徐瑞雄 楊 博 王垚飛 李香坪 肖芳菲 郭建強(qiáng)西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 四川成都 611756

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基于51單片機(jī)的心率測(cè)量及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐瑞雄 楊 博 王垚飛 李香坪 肖芳菲 郭建強(qiáng)
西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 四川成都 611756

【文章摘要】

在生活中，心率作為反映人體健康的一個(gè)重要參數(shù)，出現(xiàn)異常后可能導(dǎo)致多種緊急情況。為了解決心率的便攜式測(cè)量問(wèn)題，考慮到51系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)字電子產(chǎn)品領(lǐng)域，本文在研究設(shè)計(jì)中，將光電傳感器與51單片機(jī)相結(jié)合，通過(guò)軟硬件結(jié)合的方法，將人的心率精準(zhǔn)測(cè)量及顯示，并在超過(guò)人為設(shè)定范圍時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果及分析，文中設(shè)計(jì)的思路能有效便捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)心率進(jìn)行測(cè)量和預(yù)警的功能。

【關(guān)鍵詞】

STC89C52；心率監(jiān)測(cè)；LCD顯示器；光電傳感器

引言

心率測(cè)量有脈搏時(shí)光線被遮擋，無(wú)脈搏時(shí)透光強(qiáng)，本文所采用的傳感器是光電傳感器。通過(guò)觀測(cè)脈搏信號(hào)，可以對(duì)人體的健康進(jìn)行檢查，可被用于保健中心和醫(yī)院。系統(tǒng)可以供用戶(hù)測(cè)量當(dāng)時(shí)的脈搏次數(shù)，同時(shí)還可以設(shè)定上限次數(shù)和下限次數(shù)，記作人體正常情況下的脈搏范圍，當(dāng)測(cè)量的范圍超過(guò)設(shè)定的合理范圍時(shí)則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警提醒。

從脈搏波中提取人體的生理，病理等信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，一直都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。本文設(shè)計(jì)的心率測(cè)量及預(yù)警系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，以光電反射式傳感器ST188采集信號(hào)，再利用單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部定時(shí)器來(lái)計(jì)算時(shí)間，由光電傳感器感應(yīng)產(chǎn)生信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)對(duì)信號(hào)累加得到脈搏跳動(dòng)次數(shù)，時(shí)間由定時(shí)器定時(shí)而得。系統(tǒng)運(yùn)行中可以通過(guò)觀察指示燈閃爍，若均勻閃爍說(shuō)明測(cè)量值準(zhǔn)確。但是由于人體的生物信號(hào)多屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻的弱信號(hào)， 脈搏波信號(hào)更是低頻微弱的非電生理信號(hào)， 所以必須經(jīng)過(guò)放大和濾波以滿(mǎn)足采集的要求。

1　總體設(shè)計(jì)方案

總體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)AT89C52為控制核心，實(shí)現(xiàn)心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本測(cè)量和預(yù)警功能。該系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

圖2　心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理

2　硬件模塊電路設(shè)計(jì)

2.1硬件電路設(shè)計(jì)原理

主控模塊模塊在整個(gè)系統(tǒng)中起著控制的作用，需要檢測(cè)鍵盤(pán)等各種參數(shù)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)液晶顯示相關(guān)參數(shù)，在這里我們選用了51系列單片機(jī)中的STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片。

圖3為單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖，單片機(jī)最小系統(tǒng)有單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路組成，時(shí)鐘電路選用了12MHz的晶振提供時(shí)鐘，作用為給單片機(jī)提供一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，其中執(zhí)行一條基本指令需要的時(shí)間為一個(gè)機(jī)器周期，單片機(jī)的復(fù)位電路，按下復(fù)位按鍵之后可以使單片機(jī)進(jìn)入剛上電的起始狀態(tài)。圖中10k排阻為P0口的上拉電阻，由于P0口跟其他IO結(jié)構(gòu)不一樣，其為漏極開(kāi)路的結(jié)構(gòu)，因此要加上拉電阻才能正常使用。

2.2LCD液晶顯示器簡(jiǎn)介

由于本設(shè)計(jì)中要求顯示界面顯示一些參數(shù)，因此這里選用了LCD1602作為界面顯示，LCD1602的顯示豐富，可以把一些相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行顯示。

2.3信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

此部分電路的功能是由光電傳感器將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，一般為幾十毫伏，必須加以放大，以達(dá)到整形電路所需的電壓，一般為幾伏。放大后的信號(hào)波形是不規(guī)則的脈沖信號(hào)，因此必須加以濾波整形，整形電路的輸出電壓應(yīng)滿(mǎn)足計(jì)數(shù)器的要求。選擇電路：所選放大整形電路框圖如圖4所示，原理圖如圖5所示。

圖3　單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖

圖4　放大整形電路框圖

2.4光電傳感器選擇

傳感器采用了紅外光電傳感器ST188，其作用是通過(guò)紅外光照射人的手指的血脈流動(dòng)情況，把脈搏跳動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其原理電路如圖6所示。

如圖中，紅外管采用188。用+5V電源供電，R1取150，R2取33，當(dāng)人把手指放在ST188光電傳感器上的時(shí)候，光電傳感器接收到的信號(hào)會(huì)隨人脈搏強(qiáng)度的變化而變化。

脈搏測(cè)量的時(shí)候人把手輕輕的按在光電傳感器上面，由于人脈搏跳動(dòng)的時(shí)候，血液的透光性不一樣會(huì)導(dǎo)致接收器那邊接收的信號(hào)強(qiáng)弱不一樣，間接的把人脈搏信號(hào)傳回，然后再通過(guò)運(yùn)放對(duì)其進(jìn)行放大、整形后連接到單片機(jī)的口，單片機(jī)利用外部中斷對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后換算成人一分鐘脈搏的跳動(dòng)次數(shù)，最終顯示在液晶屏上。

圖5　放大整形電路原理圖

圖6　傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)原理電路圖

3　軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖7所示，單片機(jī)上電后先進(jìn)行初始化，設(shè)置參數(shù)的初值，然后等待用戶(hù)按下對(duì)應(yīng)的按鍵并進(jìn)入對(duì)應(yīng)的功能，當(dāng)用戶(hù)按下測(cè)量按鍵的時(shí)候，單片機(jī)通過(guò)定時(shí)15測(cè)量人體的脈搏次數(shù)，然后再換算出對(duì)應(yīng)的真實(shí)的脈搏次數(shù)再在液晶屏幕上顯示，當(dāng)用戶(hù)按下設(shè)置脈搏范圍設(shè)定按鍵后，單片機(jī)根據(jù)用戶(hù)按下的按鍵進(jìn)行增加或減少范圍。軟件編程流程圖如圖7所示。

圖7　單片機(jī)程序框圖

4　仿真模擬結(jié)果

利用進(jìn)行仿真，由于仿真軟件中無(wú)反射式光電傳感器，本文以按壓式按鍵代替對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試，仿真圖如下圖8。

圖8　仿真原理圖

5　結(jié)果分析

本文對(duì)不同時(shí)間段，不同人測(cè)量出多組數(shù)據(jù)，然后利用標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行測(cè)量和本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)量對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1　心率測(cè)量值和單片機(jī)測(cè)量值對(duì)比表

本文設(shè)計(jì)出的心率測(cè)量?jī)x的報(bào)警范圍為小于50，和大于120，和標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)比的測(cè)量誤差在5%以?xún)?nèi)。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文基于51單片機(jī)最小系統(tǒng)，采用靈敏度較高的光電傳感器設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了心率計(jì)功能。設(shè)計(jì)采用屏顯示測(cè)量結(jié)果，并配置了上下閾值可調(diào)節(jié)功能，在較低的成本下，測(cè)量精度可以滿(mǎn)足日常生活中的測(cè)量需求。并方便融合在其他地方，如方向盤(pán)，有效的做到了心率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及預(yù)警。

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【作者簡(jiǎn)介】

徐瑞雄（1994.11.10），男，漢族，湖北隨州人，學(xué)歷：本科，研究方向：電子科學(xué)與技術(shù)。