1、 基于单片机的便携式心率测试仪的设计 系部名称 ： 电气与信息工程学院 专业班级 ： 测控技术与仪器 082 班 学生姓名 ： 李 强 国 指导教师 ： 胡文 静 职 称 ： 教 授 哈尔滨理工大学 二 一 三 年 七 月 哈尔滨理工大学 本科生毕业设计 I 摘 要 心率 测量仪在我们的日常生活中已经得到了非常广泛的应用。为了提高 心率 测量仪的 简便性和精确度 ，本设计 计 了一种基于 51 单片机的 心率 测量仪。系统 以 AT89S51单片机为核心，以红外发光二极管和光敏三极管为传感器，并利用单片机系统内部定时器来计算时间，由光 敏三极管感应产生脉冲，单片机通过对脉冲累加得到脉搏跳动次数
2、，时间由定时器定时而得。系统运行中能显示脉搏次数和时间，系统停止运行时，能够显示总的脉搏次数和时间 ,在脉搏数超过设定上下限时蜂鸣器报警。 经测试，系统工作正常，达到设计要求。 关键词 ： 心率 测量仪； AT89S51 单片机； 红外发光二极管；光敏三极管；蜂鸣器。 哈尔滨理工大学 本科生毕业设计 II ABSTRACT Heart rate measuring instrument in our daily lives has been widely used. In order to improve the pulse measuring instrument is simple and
3、 accurate, the design method based on 51 single chip Heart rate measuring instrument. System based on the AT89S51 single-chip microcomputer as the core, with the infrared emitting diode and a photosensitive triode sensor three, and the use of MCU internal timer to calculate time, a photosensitive tr
4、iode induction pulse three, single chip microcomputer based on pulse accumulation by pulse number, and time by the timer timer. System can display the pulse frequency and duration, the system stops running, can display the total pulse frequency and duration, the pulse number exceeds the set upper an
5、d lower limit alarm buzzer. After testing, the system is working properly, achieves the design requirements. Key words: Heart rate measuring instrument;AT89S51 single chip microcomputer;Infrared emitting diode;A three transistor;Buzzer. 哈尔滨理工大学 本科生毕业设计 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第 1 章 引 言 .3 1.1 概述 .
6、 3 1.2 基于单片机的心率测试仪的发展与应用 . 4 1.3 设计说明书内容 . 5 第 2 章 整体方案分析 .6 2.1 任务 . 6 2.2 要求 . 6 2.3 设计时要考虑的问题 . 6 2.3.1 环境光对脉搏传感器测量的影响 . 6 2.3.2 电磁干扰对脉搏传感器的影响 . 7 2.3.3 测量过程中运动噪声的影 响 . 7 2.4 系统基本方案 . 7 2.4.1 脉搏传感器部分 . 7 2.4.3 显示部分 . 9 2.5 整体方案 . 9 第 3 章 硬件电路设计分析 . 11 3.1 控制器 .11 3.1.3 AT89C51 的结构 . 12 3.2 脉搏信号采集
7、 . 15 3.2.1 光电传感器的结构及原理 . 15 图 3.2 透射式光电传感器图 . 15 3.2.2 信号采集电路 . 15 3.3 信号放大 . 16 3.4 波形整 形电路 . 17 哈尔滨理工大学 本科生毕业设计 3.5 单片机处理电路 . 18 3.6 显示电路 . 19 3.6.1 LED 的综述 . 20 3.6.2 LED 的结构 . 20 3.6.3 LED 数码管的显示方法 . 20 3.7 本章总结 . 21 第四章 软件系统 . 22 4.1 主程序流程： . 22 4.2 定时器中断程序流程： . 22 4.3 INT 中断程序流程： . 23 4.4 显示程
8、序流程： . 23 4.5 软件说明 . 24 结束语 . 25 参考文献 . 26 致 谢 . 28 附 录 . 29 附录 A STATEFLOW 原理图 . 29 附录 B SIMULINK 原理图 . 30 附录 C BOILER PLANT MODEL SIMULINK 图 . 31 附录 D STATEFLOW 子状态仿真图 . 32 附录 E STATEFLOW 的模型查看器 . 34 附录 F STATEFLOW 的仿真结果及生成的源代码 . 35 附录 G 英文文献翻译 . 42 哈尔滨理工大学 本科生毕业设计 第 1 章 引 言 1.1 概述 心脑血管疾病是当今全球死亡率最
9、高的疾病，是 21 世纪人类健康的头号杀手。多年来，心率测试仪在心脑血管疾病的研究和诊断方面发挥出显著的作用，它记录的心脏活动时的生物电信号，已称为临床诊断的重要依据。临床上使用的心电监护仪虽然功能强大，测量精度高，但因为价格高昂 ，不利于家庭的普及。就算是在医院，护士每天监控病人病情而进行的心率测试也是用手测。正常人的心率和脉搏跳动的次数是一样的，因此可以用测脉搏的方法来测心率。医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，从而达到测试心率的目的，他们一般的方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。为了节省时间，一般不会作 1 分钟的测量，通常是测量 10 秒钟时间内
10、心跳的数，再把结果乘以 6 即得到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高。 脉搏波所呈现出来的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，能反映 出人体心血管系统中许多生理疾病的血流特征。本系统采用 AT89S51 单片机为核心而制作的一种实用型脉搏测量仪。采用光电脉搏传感器作为传感器对人体的脉搏心率警醒数据采集。得到的信号送入 AT89S51 单片机进行处理。单片机将采集到的脉搏心率在数码管上实时显示出来，同时还设置了脉搏测量仪的上下限报警电路。本文首先描述本设计的整体思路，然后介绍各个部分设计中的细节问题，最后提出一些完善本设计的改进意见。 从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为
11、临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。几乎世界上所有的民族都用过“ 摸脉”作为诊断疾病的手段。脉搏波所呈现出的形态 (波形 )、强度 (波幅 )、速率 (波速 )和节律 (周期 )等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征 ,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。 随着科技发展的不断提高，生命科学和信息科学的结合越来越紧密，出现了各种新颖的脉搏测量仪器，特别是电子脉搏仪的出现，使脉搏测量变得非常方便。 脉诊在我国已具有 2600 多年临床实践，是我国传统中医的精髓，但祖国传统医学采用 “ 望、闻、问、切 ” 的手段进行病情诊断，受人为的
12、影响因素较大，测量哈尔滨理工大学 本科生毕业设计 精度 不高。科技的创新，脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法，脉搏测量可利用电子仪器测量出精度更就的数据。本文介绍一种用单片机制作的脉搏测量仪，只要人把手指放在传感器内 2 秒钟就可以精确测量出每分钟脉搏数，测量结果用三位数字显示。本系统以单片机为核心的便携式心率测试仪，通过脉搏传感器采集信号，并经过后续的信号处理电路，最终实现心率的测量。 便携式心率测试仪携带方便并且能准确快速地测试心率，这是我们在家中就可以测试心率从而能检测是否患有一些心血管疾病，做到早发现。他还可以供运动员使用以检测身体状态，当能护 士使用它可以节省大量的时间
13、并大大 的 提高了测试心率的准确性。 1.2 基于单片机的心率测试仪 的发展与应用 人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，是血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波成为脉搏波。从脉搏波中提取人体的心理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。脉搏波所呈现出的形态 (波形 )、强度 (波幅 )、速率 (波速 )和节律 (周期 )等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征 ,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前 景。 随着科学技术的发展，脉搏测量技术也越来越先进，对脉搏的测量精度也越来越高，国内外先后
14、研制了不同类型的脉搏测量仪，而其中关键是对脉搏传感器的研究。而由于脉搏传感器的不同，现今市场上的脉搏测试仪的脉率采集主要有三种方法：采用一对红色发光二极管实现、采用反射式的红外管实现和采用压电陶瓷芯片实现。近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器，这类传感器的重要特征是测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，能够自动消除仪表自身系统的误差，测量精度高，通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。本设计采用 的光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器。它是采用一对红色发光二极管进行脉率的采集，而它的测量位置一般是耳垂或手指。通过对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号。具
15、有结构简单、无损伤、精度高、可重复使用等优点。虽然手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降，但只要注意清理，测量的准确性还是非常高的；耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确。 脉搏测量仪的发展主要向以下几个趋势发展： 哈尔滨理工大学 本科生毕业设计 (1) 自动测量脉搏并且对所得到的脉搏进行自动分析。 目前很多脉搏测量仪都具有检测血氧等其他的功能，但是对这些信号的分析和诊断还需要一些有经验的医生观察，进行分析后才能确认结果，浪费大量的人力，且由人为引入的误差较大。因此，未来脉搏自动检测
16、的内容将更加详细，自动分析诊断功能也更强大。 (2) 数字化技术等先进技术的应用。 随着数字科学技术的发展，脉搏测量仪集成度将更高，更便于携带。数字信号处理的运用将使干扰更小，测量更为准确。 （ 3）多功能化越来越明显 目前的脉搏测量仪，一般都具有测试血氧，心电图等等功能，单纯的脉 搏测量仪已经很少见。随着电子技术的发展，脉搏测量仪必然可以实现更多的功能。 本设计所使用的系统利用光电传感器将脉博转换为电压信号，经过信号调理后利用 AT89S51 单片机进行信号采集和处理，在短时间内，测量出人体一分钟的脉搏数，并将心率进行实时显示，便于携带。达到了方便、快速、准确地测量心率的目的。这样的脉搏测量
17、系统性能良好，结构简单，性价比高，输出显示稳定，比较适应大众化，适合家庭进行自我检查以及医院护士进行每日的临床记录。 1.3 设计说明书内容 本设计以单片机为核心，由光电传感器采集脉搏信号。经过前置放 大电路、滤波电路、积分和比较电路后得到与脉搏相关的脉冲信号。该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行买长周期的计算。然后得到每分钟的脉搏搏动次数（即心率），并在数码管上显示心率。 本文的工作是围绕着 光电传感器检测脉搏波而单片机进行控制 进行的。 本 文的 设计 内容安排如下： 第一章为绪论。简要介绍了 心率测试仪的 现状和应用 ， 并指出了本文的 技术内容 ，即 心率的测试。 第二章主要 介绍设计
18、方案前需注意的一些干扰的问题和方案的对比论证以及最终方案的确定。 第 三 章是本文的核心。在这里 给出了整体的硬件电路设计 思路，并且对电路的各个部分进行分析与解释。 第 四 章 叙述程序的编程方案，给出程序的框架结构图并 对全文进行总结，并对以后的 设计 工作进行展望。哈尔滨理工大学 本科生毕业设计 第 2 章 整体方案分析 2.1 任务 基于单片机的便携式心率测试仪的设计。 本设计以单片机为核心，由光电传感器采集脉搏信号。经过前置放大电路、滤波电路、积分和比较电路后得到与脉搏相关的脉冲信号。该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行买长周期的计算。然后得到每分钟的脉搏搏动次数（即心率），并在数码
19、管上显示心率，并且在 超出设定的正常脉搏跳动范围 时 ，驱动蜂鸣器报警 。 2.2 要求 （ 1）通过脉搏传感器采样脉搏信号，设计脉搏波检测电路，通过译码管来显数脉搏次数。 (2)将脉冲波送入单片机，采用单片机构成脉搏波检测仪，要求实现脉搏波次数超出设定时限时驱动蜂鸣器报警。 2.3 设计时要考虑的问题 2.3.1 环境光对脉搏传感器测量的影响 在光电式脉搏传感器中，光敏器件接收到的光信号不仅包含脉搏信息的透射光的信号，而且包含测量环境下的背景光信号，由于动脉波动引起的光强变化比背景光的变化微弱得多，因此在测量过程当中要保持测量背景光的恒定，减少背景光的干扰。 测量环境下的背景光包含环 境光和
20、在测量过程中引起的二次反射光。为了减少环境光对脉搏信号测量的影响，同时考虑到传感器使用的方便性，采用密封的指套式包装方式，整个外壳采用不透光的介质和颜色，尽量减小外界环境光的影响，为了避免测量过程中的二次反射光的影响，在指套式传感器的内层表面涂上一层吸光材料，这样能有效减少二次反射光的干扰。 加上指套式外壳后的脉搏传感器测量到的脉搏波形比较平滑。这是因为加指套式的脉搏传感器中环境光在测量过程中基本不受外界环境光的影响，而且能够有效减少二次反射光，使照射到手指上的光波长单一，所以得到的脉搏信号较为稳定 ，没有明显的重叠杂波信号，能够很好的体现出脉搏波形的特征。 哈尔滨理工大学 本科生毕业设计 2
21、.3.2 电磁干扰对脉搏传感器的影响 通过光电转换得到的包含脉搏信息的电信号一般比较微弱，容易受到外界电磁信号的干扰，在传统的光电式脉搏传感器电路中，由于光敏器件和放大电路是分离的，那么在信号的传递过程就很容易受到外界电磁干扰，通常在一级放大电路采用电磁屏蔽的方式来消除电磁干扰。本系统采用了新型的光敏器件，在芯片内部集成光敏器和一级放大电路，有效地抑制了外界电磁信号对原始脉搏信号的干扰。 工频干扰是电路中最常见的干扰，脉搏信号变化缓慢，特别容 易受到工频信号的干扰，因此对工频信号干扰的抑制是保证脉搏信号测量精度的主要措施之一。通常脉搏信号的频率范围在 0.3 30Hz 之间，小于工频 50Hz
22、，因此通过低通滤波器可以有效滤除工频干扰，这在信号调理电路中容易实现；同时可以在控制电路中对光源进行脉冲调制，这样不但能够降低系统的功耗，而且能够在一定程度上减小外界的电磁干扰，在脉搏信号数据采集后，可以通过数据处理法方法进一步滤除工频信号的干扰。 2.3.3 测量过程中运动噪声的影响 测量过程当中，通常情况下手指和光电式脉搏传感器可能产生相对的运动，这样对脉搏测 量产生误差，可以通过 2 个方面减少运动噪声误差：一是改善指套式传感器的机械抗运动性，比如说使指套能够更紧的套在手指上，不易松动；二是从脉搏信号处理的角度，通过算法来减小误差。对于传感器的设计，现在采用的主要是第一个途径。 2.4 系统基本方案 根据题目的 要求系统模块可以基本划分为：脉搏传感器部分、单片机处理电路部分、 显示电路部分 和报警电路 。为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案病进行了论证 。 2.4.1 脉搏传感器部分 传感器又称为换能器、变换器等。脉搏传感器是脉搏检测系统中重要的组成部分 。 （ 1） 光电式传感 器 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血液中大几十倍，据此特点，采用光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号。反向偏压的光敏
