基于单片机的心率检测系统设计.docx

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基于单片机的心率检测系统设计

基于单片机的心率检测系统设计

基于单片机的心率监测系统设计

摘要

随着社会的发展，心率监测系统已经得到广泛的应用，但医学心率监测系统还存在着单一地点、实时性不精确等缺点。

本设计就是为了克服传统心率监测系统的局限性，突出价格低廉、使用简单方便、维护成本低的特点。

所设计心率监测系统采用光学感应原理做成的传感器，把心率信号转换为可测量的电信号模拟量。

在CPU的选型上，使用价格低、功能强大的AT89S52单片机。

利用中断和定时器功能，能够精确的计算出心率。

在做出硬件和完整的软件算法后，进行了多次测试，测试结果表明，本设计能够达到预期的效果。

关键词：

心率监测系统；AT89S52单片机；光电传感器

Designoftheheart-ratemonitoringsystembasedonsinglechipmicrocomputer

Abstract

Withthedevelopmentofsociety,Theheart-ratemonitoringsystemhasbeenwidelyused,buttheheart-ratemonitoringsystemhasasinglelocation,real-timeimpreciseandothershortcomings.Toovercometheselimitationsofconventionalheart-ratemonitoringsystem,highlightthecharacteristicsofinexpensive,easytouse,lowmaintenancecosts,thisheart-ratemonitoringsystemmadeuseofanopticalsensor,theheart-ratesignalwasdirectlyconvertedintotheanalogelectricalsignals.Usinginterruptandtimerfunctions,thisheart-ratewascalculatedaccurately.Aftermakingacompletehardwareandsoftwarealgorithms,severaltestswereachieved.Thetestresultsshowthisdesigncouldobtainthedesiredeffect.

Keywords：

Heart-ratemonitoringsystem;AT89S52;photoelectricsensor

摘要I

AbstractII

第1章概述1

1.1选题的背景和意义1

1.2心率监测系统的设计设想1

1.3心率监测系统方案的选择2

第2章心率监测系统系统结构4

2.1光电心率监测系统的结构4

2.2工作原理5

2.3光电心率监测系统的优点5

2.4光电心率监测系统的适用范围6

第3章硬件系统7

3.1控制器7

3.1.1AT89S52简介7

3.1.2AT89S52的结构7

3.2信号采集9

3.2.1光电传感器的原理9

3.2.2光电传感器的结构9

3.2.3信号采集电路9

3.3信号放大10

3.4波形整形电路13

3.5单片机处理电路14

3.6显示电路14

3.6.11602字符型LCD简介15

3.6.21602LCD的指令说明及时序15

3.6.31602LCD的RAM地址映射及标准字库表16

3.6.4电源模块电路原理图16

第4章软件系统17

4.1主程序流程：

17

4.2中断程序流程18

4.3显示程序流程：

18

4.4软件说明19

第5章抗干扰及使用方法20

5.1抗干扰措施20

5.1.1环境光对心率传感器测量的影响20

5.1.2电磁干扰对心率传感器的影响20

5.2使用方法20

第6章系统检验21

6.1系统检验21

6.2误差分析22

第7章总结与展望23

参考文献24

附录A25

附录B26

附录C27

附录D28

致谢33

第1章概述

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致命疾病，在我国同样是致死率最高的疾病，世界卫生组织已将心脑血管疾病列为2l世纪危害人类生命和健康的头等疾病[1]。

据统计，1990年全球大约死于心血管疾病的人口就高达1400万，预计到2020年，将会有2500万人口死于心脑血管疾病[2]。

我国平均每年有100万人死于心脑血管有关的疾病，且近年来心血管疾病的发病率逐年提高，患者的年龄却逐年降低，心血管疾病对人身体健康产生的威胁也越来越大。

一些人希望通过早期的措施能够及时监测到疾病的到来，从而能在最快的时间内得到医治，使自己尽快恢复健康。

与此同时，中国老龄化已经到来，越来越多的老年人遭受慢性疾病的残害，如三高（高血压、高血脂、高血糖）、冠心病、慢性支气管炎等。

这种疾病通常会终生伴随着患者，疾病带来的痛苦和昂贵的治疗费用不仅让病人家庭承受着巨大的财政负担，还占用社会上有限的的医疗资源，给社会带来了不必要的负担。

要避免和减少三高、心脏病这类心血管疾病给人类健康带来的危害和给身心带来的痛苦，如何有效的进行早期预防、早期诊断和早期治疗正是目前医学界研究的重点课题之一，由此改进心脑血管疾病前期预防和监控手段和设施成为现在的当务之急。

过去专门用于测量心率的仪器就很少。

有些人为了清楚自己的身体状况，不惜大老远的跑到医院进行复杂的各种生理指标的测量，尤其是体抗力弱的老年人和儿童，也有每天超负荷运动的专业运动员，而当他们到了医院后这些指标都是随着时间的变化而产生变化的，所以测量的指标都没有一定的可信性。

而心率监测系统的出现，使复杂的心电仪功能进入日常的家庭成为可能，但基于心电工作站的模式，导致个别地区医疗诊断的不健全而变得不适用。

因此，设计一种性能优良，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显得尤其重要。

1.2心率监测系统的设计设想

在社会经济飞速发展的当代，人们的生活水平和质量相对上个世纪都有了极大的改善，但同时多种疾病有困扰着人们，给人们的生活带来了不必要的麻烦，对于心脑血管疾病，早期的预防工作尤为重要。

本设计要解决的问题是能实时监控心率脉搏的变化和对突变情况下的告警功能。

本设计采用高精度、低成本、微型化的AT89S52单片机为核心来设计数心率监测系统的硬件电路。

整个硬件电路采用模块化设计，分为传感器模块、电源模块、CPU模块、信号处理模块和显示模块。

其软件设计由主程序、信号采集子程序、预置子程序、显示子程序模块、信号放大处理子程序等组成。

信号经过传感器经信号处理电路滤波、放大，得到稳定的脉搏信号。

在此设计理念上设计出了系统的总体方案，最后通过软件和硬件的调试实现了各个模块的功能。

相关部分附有硬件原理电路图、PCB图、程序流程图。

此心率监测系统的原理是通过红外发射管发射的红外线经过人体组织后由红外接收管接收，心率变化会使光线的强度变化。

由于人体信号很微弱，因此本设计采用了两级放大芯片（主要芯片：

OP07、LM324N）。

在经过电子电路的处理后，再传送至单片机，由单片机的算法处理传感器传送的信号。

所设想该心率监测系统可以测出心率，能够实现了预定的设计要求，这将大大减少去医院监测所花费的时间。

1.3心率监测系统方案的选择

传感器方案一：

随着血液在心脏中的波动，人体血液中的半透明物质的浓度也随之改变。

因此，该心率监测是在人体的上述位置放到红外发射管和接收管之间，并通过检测人体组织半透明物质的变化，从而转化为数字信号给单片机处理。

由于人体心率次数和计数器频率是成正比，因此把传感器采集的微弱电信号进行滤波、整形、计数和计算的值显示到LCD上就是关键的步骤，就能达到时实时检测心率的目的。

传感器方案二：

当人体的心脏搏动时，人体颈部的脉搏及手腕的脉搏较为明显。

选择压电传感器，即压电薄膜PVDF（聚偏二氟乙烯）传感器放在上述位置，把压电传感器测到的信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示，通过感应脉搏跳动产生的振动实现计数。

从成本和制作的难易程度考虑，最终选择了用方案一。

相对于方案二，方案一具有很大的易操作和低成本性。

CPU方案一：

AT89S52单片机作为心率监测系统的CPU是因为其低廉的价格和编程的方便性。

虽然AT89S52单片机的功能是有限的，但是对于心率监测系统的功能实现是没有问题的，下面我们也会具体介绍AT89S52单片机的基本功能和由此设计涉及到的功能。

CPU方案二：

飞思卡尔公司的嵌入式芯片9S12XS128，此款芯片的优点是在其中的112个引脚中有专门的计数器引脚，还可以根据需要设置超频方案，使单片机运行的更快。

最终选择的是AT89S52单片机，虽然9S12XS128的功能很强大，但是在设计中会发现其中的很多引脚都是用不到的，造成了很到的浪费，也增加了设计的费用，不符合设计心率监测系统的尽可能的降低生产和研发的成本设计初衷。

第2章心率监测系统系统结构

心率监测系统的设计原理是通过人体心脏的搏动而产生的血液涌动，从而血液在脉搏中浓度的突变产生了脉搏波动，通过光电传感器对不同的颜色会表现出不同的波长，从而采集到心率的波动，再经过硬件的滤波、整形就能得到AT89S52单片机可以采集的电信号。

当然，测量心率的1分钟内跳动的次数不可能是测量1分钟，而是通过单片机算法用60比上两次心率跳动的的时间差就得到了1分钟内心率跳动的次数了。

基于该设计想法，本设计就可以从硬件再到软件开始实现。

2.1光电心率监测系统的结构

此心率监测系统的传感器是用光电发接收管和光电发射管作为传感器原件，把采集到的微弱红外光经过处理转换成电信号，利用各个功能模块分别实现测量、显示、报警等功能。

本系统的构成包括光电传感器模块、整形放大模块、外围电路模块、液晶显示模块、稳压电源模块部分。

各模块功能如表2.1所示：

表2.1模块功能表

模块名称

模块功能

光电传感器

非电量（红外光）模拟量点信号的转换元件，它由红外管和红外接收管组成，把接收到的红外光按一定线性关系转换成便于测量的物理量（如电压、电流或频率等）输出

信号处理

把采集到的非可直接运用的模拟量信号进行一系列的处理（包括滤波、整形、放大）。

单片机电路

单片机的计数/中断口会根据传感器输入的电平的变化运用算法计算出心率（包括AT89S52外围电路、时钟电路、外部中断等）。

液晶显示

把单片机计算得出的结果显示在LCD1602上，便于直观的读出所要测量的数据。

电源

能够给传感器、信号处理、单片机提供的电源，可以是通过7805芯片稳压后输出的5V直流稳压电源。

可以向光电传感器、信号整形、放大、单片机Vcc提供的电源。

2.2工作原理

本设计控制器采用AT89S52单片机，实现心率监测系统的基本测量和显示功能。

心率监测系统设计框图如图2.1所示：

图2.1心率监测系统设计框图

手指放在传感器中间，随着心脏的跳动，血管中组织液的浓度和流量也随着改变。

当光线照射到手指组织上时，血管中血液饱和度的改变将引起接收管接收光强度发生变化，因此光接收脉冲和心跳的节拍相一致，当接收