基于单片机的数字人体心率计的设计与实现样本.docx

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基于单片机的数字人体心率计的设计与实现样本

摘要

生物医学信号指标与人体健康息息有关，只有掌握其中规律才干更好解决人体健康问题。

随着电子信息技术发展和医学不断进步，人们对高精度便捷式生物医学信号电子检测设备需求越来越高。

心率和体温是人体两个重要指标，依照所学知识制作了此心率计。

设计是基于单片机数字人体心率计，从可实现性和经济性方面考虑，决定采用51单片机作为设计主控芯片，使用红外光电传感器作为心率采集模块，而体温采集则使用18b20温度传感器，外加显示模块和功能选取模块。

心率和体温采集部位均为指尖，采集信号经单片机解决后输出给显示模块显示最后成果。

从硬件电路到程序设计，重要解决了如下几种问题：

1、心率信号由红外光电传感器采集，通过两级放大将原信号放大后，再由比较电路进行整形，输出能使单片机更好辨认脉冲波信号；

2、体温信号由单线温度传感器18b20采集，采集数据通过转换计算后变为温度，最后单片机输出体温测量成果；

3、测量成果都是以数字形式输出，3位一体数码管显示成果，使测量成果读取简朴精准化；

4、按键和程序结合运用，使得心率计和体温计功能切换更加以便快捷。

核心词：

心率；体温；单片机；红外传感器；温度传感器

Abstract

Biomedicalsignalindexesandhumanhealtharecloselyrelated，onlytomasterthelawcanbettersolvethehealthproblemsofthehumanbody.Withthedevelopmentofelectronicinformationtechnologyandthedevelopmentofmedicine，thedemandforhighprecisionportablebiomedicalsignalelectronictestingequipmentismoreandmorehigh.Heartrateandbodytemperaturearetwoimportantindicatorsofthehumanbody，basedontheknowledgetomaketheheartratemeter.

ThedesignofdigitalhumanbodyheartratemeterbasedonSCM，fromrealizationandeconomicconsiderations，decidedtoadoptthe51microcontrollerasthemaincontrolchip，theuseofinfraredphotoelectricsensorastheacquisitionmodule，heartrate，andbodytemperatureacquisitionusing18B20temperaturesensorissimple，andthedisplaymoduleandthefunctionmodule.Thesamplingpositionofheartrateandbodytemperaturewerethefingertips，signalacquisitionandprocessingbytheMCUoutputtothedisplaymoduletodisplaythefinalresults.

Thehardwarecircuitdesignprocedures，mainlysolvesseveralproblemsasfollows:

1，theheartratesignalbyinfraredphotoelectricsensoracquisition，aftertwogradegeneralrawsignalamplification，shapingbycomparisoncircuit，outputthepulsewavesignalmicrocontrollerbetterrecognition;

2，thetemperaturesignalbyasingletemperaturesensor18B20acquisition，acquisitiondatathroughtheconversionintoatemperaturemeasurementresultsatlast，microcontrolleroutputtemperature;

3，themeasurementresultsareoutputindigitalform，oneof3digitaltubedisplayresults，readthemeasurementresultsofsimpleaccurate;

Combiningthe4，keysandprogram，theheartratemeterandthermometerfunctionswitchingmoreconvenient.

Keywords:

heartrate，bodytemperature,singlechip,infraredsensor,temperaturesensor

摘要·············································I

Abstract···········································II

目录·············································IV

1绪论···········································1

1.1选题背景及意义······································1

1.2国内外研究现状和发展趋势····························2

1.3论文构造概括········································3

2设计方案及论证···································4

2.1方案一··············································4

2.2方案二··············································5

2.3方案论证············································6

3硬件电路概述及元器件简介·························6

3.1硬件电路总方框图····································6

3.2单片机模块··········································7

3.3心率信号采集模块····································10

3.4体温信号采集模块····································15

3.5显示模块············································18

3.6功能选取模块········································23

4程序设计·········································24

4.1主程序设计··········································24

4.2心率测试程序设计····································29

4.3体温测试程序设计····································34

5设计完毕及整体调试·······························41

5.1硬件电路焊接及调试································41

5.2程序下载及调试····································43

5.3调试中干扰········································45

6总结和展望·······································46

6.1总结··············································46

6.2展望··············································47

参照文献···········································48

致谢·············································50

附录1设计总电路图······························51

附录2设计实物图································52

附录3程序清单··································54

附录4外文文献及翻译····························69

1绪论

1.1选题背景及意义

心率（HeartRate）是用来描述心动周期专业术语，是指心脏每分钟跳动次数，以第一声音为准。

心率，当代汉语将心率解释为“心脏跳动频率”。

频率就是在单位时间内，某件事情发生次数。

两种解释合起来就是，心脏在一定期间内跳动次数，也就是在一定期间内，心脏跳动快慢意思。

健康成人心率为60～100次/分，大多数为60～80次/分，女性稍快；3岁如下小儿常在100次/分以上；老年人偏慢。

成人每分钟心率超过100次（普通不超过160次/分）或婴幼儿超过150次/分者，称为窦性心动过速。

常用于正常人运动、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。

如果心率在160～220次/分，常称为阵发性心动过速。

心率低于60次/分者（普通在40次/分以上），称为窦性心动过缓。

可见于长期从事重体力劳动和运动员；病理性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。

体温是指机体内部温度。

人体温度是相对恒定，正常人在24小时内体温略有波动，普通相差不超过1度。

生理状态下，上午体温略低，下午略高。

运动、进食后、妇女月经期前或妊娠期体温稍高，而老年人体温偏低。

体温高于正常称为发热，37.3～38摄氏度为低热，38.1～39摄氏度为中度发热，39.1～41摄氏度为高热，41摄氏度以上为超高热。

人体温度相对恒定是维持人体正常生命活动重要条件之一，如体温高于41摄氏度或低于25摄氏度时将严重影响各系统（特别是神经系统）机能活动，甚至危害生命。

机体产热和散热，是受神经中枢调节，诸多疾病都可使体温正常调节机能发生障碍而使体温发生变化。

可见，心率和体温是人体中非常重要生命信息，与人体健康问题息息有关，及时检测人体心率及体温状况，观测其变化对诊断疾病或防止疾病有重要意义。

鉴于此，特选取了基于单片机数字人体心率计作为毕业设计。

本设计是以51单片机作为主控制芯片，用于实现驱动传感器、信息加工计算和驱动数码管显示成果等功能，而心率信号和体温信号分别由红外光电传感器和18b20温度传感器采集，由数码管显现最后成果，是集心率测量和体温测量与于一体数字式电子设备。

1.2国内外研究现状和发展趋势

近年来，全球医疗器械产业迅速发展，贸易往来活跃，平均增速达7%左右，是同期国民经济增长速度两倍左右。

医疗器械产业作为全球高新技术产业竞争焦点领域，其竞争正在向技术、人才、管理、服务、资本、原则等多维度、全方位拓展。

与发达国家相比，国内医疗器械产业基本薄弱，产业链条不完整，整体竞争力弱，基本产品综合性能和可靠性存在一定差距，某些核心核心技术尚未掌握，在产业竞争中处在不利地位。

医疗器械是典型高新技术产业，具备高新技术应用密集、学科交叉广泛、技术集成融合等明显特点，是一种国家前沿技术发展水平和技术集成应用能力集中体现，是带动和引领多学科技术发展重要引擎。

当前，国际医疗器械领域科技创新高度活跃，电子、信息、网络、材料、制造、纳米等先进技术创新成果向医疗器械领域渗入日益加快，创新产品不断涌现。

但是，由于创新能力薄弱，创新体系不完善，产学研医结合不紧密，国内医疗器械科技发展水平与发达国家存在较大差距。

提高自主创新能力、哺育战略性新兴产业、建设创新型国家重要阶段，也是进一步深化医药卫生体制改革攻坚时期。

医疗器械是医疗卫生体系建设重要基本，具备高度战略性、带动性和成长性，其战略地位受到了世界各国普遍注重，已成为一种国家科技进步和国民经济当代化水平重要标志。

单从心率计方面来讲，普通属于心电机一某些，且惯用于医院等某些医疗机构，专门测量心率仪器并不多，但随着时代进步和社会发展，心率计应用也越来越广泛，在病人监控、临床治疗及体育竞赛等方面均有着广泛应用。

在将来应用中，心率计也将朝着精度高、轻型化、一体化、可视化、可控化等适合在家庭和社区条件下使用方向发展。

当前应用最为广泛体温计就是人们所熟知水银体温计，具备精度高、使用简朴、价格低廉等长处，但同步也具备水银污染严重、监测不以便等缺陷，故在研究人员不断研究下产生了电子体温计，且迅速得到承认，正在向着数字化和一体化方向发展。

1.3论文构造概括

从提出问题到解决方案，再到最后完毕，论文对设计硬件电路、程序设计和调试等方面进行了详尽论述，大体构造安排如下：

第1章简介了选题背景及意义，提到了心率和体温是人体中非常重要生命信息，与人体健康问题息息有关，及时检测人体心率及体温状况，观测其变化对诊断疾病或防止疾病有重要意义。

第2章依照问题提出了两个设计方案，通过论证之后，决定采用红外光电传感器采集心率信号、DS18B20温度传感器采集体温信号、3位一体数码管显示最后测试成果方案。

第3章重点简介和分析了设计硬件电路，整个设计分为五大模块：

单片机模块、功能选取模块、心率信号采集模块、体温信号采集模块和显示模块，各个元器件选取和使用状况均有详尽阐明。

第4章运用流程图和某些代码，简介了设计程序实现过程，涉及主程序实现流程和各分程序运营过程。

第5章是对设计调试过程，从硬件电路焊接及硬件电路仿真到程序下载及测试，以便及时发现设计中浮现问题并提出解决方案，使设计更加实用。

第6章进行了总结和展望。

在生活节奏迅速、心脑疾病多发时代下，此设计对诊断疾病或防止疾病有着重要意义。

同步，提出设计尚有诸多需要改进地方，且尚有很大研究空间。

2设计方案及论证

2.1方案一

采用压力传感器采集心率信号、模仿温度传感器AD590J采集体温信号、LCD1602显示成果。

2.1.1设计思路

（1）依照设计规定，采用89C51单片机作为主控芯片；

（2）心率和体温显示使用LCD1602；

（3）采集心率信号通过放大和整形后，送入单片机；

2.1.2硬件设计方框图

依照设计规定与设计思路，方案一硬件电路设计框图如图2.1所示。

图2.1方案一方框图

2.2方案二

采用红外光电传感器采集心率信号、DS18B20温度传感器采集体温信号、3位一体数码管显示最后测试成果。

2.2.1设计思路

（1）依照设计规定，采用89C51单片机作为主控芯片；

（2）用温度传感器DS18B20采集温度信号和用红外对管采集心电信号直接送入单片机解决；

（3）心率和体温显示采用数码管显示。

2.2.2硬件设计框图

方案二硬件设计方框图如下图所示：

图2.2方案二方框图

2.3方案论证

方案一采用压力传感器采集心率信号传出电信号比较薄弱，测量难度大，且容易受外界干扰；显示模块采用1602显示，从价格方面考虑，不是抱负选取。

相对于方案一，方案二采用红外光电对管采集心率信号抗干扰能力较强，测量到心率波形比较稳定，波形也较好；DS18B20温度传感器使用比较简朴普遍；同步数码管确是价格便宜实用性较强。

综上所述，本设计采用方案二。

3硬件电路概述及元器件简介

3.1硬件电路总方框图

硬件电路总方框图如下所示，整个设计分为五大模块：

单片机模块、功能选取模块、心率信号采集模块、体温信号采集模块和显示模块。

其中，功能选取模块用于心率测量和体温测量选取。

图3.1硬件电路总方框图

3.2单片机模块

3.2.1单片机模块方框图及电路图

单片机模块重要由三某些构成，即STC89C51单片机、晶振电路和复位电路。

晶振电路为单片机提供合格时钟信号，在该设计中使用晶振频率为12M；复位电路分为上电自动复位和手动复位两种，功能是是单片机恢复到最初状态。

图3.2单片机模块方框图及电路图

3.2.2STC89C51单片机简介

51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统单片机统称。

该系列单片机始祖是Intel8031单片机，日后随着Flashrom技术发展，8031单片机获得了长足进展，成为应用最广泛8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。

诸多公司均有51系列兼容机型推出，此后很长一段时间内将占有大量市场。

51单片机是基本入门一种单片机，还是应用最广泛一种。

图3.351单片机引脚图

51单片机功能及内部构造

·8位CPU·4kbytes程序存储器（ROM）（52为8K）

·128bytes数据存储器（RAM）（52有256bytesRAM）

·32条I/O口线·111条指令，大某些为单字节指令

·21个专用寄存器

·2个可编程定期/计数器·5个中断源，2个优先级（52有6个）

·一种全双工串行通信口

·外部数据存储器寻址空间为64kB

·外部程序存储器寻址空间为64kB

·逻辑操作位寻址功能·双列直插40PinDIP封装

·单一+5V电源供电

图3.451单片机内部构造

CPU：

由运算和控制逻辑构成，同步还涉及中断系统和某些外部特殊功能寄存器；

RAM：

用以存储可以读写数据，如运算中间成果、最后成果以及欲显示数据；

ROM：

用以存储程序、某些原始数据和表格；

I/O口：

四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出

T/C：

两个定期/记数器，既可以工作在定期模式，也可以工作在记数模式；

五个中断源中断控制系统；

一种全双工UART（通用异步接受发送器）串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间串行通信；

片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。

最佳振荡频率为6M—12M。

3.3心率信号采集模块

3.3.1心率传感器分类及红外脉搏传感器原理

心率传感器就是能感受外周血管搏动并转换成可用输出信号传感器，心率传感器分为：

红外脉搏传感器、心率脉搏传感器、光电脉搏传感器、腕部脉搏传感器、数字脉搏传感器、心音脉搏传感器、及集成化脉搏传感器等等。

其中应用比较广泛是红外脉搏传感器，其工作原理是运用特定波长红外线对血管末端血液微循环产生血液容积变化敏感特性，检测由于心脏跳动，引起指尖血液变化，通过信号放大、调节等电路解决。

重要应用于临床上脉率测量、监测和脉搏波病理分析。

3.3.2心率采集模块电路图

在此设计中，使用光电传感器将脉搏信号转换为电信号，此装置做成指套用在指尖上。

光电传感器一侧发光二极管放射红外光，当脉搏跳动时，指尖动脉血管血容量发生周期性变化，透过指尖红外光强度同步发生变化。

另一侧光电三极管将接受到红外光信号转化为电信号。

但由于光电传感器接受到脉搏信号极其薄弱，仅有几种毫伏，需要进行放大。

同步，为了使单片机更好地辨认，加入了比较器使输出信号为方波。

详细如下图所示。

图3.5心率信号采集模块电路图

3.3.3关于放大及整形

在电路设计中采用运算放大器进行了两级放大解决。

如下图所示，对于第二级放大器，采用同相负反馈接法，单电源供电，放大光电三极管中薄弱交流小信号，需要加偏置电压由R9提供，同步还起到了分流作用。

电压放大倍数最后由R10和R11比例来决定。

图3.6二级放大电路图

由于V-=V+，V+=Vin，V-=R11/（R10+R11）×Vout（电阻分压），故：

Vin=R11/（R10+R11）×Vout，Vout/Vin=AV（放大倍数），AV=（R10+R11）/R11=50，即放大倍数为50倍。

第一级放大倍数与第二级同样，也为50倍。

同步，电压信号在输入两级放大器之前都加了一种4.7uF滤波电容，其目是滤去外界对干扰信号，两级放大器之间采用电耦合，隔离两级放大器直流工作点互相影响，并减少零点漂移。

固然，为了使输出电压信号更加稳定，在两级放大电路之后又增长了如下电路。

图3.7稳定电路图

通过上述电路放大之后，其输出波形如下图所示，是相对稳定锯齿波。

图3.8波形图

但为了使单片机更加精确辨认电压信号，需要将其进行整形解决成脉冲方波形式，故增长了一种比较器，如下图所示：

图3.9比较电路

3.3.4低功率运算放大器MCP6004

MCP6004运算放大器是专门为各种通用应用设计，且在设计中采用了Microchip先进CMOS工艺。

具备特性：

1MHz增益带宽积；轨到轨输入/输出；提供电压1.8V至5.5V；供电电流100μA;90度相位容限等。

其引脚及封装图如下所示。

图3.10MCP6004引脚图

其详细引脚功能表如下：

表3.1MCP6004引脚功能表

在设计中应用重要涉及范畴有：

汽车、便携式设备、光电二极管放大器、模仿滤波器、电池供电系统等。

典型应用如下图：

图3.11典型应用图

3.4体温信号采集模块

3.4.1体温信号采集模块电路图

体温信号采集模块重要由一种上拉电阻和温度传感器DS18B20构成，其中，上拉电阻目是使DS18B20更加稳定工作。

图3.12温度采集模块电路图

3.4.2DS18B20温度传感器简介

1、DS18B20基本知识

DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产1－Wire，即单总线器件，具备线路简朴，体积小特点。

因而用它来构成一种测温系统，具备线路简朴，在一根通信线，可以挂诸多这样数字温度计，十分以便。

2、DS18B20产品特点

（1）、只规定一种端口即可实现通信。

（2）、在DS18B20中每个器件上均有独一无二序列号。

（3）、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。

（4）、测量温度范畴在－55。

C到＋125。

C之间。

（5）、数字温度计辨别率顾客可以从9位到12位选取。

（6）、内部有温度上、下限告警设立。

3、DS18B20内部