脉搏心率测量仪.docx

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脉搏心率测量仪

目录

摘要4

Abstract4

第一章绪论5

1.1选题的背景和意义5

1.2技术指标5

1.3基本原理及详细说明6

1.4信号的采集6

1.5电源6

1.6信号处理电路7

1.7数据存储电路7

第二章器件介绍8

2.1单片机电路8

2.2显示电路8

2.3发光二极管、蜂鸣器、开关等其余电路8

第三章方案论证9

3.1光电传感器的选择9

3.2信号处理芯片的选择9

3.3显示电路的选择9

3.4光电传感器的驱动电路的选择10

3.5电源供给的选择10

3.6单片机的选择10

第四章硬件电路设计11

4.1系统框图11

4.2电源电路设计11

4.3红外传感器发射与接收电路11

4.4“虚拟地”电路12

4.5信号处理电路13

4.6模拟信号转换为数字信号电路13

4.7单片机核心电路14

4.8显示电路14

4.9蜂鸣器电路15

4.10控制开关电路16

4.11数据存储电路16

第五章软件设计17

5.1软件设计概述17

5.2流程图17

5.2.1总流程图17

5.2.2定时器T0流程图18

5.2.3定时器T1流程图19

5.2.4外部中断0流程图19

第六章测试21

6.1模拟部分测试21

6.2数字部分测试23

6.3误差分析23

心得体会25

参考文献26

1本设计的电路原理图27

2PCB图27

3实物图28

4程序28

心率（脉搏）信号检测仪

摘要：

心率测量应用于医疗、健康、体育以及我们生活中的方方面面，因此测量的精度和简便性是令人关注的。

此次光电系统课程设计制作的光电心率测量仪旨在探索一种使用光电方法的简便且精度达到要求的心率测量仪。

我们采用反射式光电传感器在手指上采集心率，依次通过模拟、数字电路将信号滤波、放大，并最终通过两种模式变成数字信号实时显示在数码管上。

通过测试，误差不超过5次/分钟，且示数稳定，可以进行简单的心率测量，达到了预期的效果。

关键词：

心率测试；光电方法；平均与瞬时；ST168；C8051F330。

Abstract：

Heartratemeasurementusedinmedical,health,sportsandallaspectsofourlives,andthereforethemeasurementaccuracyandsimplicityareofconcern.Thecourseisdesignedforphotovoltaicsystemsphotovoltaicheartratemeterisdesignedtoexploreasimplemethodusingopticalandprecisiontomeettherequirementsoftheheartratemeter.Weusereflectivephotoelectricsensortocollectonthefingerheartrate,followedbyanaloganddigitalcircuitsignalfiltering,amplification,andeventuallyintoadigitalsignalthroughtwomodesshowninrealtimeondigital.Throughtesting,theerrordoesnotexceed5times/min,andshowsthenumberofstable,canbeasimpleheartratemeasurement,toachievethedesiredresults.

Keywords：

HeartRate；OpticalMethods；Averageandinstantaneous；ST168；C8051F330

第一章绪论

1.1选题的背景和意义

心血管疾病是当今发达国家死亡率占第一位的重要疾病，在我国也是死率最高的一类疾病，世界卫生组织已将其列为2l世纪危害人类健康的头号杀手[1]。

随着人们生活水平的提高，工作方式以及膳食结构的变化，源于心脏与循环系统的不健康而导致的心血管疾病已逐渐成为威胁人类健康的主要疾病。

心血管疾病是一种常见病、多发病，而且有极高的死亡率。

据统计，1990年全球大约有1400万人死于心血管疾病，预计到2020年，死于心血管疾病的患者将达到2500万人。

目前我国城市人口中每5个成年人中就有1个人不同程度的患有心血管面的疾病。

中国每年有100万人死于脑卒中，并且有更多的人致残。

特别是在近，中国、日本和新西兰研究人员发现高血压是东方人脑卒中的主要原因[1]。

近来，心血管疾病的发病率逐年提高，患者的年龄却逐年降低，心血管疾病对人类身体健康产生的威胁也越来越大。

人们希望通过早期采取一些积极的防治手段，使自己拥有健康。

同时，中国已经进入了老龄化社会，越来越多的老年人受到慢性疾病的困扰，如高血压、冠心病、慢性支气管炎等。

老年慢性疾病通常是终身性疾病，疼痛和昂贵的医疗费用不仅严重影响病人的生活质量．而且占用了大量医疗卫生资源，带来不堪重负的社会经济负担。

要避免和减少高血压、心脏病这类心血管疾病给人类健康带来的严重危害，有效的早期预防、早期诊断和早期治疗方法和设备，以及快速的发病后的救治手段都是非常重要的，这些也正是目前广大医学界专家正在共同努力研究的重点，改进对心血管疾病的预防及治疗手段已经成为现代医学界个大难题。

目前，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。

以往专门测量心率值的仪器较少，能提供心率变异指标的仪器更是寥寥无几。

人们为了知道自己的运动或劳动强度是否超负荷，尤其是老年人或运动员等，他们都得赶到医院而不能实时测量和预知。

而心电仪的出现，使心电图机进入家庭变成了可能，但基于心电工作站的模式，使个别地区的患者因医院分析诊断系统的不健全，而变得不适用。

因此，一种性能优良，带有自动监测、报警等功能，适合在家庭和社区条件下使用，同时适用于有隐性疾患的亚健康人群及各种作业环境下的劳动者，在其心率变异时，能及时发出警示的安全监护器，而又符合我国人均收入水平不高这一国情的心率监测系统的研制显得尤其重要。

基于这一目的，我设计的课题就是便携式人体心率监测系统的设计。

1.2技术指标

①通过电源电路实现二级（+5.0V、+3.3V）电压供应；

②反射式光电传感器ST168的灵敏度达到对任一个心率脉冲都有相应的要求；

③模拟部分对信号的频带范围为0.16HZ—6，6HZ，可测得的心率数范围为9—375次；

④仪器可以测量平均与瞬时两种状态下的心率值并且可以保存当前显示的数据，需要时可以实时显示保存的数据；

⑤除具备显示功能外，还具备灯光、蜂鸣警报的功能；

⑥测量过程中允许有一定的扰动等不稳定因素存在，测量距离为5-10mm。

1.3基本原理及详细说明

要直接测量心率数，操作上是有一定困难的，且精度不高。

实际上我们会采用测量脉搏数，在人体指尖,组织中的动脉成分含量较高,而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄,透过手指后检测到的光强相对较大,因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖，即手指末端的血液脉冲与心率数是一致的，因此我们可以通过测量手指末端的脉冲数来得到心率数，这种方法被证明是科学可行的。

下面就本设计过程中涉及到的一些原理做一个详细的说明[2]

1.4信号的采集

为了采集到手指末端的血液脉冲数，我们使用反射式光电传感器ST168（如图1.1所示），其特点是采用高发射功率红外二极管和高灵敏度光电晶体管组成，测量距离为5-10mm，反射式感应到的光强比透射式更大，ST168成本低，安装固定较为方便。

由于是反射型的，因此只需将手指平放在传感器上面就可以完成测量，十分方便。

图1.1反射式光电传感器ST168图

1.5电源

通过学生电源，提供高于+7.5V的直流电，利用三端稳压器变为+5V的直流供电，提供模拟部分的电源需求；在数字电路方面需要使用的是+3.3V的直流供电，因此还需要一个芯片（本设计采用LM1117）

将+5V转变为+3.3V。

1.6信号处理电路

这部分采用一片LM324芯片（如图1.2所示）完成，在电路上可以看出，将其分为了四级电路。

LM324称为四级运算放大器，内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

因此可以用其完成不同的功能，现将这四部分分述如下：

第一级，探测器驱动电路。

这里利用三极管、稳压管组成发射管恒流驱动电路，可以稳定发射管中的电流，从而减弱了光源的波动，提高了接收信号的稳定性。

第二级，高通滤波，低通滤波，外加放大电路。

高通是为了滤去直流基底，得到零偏置的交流心率信号。

低通是为了过滤掉高频干扰，主要是50HZ工频干扰。

这集电路在实现滤波的同时也含有一定的增益，实现了信号的初步放大。

第三级，放大电路。

这级电路主要实现对信号的再次放大，图2LM324使得放大后的信号的幅值达到后级电路的要求。

第四级，比较电路。

利用运放构造一个施密特触发电路，将一个近似周期性的心率信号转换成一个矩形波信号，实现信号的模数转换。

由于运放采用5.5V供电，故比较器输出的高电平是5.5V，而单片机采用3.3V供电，所以加了一个三级管实现电平变换。

信号处理电路详见硬件电路设计。

图1.2四级运算放大器LM324图

1.7数据存储电路

这部分采用一片AT24C02芯片完成，AT24C02是一个2K位串行CMOSE2PROM，内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗。

AT24C02有一个16字节页写缓冲器。

该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。

第二章器件介绍

2.1单片机电路

通过信号处理电路最终输出的是数字脉冲信号，直接送进单片机进行外部中断计数，通过软件将这些数字信号进行处理并最终形成稳定的心率数输出。

单片机的时钟采用内部晶振，因为在这个仪器并不要求很高的计时精度，使用外部晶振会产生更多的不稳定因素。

在这里，我们考虑了两种测试心率的方法：

一种是测一个时间段（60秒）内的总心率，另一种是测实时的心率。

两种方法各有不同的适应情况，第一种适用于需要得到一个较长时间内的心率，以得到一个平均值；而第二种适用于需要知道心率的实时变化规律的情况，把握心率的变化。

我们采用51系列的C8051F330芯片，模式控制键控制模式的切换，并可以实时显示当前的心率数，在两种模式结束后（第一种自动结束，第二种手动控制）在5110液晶上最终显示心率数。

C8051F330芯片内部自带高数的模数转换模块，速度可达200Kp/s，利用自带的ADC可以实时的转化心电信号，并且在液晶上显示出来。

[3]

2.2显示电路

正常人的心跳数至多三位数，因此采用三位数码管。

由于单片机管脚直接输出的电流较小，因此采用一片锁存器74HC573为三位八段共阴极数码管提供较大的驱动电流，采用三极管作为开关来控制数码管中每一位的显示与否，这样方便在软件中实现显示的功能。

2.3发光二极管、蜂鸣器、开关等其余电路

为方便控制，采用了三个开关分别控制开始、模式切换以及结束；为了便于观察，采用一红一绿两个发光二极管，绿色代表心率数正常，红色代表心率数不正常；另采用了一个蜂鸣器，在开始以及得到结果时蜂鸣，若有蜂鸣则表明心率数不正常。

第三章方案论证

在进行原理绘制时就遇到了很多种不同的方案，这些方案各有各的优点和缺点，这些都需要选择，综合考虑各种特性以及所具备的条件之后可以得到一个最优的方案，下面将分述：

3.1光电传感器的选择

方案一：

采用透射式光电传感器。

即在手指的一边进行红外发射，在手指的另一边进行红外接收，这种传感器理论上很直接，但是存在一个很严重的问题，那就是制作这样的透射式光电传感器上存在困难，制作出来的器件也不稳定。

方案二：

采用红外热敏探测器。

在考虑方案时，也考虑过这样比较独特的方案，即手指末端脉冲的同时会带来热量的脉冲，可以通过红外热敏探测器来探测出这样的热量变化，以实现心率数的测量。

但是由于红外热敏探测器的温度灵敏度不是很高，而且每一个脉冲的温度变化非常微弱，因此这个方案不能实现。

方案三：

反射式光电传感器ST168。

其特点是采用高发射功率红外二极管和高灵敏度光电晶体管组成，测量距离为5-10mm，反射式感应到的光强比透射式更大，ST168成本低，安装固定较为方便。

由于是反射型的，因此只需将手指平放在传感器上就可以完成测量，十分方便。

结论：

采用方案三，反射式光电传感器ST168。

3.2信号处理芯片的选择

方案一：

采用LM741。

LM741中有一个放大器，是四电源单运放，可以对信号进行放大作用，且它还有漏电流，漏电压保护作用。

但是由于它一个芯片中仅含有一个放大器，需要四次电源供电才能满足要求，因此其功能并非是最理想的。

方案二：

采用LM324。

LM324一般用做比较器，适合低带宽的信号且速度较慢，可进行放大作用，324最大的好处是可以单电源使用（输入允许到负电源），缺点是没有调零端。

但是尽管有这样的缺点，我们依旧选择了LM324，因为我们最后需要的是一个和心率同步的数字脉冲，不需要对其调零。

结论：

采用方案二，使用LM324。

3.3显示电路的选择

方案一：

数码管显示，驱动电路复杂，不能显示心率的波形。

方案二：

Nokia/诺基亚5110 LCD原理应用资料:

LPH7366 是NOKIA 公司生产的可用于其5110、6150，6100 等系列移动电话的液晶显示模块，国内厂家也生产有类似的兼容产品。

该产品除应用于移动电话外，也可广泛应用于各类便携式设备的显示系统。

结论：

选择方案二，驱动方便，显示灵活。

3.4光电传感器的驱动电路的选择

方案一：

利用三极管、稳压源组成红外发射管恒流驱动电路，它稳定了发射管中的电流，从而减弱了输入光的波动，提高了接收信号的稳定性。

方案二：

直接采用电源、电阻、发射管串联的电路。

这种电路很简单，但是缺点是不够稳定，不能进行去除波动的操作。

结论：

采用方案一。

3.5电源供给的选择

方案一：

直接采用+5V直流电源供电。

这种方法很简单，也很直接。

但是要考虑到在实际生活中我们没有办法找到这样的电压源，我们有的只是220V的交流电源。

因此在可行性上出现了很大的缺陷，这种方案是要排除的。

方案二：

采用220V的交流电源，并使用变压器使得其电压变为+5V的直流电源，这种方法仅仅是多了一个变压的操作，是可行的。

方案三：

在方案二的基础上，连接一个“虚拟地”，输出为+2.5V，这样做可以使运算放大器能够较好地线性工作，具有很高的稳定性和很好的可操作性。

结论：

采用方案三更为合理。

3.6单片机的选择

方案一：

AT89C5l是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM）。

方案二：

与8051完全兼容，C8051F330/1系列器件使用SiliconLabs的专利CIP-51微控制器内核。

CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容。

CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括4个16位计数器/定时器、一个具有增强配置的全双工UART、一个增强型SPI端口、768字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器（SFR）、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）全速，真正10位200ksps的16通道单端/差分ADC，带模拟多路器，17个端口I/O（容许5V输入）。

结论：

结合实际要应用模数转化功能（ADC）采用方案二更为合理。

[4]

第四章硬件电路设计

4.1系统框图

4.2电源电路设计

电源电路实现的功能是将220V的交流电源转变为+5V的直流电源为模拟部分供电，并再经过转变将其变为+3.3V的直流电源为数字部分供电。

电源部分电路图如图4.2所示。

图4.2电源部分电路图

其中J1接220V交流电，转变为+5V的直流电后，又经过LM1117的作用进一步转变为+3.3V的直流电，实现了电源的二级供电。

在图中标识的VCC5.0端口可以稳定输出+5V，小于1A的电流；而在图中标识的VCC3.3V端口可以稳定输出+3.3V，小于1A的电流。

4.3红外传感器发射与接收电路

如图4.3所示是红外传感器发射与接收电路。

发射电路采用恒流源驱动方式，可以减小光源的波动。

U5是红外传感器，D1是稳压管，通过发射管的电流为小于ST168发射管的最大电流50mA，可使红外光源的光强稳定，减小背景噪声。

图4.3红外传感器发射与接收电路

对于接收电路，可以看出，接收管实际上实现了光电转换，R5的取值是比较关键的，

取值过大会导致电路工作在非线性状态下，而取值过小则会使得得到的信号的幅值不够大，

不能进行检测。

这里取值为15K，是在理论计算以及实际测试之后得出的，具有良好的性能。

[5]

4.4“虚拟地”电路

“虚拟地”电路图如图4.4所示，此“虚拟地”电路输出为+2.5V，这样做可以使运算放大器能够较好地线性工作，具有很高的稳定性和很好的可操作性。

图4.4“虚拟地”电路图

4.5信号处理电路

四级信号处理电路图如图4.5所示，此即为从红外传感器输出的信号的模拟处理电路部

分，这个是四级信号处理电路的第二、三级电路。

由图中的数据可以计算出电路的下限频率为0.16Hz，此时对应的一分钟心跳数为375，人的心跳数不可能达到这个数字，因此认为是符合常理的。

图4.5信号处理电路图

也可以得到电路的上限频率为6.6Hz，此时对应的一分钟心跳数为9次，人的心跳数不可能低于这个数字，因此认为是符合常理的。

4.6模拟信号转换为数字信号电路

此部分电路图如图4.6所示

图4.6模拟信号转换为数字信号电路图

图中的R13、R14分为两个100K，是由于考虑到实际中很难找到一个200K的电阻的缘故。

由图可以看出，实际上LM324的最后一级和其余的电阻组成了一个施密特触发器，将模拟信号变成了一个脉冲电压信号，再经过三极管Q2的反相电路完成电平的转换，在P0.1端口输出的则为3.3V的脉冲电压信号，这样的信号可以直接送入单片机总进行数字处理了。

[6]

4.7单片机核心电路

如图4.7所示为单片机的核心电路，不包括外围电路。

图4.7单片机核心电路图

本光电心率测量仪采用功能十分强大且我们比较熟悉的51系列单片机C8051F330，在使用的过程中充分考虑到了端口的性质已经端口的利用率。

4.8显示电路

LCD5110液晶与其它类型的产品相比，该模块具有以下特点：

●84x48 的点阵LCD，可以显示4 行汉字， 

●采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有9 条。

支持多种串行通信协议（如AVR 单片机的ＳＰI、MCS51 的串口模式０等），传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间。

●可通过导电胶连接模块与印制版，而不用连接电缆，用模块上的金属钩可将模块固定到印制板上，因而非常便于安装和更换。

●LCD 控制器／驱动器芯片已绑定到LCD 晶片上，模块的体积很小。

●采用低电压供电，正常显示时的工作电流在200μA 以下，且具有掉电模式。

 LPH7366 的这些特点非常适合于电池供电的便携式通信设备和测试设备中如图4.8为显示电路部分的电路图：

图4.8显示电路部分电路图

4.9蜂鸣器电路

蜂鸣器电路的电路图如图4.9所示：

图4.9蜂鸣器电路的电路图

三极管Q3将从单片机输出的信号进行放大并输入到蜂鸣器中控制鸣音。

4.10控制开关电路

控制开关电路电路图如图4.10所示：

图4.10控制开关电路电路图

其中，K1、K2、K3分别控制开始、模式切换以及结束。

4.11数据存储电路

图4.11数据存储电路

第五章软件设计

5.1软件设计概述

硬件部分最终提供了一个较为稳定的心率脉冲信号给单片机，单片机要完成的任务就是将这些心率脉冲计数并最终输出到数码管上进行显示。

软件上，心率测试实现两种功能，即平均值心率和瞬时心率。

平均值心率是指在一分钟之内的心率数，自开始到结束的一分钟时间内有多少次心率脉冲即为最终显示的数值。

平均值心率体现了一个人在一段时间内的心率平均水平，可以总体上了解一个人的心率，但是不能准确地看到心率的变化。

瞬时心率是指在一个短时间内的心率值，为了使被测者有一个直观的认识，将这个瞬时值转换为在一分钟内的平均值来显示。

[7]实质上是包括此次心跳在内的上十个心跳数所用的总时间的平均值。

瞬时心率可以很直观得让被测者看到自己的心率变化情况，特别是在一些特殊场合是很有用的，可以在短时间内了解变化趋势。

以上两种模式需要有一个模式切换的模块来实现其中的转换。

软件不仅实现心率数的平均显示和瞬时显示，还要实时地提醒被测者现在所处的状况，是否处于正常情况下，若不正常则要进行警告。

在这方面，设计了两种警告模式，即灯警告和蜂鸣器警告。

当心率超出了预定的范围时即判断为不正常的心率值（有可能是被测者或者是仪器自身造成的），此时红灯亮、蜂鸣器也响，以达到警告的目的。

当心率值在正常范围内时，则绿灯亮，蜂鸣器安静。

设计之初，是使用外部晶振作为单片机的时钟，但是后面并未提供外部晶振，于是最后我们使用的是C8051F330的内部晶振。

[8]其实这也没有太大影响，因为我们对于计时的精准度要求不高，而且芯片内部的晶振的精准度已经非常高了。

在编写软件时，我们充分考虑并利用了单片机的资源，使得各资源得到合理充分的应用。

5.2流程图

以上是对于软件的一个大致简略的描述，下面将以流程图的形式进行进一步的介绍。

5.2.1总流程图

如图5.1所示为总的主程序流程图。

说明如下：

在打开仪器或者初始化后，程序立即初始化，此时需要选择模式，不同的模式将导致标志位的不同值，当按下开始键后立即判断最终选择的是什么模式并进行相应的计数，在每种模式之后都将调用显示模块进行显示。

图5.1总流程图

5.2.2定时器T0流程图

如图5.2所示为定时器T0流程图。

说明如下：

定时器T0用在平均心率测量情况下，定时器T0定时一分钟，在定时时间未到时，将得到的心率数通过数码管显示出来不做其余操作。

若定时时间到了一分钟内，则此时需要将定时器和外部中断都关闭并将数码管上的示数停留，判断是否超过了正常的范围并进行相应的操作，最终都要中断返回。