基于单片机的心率检测设计.docx

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基于单片机的心率检测设计

毕业设计（论文）报告

题目基于单片机的心率检测

设计

二级学院××××××学院

专业计算机技术

班级0701

学生姓名张三

学号070001

指导教师××××××

年月

（设计）承诺书

本人郑重承诺：

1、本论文（设计）是在指导教师的指导下，查阅相关文献，进行分析研究，独立撰写而成的。

2、本论文（设计）中，所有试验、数据和有关材料均是真实的。

3、本论文（设计）中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或机构已经撰写发表过的研究成果。

4、本论文（设计）如有剽窃他人研究成果的情况，一切后果自负。

作者签名：

签字日期：

年月日

基于单片机的心率检测设计

摘要：

心率功能的检测在整个医疗过程中尤为重要。

心率功能的检测对了解循环程序的疾病和其它病情的分析是不可缺少的。

该文介绍了是以单片机89C51为核心，配上光电传感器、放大器、键盘、显示器等少量的硬件组成的体积小、功能强和自动化高的多功能心率检测仪。

关键字：

光电传感器；心率检测；单片机

DesignofHeartRateDetectionBasedonSingleChipComputer

Abstract:

Detectionofheartfunctionintheentiremedicalprocessisparticularlyimportant.Heartfunctiontestunderstandingofthecircu⁃latorysystemdiseasesandotherconditionsoftheanalysisisindispensable.Thisarticledescribesthe89C51microcontrolleristhecore,cou⁃pledwithopticalsensors,amplifiers,keyboards,monitorsandotherhardwarecomponentsofasmallnumberofsmall,powerfulandversa⁃tileautomatedhighheartratedetector

Keywords:

photoelectricsensor;heartratedetector;SCM

第1章绪论

1.1论文研究的背景和意义

心脏病是危险人类健康的主要疾病，白马过隙这么多年，本来很多人身体都很好，可是很简单患心脏病，而不管是从身体上还是心灵考虑，都会让人们感觉到十分难过幸福，所以对于这样的病情进行早期的预防就显得尤其重要。

为了能够准时的看到病情，采取相应有效的措施，积极的治疗预防是很有必要的。

所以心跳频率的准时检查对心脏病的发觉以及对其他疾病的检测是必不可少的，这在治疗的全过程中都有着举足轻重的地位。

现在，一大部分医院所用的五花八门的心跳频率检测机器在抵抗干扰方面非常的差劲，使用的材料价格格外昂贵，就算是已经选择了节省成本的材料，它的成本价格仍旧很昂贵。

假设心跳频率检测机器变得体型比较迷你，采纳的原材料能够比较廉价，在销售方面能够把价钱略微降低一些，其使用方法能够便利简洁，易于平凡的家庭所承担，那这肯定能够为医院以及患者本人的身体健康提供了很大的便利。

心跳频率可以在很大程度上表现出心脏是好的还是坏的，这是一个比较贴切的表现方式，还能够表现出人们锻炼的强度性质。

在大多数的时间里我们想要知道自己的身体情况的坏以及自己的心跳频率。

这篇文章主要讲的是利用单片机的技术设计一种心跳频率测量仪。

利用单片机的可设计性使它能够拥有比较大的适应性和灵动性。

1.2进展及现状

根据调查显示，因为心脑血管病而死的人平均每年就有200多万人，这在全部的疾病中所占死亡人数的比重是最多的，而且花费的医疗费用也是极其昂贵的，所以对引起心脑血管病的原因要高度在意。

根据有关的科学研究调查发觉，提前进行心跳频率的测量能够在很大范围上防止心脑血管疾病的出现。

医院里的心电图测量机能够准确量出人们的的心跳频率，可是心电机的价格非常昂贵，体积也比较巨大，因此并不能够让每户人家都拥有。

市场上的大部分能够准确测量心跳频率的仪器很多都是采纳的压力传感器，然后在加上一些数字芯片来启动数码管，从而达到测量心跳频率的作用，虽然这种心跳频率测量机器的性能比较稳定，可它的功能却比较单调，测量时间也比较缓慢，能够进展的空间很小，并且价钱也不划算。

当人们身体里的心脏在活蹦乱跳时，人们身体组织的半透明度就会出现比较显著的改变，这种改变在人们的手指头等身体位置会比较明显。

利用这种现象，可以使用红外线对手指头部分采取照明措施，因此得到人们身体内心跳频率的改变资料。

我们应该使用质量比较好的红外光电传感器来记录手指头被照耀后所表现出来的心跳频率信息，血管末梢的血液微循环引起的血液容积改变会因为波长不变的红外线而变得比较敏锐，因此能够高效的获得因为心脏器官的活蹦乱跳而造成的手指头血液的改变，利用拥有信号滤波变大整形能力的信号来改变电路，然后对心跳频率信号进行处置。

这篇文章讲述的是设计利用光电传感器的便携式心率测量计，它是一种原材料廉价、功能多样化、便利随身携带而且很智能的心率测量仪，它能够有效的处理市场上心跳频率的缺点还具有一定的提高。

第2章程序设计

程序的整体设计

对于心跳频率的测试，我们采取了一系列的措施方案，其中较为具体的是光电传感器和集成模拟前端芯片的搭配。

这款测量仪器的基础工作是采纳微小处理器发出脉宽可调的矩形波驱动绿光（535nm）发光管，然后与对光较为敏感的感光器搭配，测试流过手腕的血液流量，把测试到的电流信号送到一个完整的模拟前端设备AFE4490，电流信号第一先经过一个差分电流-电压跨阻（I/V）放大器，然后再经过由电容、电感和电阻组成的滤波器减去信号中的骚扰，比如自然界光的干扰、市电电压的频率达到50Hz，然后以电磁波的辐射形式，对人们的日常生活造成干扰等。

然后经过模数转换器来进行模数转换，转换后的数字信号被送到数字滤波器进行滤波，最终经过SPI同步串行外设接口发送到微处理器做进一步的数字信号处理。

下面是整体框架图：

图1程序总体框图

第3章仪器的基本原理

这篇文章采纳的是借光电手段在活体组织中检测血液容积改变的一种无创检测方法。

它的基本工作方法是当固定的波长光照耀到表面的皮肤上时，这光将会经过透射或者是反射的方法传送到光电接收器，在这个阶段中因为受到皮肤的肌肉和血液汲取的减退效果，测试机器检测到的光的亮度将会减小。

在这个过程当中发肤、骨头、肌肉等对光的反射是不变的，但是管径最细，分布最广的血管和动脉还有静脉是会在心脏跳动的作用下随着脉搏的容量而变大或者是缩小。

所以我们把测试来的光的强弱度转变成电信号时，管径最细，分布最广的血管和动脉静脉对照着的是交流信号（AC），其他组织对比的是直流信号（DC），提取它们中的交流信号，就可以反射出血流流动的特征从而算出人体表可触摸到的动脉搏动频率。

这种方法采纳的是朗伯-比尔定律，测试光的强度I与入射光的强度I0的关系为：

A=lgII0=ECL

（1）公式中的A表示的是介质的吸光度，E表示的是摩尔消光系数，C代表的是汲取物质的摩尔浓度。

根据公式式

（1）可以得到，比较固定的光源I0经过透明的介质所能够被吸入的强度只是与与光程L有关联，所收到的光的强度信号幅值会跟着心脏跳动造成检测光出现固定性的变动。

由于光的信号接纳地理位置的不一样，光电法测试心跳频率又能够分为两种方式。

这篇文章选用的是反射的测试方法，测试的地方是手指头或者手腕，如果能够测量到对的脉搏信号，就能够换算出心跳频率，可是因为测试地方的挪动、太阳光、灯泡等原因的打扰，最终测试出来的结果中会存在着一定程度上的偏差，因此要采纳多种方式去进行测量。

人体生理参数数据实时算法分析

有关于脉搏波信号，它的能量大多数在0.5—5Hz范围内。

所以，现在有两种提出交直流重量的方法：

一种是时域提取。

这篇文章利用的是第一种算法，所以对这些东西所测量出来PPG信号先进行挪动平均处置，算法如下式：

SPout=1LL-1Σl=0S（pl）

（2）Sout=SP（1n），SP（2n），SΣPout（n）Σ（3）在这个中Spout代表每个固定的循环中同一个时间段的信号特点平均值。

Sout代表了结合每一个时间段的平均信号输出的结果。

利用移动平均算法的优势是算数方法比较简洁，运算速度格外快，比较适用于准时的信号处置，在信号办理的过程中用来减少高频噪音的结果格外好，可是利用这种方法去处理低频的干扰结果却很不理想。

为了能够获得想要的脉搏信号，这篇文章选用的是微分阈值法对上面说到的移动平均处理过的内容进行更近一步的滤波处理。

微分阈值法是采用脉搏波形态向上用有陡峭上升沿的特征，利用微分运算将它格外显示出来，脉搏波的峰-峰值会被很简洁的确定下来。

假定脉搏波信号的输入序列为x（n），n=0，1，2，…，微分信号对照的序列为y（n），n=0，1，2，…，那么有y（n）=0，当x（n）-x（n-i）≤0，k=ni，n=0，1，2…Σx（n）-x（n-i），当x（n）-x（n-i）＞0，n=ni，n=0，1，2…（4）从式（4）可以发觉，步长就是采样时间，对于脉搏波信号的输入序列做微分，也就是每隔好几个点做一次微分。

通过这样的微分化后，根据所得到的微分值格外便利确定脉搏波的周期以及最大最小值[3]。

比较确切的是MSP430F5529通道0用于心率信号的计算数值，通道2用于计算时间。

在同一个时间段打开通道0和通道2；每当通道0发觉并捕获到一个波形后，将封闭通道2的计时器。

在这之后采纳这个值来运算出心率值。

自然，这么做会出现大量的干扰，这运行中这篇文章是采用微分阈值法和移动平均滤波来进行处置的。

计算完成此次的心率之后，将此次的心率值写入EEPROM中，如此就实现了一次测量计算。

第4章硬件电路设计

4.1程序的硬件组成

我们的所设计首要目标是以单片机作为重点，然后利用好几个温度传感器给很多点温度进行测量，这个液晶显示屏采纳的是循环显示检测出来的温度的。

它的原理图如下：

图2程序原理框图

4.2光电检测电路

根据此次设计的要求，采纳了指套式的透射型光电传感器,传感器由发光二极管和光敏三极管组成的设计方案,指套能够充分减弱外界光的干扰，它的真正结构如图2所展示。

它是采用肌肉部分格外轻易的能够透射光线然后血液部分又能够对光有一定的汲取作用的原理所制造而成的。

光源使用的是可以发光二极管，安装在传感器的上面那一侧，另一侧装有光电接收器（光敏二极管或光敏三极管）。

图3光电检测结构图

如果贴的比较松，信号号就太弱，但是要是贴的太紧，就会很简单造成手指头的血管被阻挡，血液不通畅。

所以当人的手指戳进传感器内的时候，手指头的血管血流的容量在心脏内循环过程中将会出现搏动性变换，因此它对光的汲取衰减功能也是脉动的。

所以由光电接收器得到的信号就可以反映出手指动脉血液溶剂搏动改变的样子。

因此，光电接收器的输出的电流展现出固定性的变换，经过放大后就得到周期性改变的脉搏波动信号，然后将它变形成脉冲波后就送入计算机进行计算和处理。

需要格外讲究的是，在心跳频率的进程中，戳进传感器被测者的手指头对光敏三极管的贴紧程度要恰当正好，如果是贴的太松，检测到的有效信号就会格外的弱，不能够作为测量结果使用。

4.3放大整形电路

因为光电传感器输出的信号大多数情况下都是格外微弱的，所以一定要通过放大器来获取格外大的增益，因此在这次设计中我们将采纳ICF7650的一样类型的放大器。

图4放大整形电路所以利用电路的设计采纳同相型放大器的增益Af=1+100K/1K=101dB。

在这个电路中与ICF7650所连在一起的的两个反向并联的二极管D1、D2将起到了限制幅度的爱护作用，可用来限制运放反相端输入电压的峰值不能够超过二极管的正向导通电压Vf。

我们采纳硅材料的二极管，那么它的电压不能够大于0.7V。

图4放大整形电路

4.4显示接口电路

显示借口的电路利用的是动态扫描的方式，这种扫描的方式不仅攻克了闪烁现象，大大节省了硬件，降低了原材料，是单片机显示电路中经常采纳的扫描电路。

单片机P3.4～3.7控制着输出设备的阴极电位，称为扫描口，它可以肯定出究竟哪一位点亮，P2.0～2.7输出每一个显示器的显示字的形态，叫做段数据出口。

我们采纳每一个一位一位轮流的点亮各位的方法，实现了显示器的动态扫描。

可是因为单片机I/O口驱动功率不够，因此在单片机I/O口和LED显示器的中间将会加上一片驱动集成电路7407当作信号驱动器。

由于心功能信息大多数情况下不能够超出3位，所以这次设计的显示器电路只能够设置4位的LED数码管。

在这个中第四位作为显示数据的特征位，T代表着瞬时的心率，A作为平均心率，S位表示心动过速。

其余三位代表着心率的测量值。

4.5键盘及输入、输出接口电路

键盘是由很多个按键组合成的开关矩阵，它是最简洁的输入设备。

在这个设计中我们采纳的是1X4的键盘结构，键盘的行线通过电阻接+5V，当键盘上没有键关闭时所有的行线和列线都一定要断开，行线都变成高电平。

如果键盘上的某一个按键关闭时，则该键对应着的行线和列线短路。

由于实际检测需要，本仪器设置四个键，他们的功能分别是：

m1用与检测和显示瞬时心率，m2用与检测和显示平均心率，m3用于自动监护心率参数；m4用于打印被测量的各种数据。

图5键盘结构

4.6系列单片机与微型打印机的接口

大家经常用的并行打印机接口采纳的是Centronics标准，在这种经常用的规定下，输出设备与打印饥之间，去掉八根数据线以及地址线之外，还应当至少有两根连络线，一个是输出设备至打印机的联络线：

“选通”线（STROBE）。

那么另—个是打印机至输出设备的联络线：

‘忙”线（BusY），1432ComputerKnowledgeandTechnology电脑知识与技术本栏目责任编辑：

梁书计算机工程应用技术第8卷第6期（2012年2月）输出设备一定判读BusY线状态，肯定打印机处于空闲（忙线为低电平）时．用以选通线的负脉冲将数据锁存入打印机的输入锁存器。

图6单片机与微型打印机的接口

第5章软件设计

这个程序软件设计主要包括主程序、显示子程序、键盘扫描程序、中断服务程序、打印子程序以及数据处理子程序等。

主程序的流程在下面的图片可以很清楚的看到；从图中可以看出，只要按下复位键，仪器首先进入的是初始化状态，然后进入主程序，并能够进行常规的检测。

当按下四个键中的任意一个键时，主程序即刻进出各自的子程序，实现相应键的功能。

图7主程序流程图

软件主要实现的是计算和显示脉冲频率两大功能,主程序流程如图所示.子程序有定时器中断程序,数码管显示程序,延时和段码程序等.心率的有效测量范围为50次-199次/分钟,为了能够幸免外界信号的干扰,在定时器中断程序中加入了对频率大小的推断,滤除掉小于50次/分钟和大于199次/分钟的脉冲信号,中断程序单片机初始化后,用外中断接收数据,信号的下降沿有效,触发单片机产生中断并进行计数,每6ms计数器加1,直到下一次脉冲的下降沿到达,这样就能够得到脉搏跳动的周期,然后再用子程序对该数据进行计算,得出每分钟的心跳次数,送到数码管显示。

第6章仿真、实物制作和程序调试

6.1数据测试与分析

为了能够准确的证明本设计测量心率的准确性，我们为此做了一组高精度的腕式脉搏测量仪与本设计的对比试验，测试结果如表1所示。

从表1可以看出心率计的相对误差是1.43%，原因是本设计采集到的信号相对腕式传感器来说，显得格外的不够稳定，存在着一定程度上的干扰，因此误差为1.43%是可以被接受的。

测量原理血液是一种高度不透明的红树湾液体。

近红外单色光在一般组织中的穿透性比在血液中的穿透性要大几十倍。

皮肤内的血液容积在心脏活蹦乱跳的作用下呈波动性改变比较大，因此当心脏收缩时外周血容量最多，而心脏舒张时则外周血容量减小。

所以，随着人体心跳频率或脉搏跳到的改变，使组织中血液透光率也跟着发生改变，也就是说恒定波长的光照耀到人体组织后，经过人体组织汲取衰减后测量到的光强的改变与心率的改变一致的。

人体指尖组织中的动脉成分含量高，而且指尖厚度相对人体其他组织而言比较薄，透过手指后检测到的光强相对教大，因此，光电式心率或脉搏传感器的检测部位通常在人体手指头部位，可以认为光透过手指后的改变只是由动脉血的充盈而引起的，那么在恒定波长的光源的照耀下，通过检测透过手指的光强可以间接测量到人体的心率及脉搏信号。

（l）单片机最小程序电路是由电源电路,复位电路和时钟电路组成的,其中的电源电路提供单片机工作时一定的要用电压,时钟电路保证单片机工作的时钟频率,复位电路保证单片机在必要的时候进行复位处理。

（2）采集电路,完成人体脉搏信号的采集工作,由于人体脉搏信号比较微弱,并且为模拟信号,这部分还需要对信号进行放大整形处理,得到比较理想的数字型信号,当脉搏跳动时,该电路的输出一个脉冲信号，把此信号送入到单片机的中断引脚。

（3）发送和接收电路,完成脉搏数据的发送和接收工作,保证数据能正确传输。

（4）显示模块,从机部分把接收到的脉搏数据处理后送到显示电路,在LCD液晶显示器上直观显示出来，通过以上电路的设计,该程序可以在主机端完成数据的采集处理和发送操作,在从机段完成数据的接收处理和显示工作。

可以满足短距离的无线人体脉搏检测功能

单片机初始化后,用外中断接收数据,信号的下降沿有效,触发单片机产生中断并进行计数,每6ms计数器加1,直到下一次脉冲的下降沿到达,这样就能够获得脉搏跳动的周期,再用子程序对该数据进行计算,得出每分钟的心跳次数,送到数码管显示.

图8心率计算程序设计流程图

表1腕式脉搏测量仪与本心率计对比试验

总结

随着电子技术与计算机技术的快速进展,心率测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法。

利用血液是高度不透明的液体,光照在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍的特点,可通过传感器对脉搏信号进行检测,并通过单片机技术进行数据处理,实现智能化的心率测试技术。

这种技术具有先进性、有用性和稳定性,同时也是生物医学工程领域的进展方向。

通过实际设计制作,并与市场现有心率检测仪相对比,结果表明本设计具有体积比较小、重量格外轻、成本也很低、使用起来比较便利、测量很准确等优点,相对而言有比较好的应用前景。

由脉搏信号的浓度差提取出人体微弱的脉搏信号，利用软件编程的技巧可以快速显示人体的心率值，通过指示灯也可以得知脉搏跳动情况。

除此之外这个设计还具有心率异常报警功能、温度和时钟显示功能等，增加了本设计的额外价值。

这篇文章设计的心率计具有成本很低、功能较多、便携式、安全可靠等特点，具有很大的有用性，嗯，我自己是这么认为的。

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电子工业出版社,2004.

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人民邮电出版社,1999.

致谢

经过几个月的劳碌，本次论文已经接近尾声，但由于经验的匮乏，难免有许多不足之处，如果没有老师的督促和指导，以及同班同学的支持，想要完成这个论文是很困难的。

让我对单片机有了更加深刻的理解。

此次论文主要将我们平时所学的零零散散的知识点进行整合，将所学的知识应用于实践，让我对单片机的掌握更加程序化。

由于论文将我们之前所学的知识和可视化的一些理念结合起来，。

在老师和同学的帮助下，使自己本学期学习的单片机知识点得到了一定的巩固。

同时，此次的论文也为以后的工作奠定了基础。

首先我要感谢我的论文指导的老师，如果没有他悉心的指导本次论文是很难完成的，老师平日里工作繁忙，还要指导我们的论文，但在我做论文的每个阶段，从查阅资料，论文开题报告的修改，中期检查，到后期写论文注意的各个问题等整个过程中都给予了我悉心的指导。

他严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，他每项工作都做到前面，使我们有足够的时间来安排我们的论文写作打算。

同时，他对我们的论文都是当面指导，细心解说，从而使我们一个一个的过关。

其次要感谢和我一起做论文的所有同学，你们向我准时传达了老师的安排和打算，此外平时还帮助我整理一些资料，如果没有你们的帮助，我的也不会这么顺利的完成。

然后还要感谢所有的老师，为我们打下了专业基础知识，从而才会使此次论文如此顺利完成。

此次论文设计不仅是对这学期所学知识的一种综合检验，更使得自己的专业水平有了一定的提升。

完成此次的课程设计后，可以感觉到自己对单片机的学习又有了新的认识。