传感器相媲美，价格比HK-2000B集成化脉搏传感器又低，具有频率响应为0.1-35Hz，且灵敏度高，内置放大电路，输出模拟信号可直接送人ADC0809芯片处理，是相当理想的脉搏波传感器，价格在200元左右，而SC0073微型脉搏传感器价格在60元左右，其频率响应为1-1000Hz，也就是说如果人体脉搏每分钟心跳少于60下，则有可能检测不到脉搏信号。
综合考虑，MB-4微型脉搏传感器性价比高，为第一选择。
SC0073微型脉搏传感器为第二选择。
由于市面上无法购买到MB-4微型脉搏传感器，因此只能求其次，故而本设计采用SC0073微型脉搏传感器。
因此，本设计的测量心率范围最低值为60次/分钟，考虑到很少情况下心率值为少于60次/分钟，故本系统仍能够较好的满足使用要求。
由于SC0073微型脉搏传感器输出信号最高电压值略小于供电电压VCC，也即其内部已集成放大，故不需要外部电路进行信号放大，只需最后设计好匹配电路即可。
然而，信号采集过程中的外界干扰很多，其中最主要的干扰为50Hz的工频干扰，需要得到1-2Hz左右的有效频率信号则必然需要设计进行滤波器设计。
本文采用二阶有源滤波器设计方案。
利用Multisim12.0仿真软件仿真电路图如图3-1：
图3-1滤波电路
该滤波电路的频率响应如图3-2：
图3-2滤波电路频率响应
由图3-2知，滤波电路的截止频率为4.9Hz，基本上能够很好的抑制干扰，由SC0073采集到的压电信号经过滤波器输出后的实验波形如图3-3：
图3-3滤波电路输出波形
由图中波形知，当SC0073微型脉搏传感器正常状态下输出4.2VDC电压（5VDC电源供电情况下），当有压力信号时会产生一脉冲信号。
信号的频率约为1.43Hz,心率为85.7次/分钟，实验结果较为合理。
将图3-3中的滤波器输出波形进行比较整形，整形电路如图3-4：
图3-4比较整形电路
图3-4所示的比较整形电路中，比较电压为2.5VDC，当信号电压高于2.5VDC值时，放大器uA741的6脚输出+5V电压，低于2.5VDC值时，放大器uA741的6脚输出-5V电压。
6脚输出信号经RC耦合电路进行整形。
RC常数τ：
脉冲信号经过整形后得到较好的方波信号，实验输出波形如图3-5所示：
图3-5比较整形电路输出波形
由于单片机IO口输入高电平为3.3V，最高电压不能超过4.1V，且图3-4整形电路的输出端与单片机连接时需要考虑共地、阻抗匹配等问题。
因此本文设计了匹配电路。
首先，利用反向的二极管取出整形电路输出信号中的负压信号，再经过如图3-6所示电路，则能够很好的满足设计要求。
第四章上位机设计
图3-6阻抗匹配电路设计
图3-6所示阻抗匹配电路，信号经反相放大器。
增益为
因此输出信号幅度为
，能够符合单片机IO口输入电平要求。
实验输出波形如图3-7所示：
图3-7接入单片机的脉搏信号波形
下位机以MSP430F149单片机作为主处理芯片，定时向上位机发送心率采样值数据，并同时将心率值同步显示在液晶显示器12864上。
传输协议：
本系统采用RS232传输协议来实现系统通信，RS232最大传输距离为15m，完全可以实现试验用系统的短距离信息传输。
本系统采用的波特率为2400bps，起始位和停止位均设定为1bit，因传送字符的ASCII码，故数据位设定为8bits，无奇偶校验位。
接口设计：
系统通信仅涉及心率值的传输。
下位机发送的数据格式为：
078，因此接口设计为3位的unsignedcharr型数组具体定义如下：
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