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基于单片机的心率计设计
学院：_______________
专业：_______________
姓名：_______________
学号：_______________
2013年 月 日
目录
摘要 ................................................................. 3
第一章 引言 ...................................................... 4
1.1 心率计的研究背景和意义 ....................................... 4
1.2 心率计的研究现状及发展动态 ................................... 4
第二章 方案论证及元器件选择 ...................................... 5
2.1 研究内容及设计指标 ........................................... 5
2.2 方案设计与论证 ............................................... 5
2.2.1 传感器的选择与论证 ....................................... 5
2.2.2 信号处理方案选择和论证 ................................... 7
2.2.3 单片机系统选择和论证 ..................................... 8
2.2.4 显示模块选择和论证 ....................................... 9
2.3元器件选择及其功能介绍 ........................................ 9
2.3.1单片机AT89S52 ............................................ 9
2.3.2红外传感器 ............................................... 11
2.3.3双运算放大器LM358N ...................................... 11
2.3.4 LCD1602 ................................................. 12
第三章 硬件系统设计 .............................................. 13
3.1 系统设计框图 ................................................ 13
3.2 信号采集电路 ................................................ 14
3.3 信号放大电路 ................................................ 15
3.4 信号比较电路 ................................................ 17
3.5 LCD显示电路 ................................................. 18
3.7 键盘电路 .................................................... 19
第四章 软件系统设计 .............................................. 19
4.1 测量计算原理 ................................................ 20
4.2 主程序流程图 ................................................ 20
4.3 中断程序流程图 .............................................. 21
4.4 定时器T0，T1的中断服务程序 ................................. 21
第五章 系统测试与结果分析 ....................................... 22
5.1 测试方法和仪器 .............................................. 22
5.2 仿真与焊接阶段 .............................................. 23
5.2.1 仿真阶段 ................................................ 23
5.2.2 焊接与完成阶段 .......................................... 23
5.3 测试数据与结果分析 .......................................... 25
5.3.1测量结果与分析 ........................................... 25
5.3.2几种主要系统干扰和影响 ................................... 27
结束语 .............................................................. 28
参考文献 ............................................................ 29 附录一：系统仿真图
附录二：系统原理图和PCB
附录三：源程序
基于单片机的心率计设计
摘要：在社会飞速发展的今天，人们的物质文化生活得到了极大的提高，但同时多种疾病威胁着人们的生命；而心脏病又是人们难以预防的突发致命疾病，所以健康也被越来越多的人所重视。本设计要解决的问题就是可以测量心率、预防心脏病等心脏方面疾病的数字心率计。
便携式数字人体心率计运用AT89S52单片机作为核心控制处理单元，采用红外传感器作为传感器，运用软件和硬件双重滤波技术实现了对人体心率信号的准确检测。测量范围限可以用按键调节，并进行声音报警，传感器可以放在身体脉搏明显的任何部位，测量结果以数字方式方式显示，测量精确到2次/分。经过大量实验，本心率计已经基本达到题目要求部分的全部指标。
关键字：心率计，红外传感器，单片机AT89S52，LM358
第一章 引言
1.1 心率计的研究背景和意义
伴随着全球科技与经济的飞速发展与进步，关爱生命与健康已成为人类的共同追求。心脑血管疾病是危害人类生命和健康的最主要的疾病。每年因心脑血管疾病致死的人数位居人类死亡总数的首位，耗费的医疗费用居高不下，给家庭和社会造成巨大负担[1]。近年来，由于饮食习惯不合理、生活节奏加快等原因，心脑血管疾病的发病率更是呈逐年上升的趋势。如何科学的降低心脑血管疾病的发病率和死亡率，有效的减轻心脑血管疾病带来的社会和家庭负担，已经成为全社会所面临的一个十分严峻问题。
今天，越来越多的人已认识到健康生活方式和疾病预防的重要性，对拥有日常家庭化和个性化的健康监测和疾病预防手段的需求也日益增大。在脉搏波研究方面，国内外已经出现了众多的技术和理论，基于现代医学技术，利用脉搏波对人体心血管健康进行无创检测的方法和仪器不断涌现。现在的任务是既要对脉搏波的检测分析及对心血管健康检测应用方面做进一步研究，研制一种面向家庭和社区医疗服务的，能够对人体动脉硬化的程度和其他心血管健康状况进行无创检测的仪器，让更多的人对自己的心血管健康状态进行及时的了解，对心血管疾病能够及早的发现和进行预防。
基于上述现状和背景，不难发现：心血管功能检测新技术、新方法的研究以及心血管功能监测类家用电子医疗保健仪器的开发已刻不容缓。它不仅能满足当前的医疗保健急需，也能为维持和发展我国家用数字医疗事业，为推行实施国家“家庭医疗保健工程”做出积极和长久的贡献[2]。
1.2 心率计的研究现状及发展动态
自上世纪80年代以来，基于血流动力流变学和弹性腔理论的无创伤血管功能检测方法的研究逐渐受到广泛的关注。很多不同学科的研究员与医学家合作，研究出各种应用型人体心率传感器，有单部、三部、液态水、子母式单点，多点，气压式、硅杯式、软性接触式、刚性接触式等，组成脉搏传感器的主要部件有压电晶体、单
晶硅、陶瓷应变片、光敏组件、pvdf压电薄膜等，其中以单部单点应变片式应用最为广泛。
到目前，用于评价大动脉的结构和方法已有很多。血管造影和其他造影技术等有创方法可精确评价动脉管腔或分心动脉壁结构。但是这些方法操作复杂，费用高昂，需要非常精密的技术设备，限制了其只能在大型临床研究中应用，另外，还有一些其他的无创方法，这些主要根据超声技术和计算机分析图像和超声信号，来研究某些动脉轴和位点的功能和结构，这些相对复杂的技术仅用于某些临床研究实验室。在无创方法中，脉搏波速度的检测已经在较长时间内广泛应用于评价动脉壁扩张性和硬度。该方法无创伤，操作简单、结果准确、重复性好，因此被广泛应用于大型治疗和流行病学研究当中，并且，该方法非常适合于向家庭和社区医疗服务推广。国外，诸如法国研制生产的康普乐仪、日本科林公司的动脉硬化检测仪等就是利用此种方法，并在欧美国家得到广泛的普及，国内也有医院引进了这种设备，但是价格昂贵[7][8]。国内也有多家单位开始了此类设备的研究，在2007年，也有类似的产品相继上市。但是，这些仪器均被应用在大型医疗机构中，成本高，检测费用高，功能局限于检测，不能满足患者随时随地的检测的需要。
第二章 方案论证及元器件选择
2.1 研究内容及设计指标
研究内容：
便携式数字人体心率计运用AT89S52单片机作为核心控制处理单元，采用红外传感器作为传感器，运用软件和硬件双重滤波技术实现了对人体心率信号的准确检测，最终以数值形式显示在LCD上。
本课题开发一款低功耗、便携式数字心率计，具体要求如下：
(1)实时显示被测者心率值，并显示；
(2)可用按键设置正常心率的范围，超过这个范围，进行报警提示。
2.2 方案设计与论证
2.2.1 传感器的选择与论证 (1)压电式
压电式传感器的检测方法是利用压力传感器或振动传感器将人体脉搏振动转换成电信号。常见的压力传感器可用现有的压电陶瓷代替。压电式元件的内阻极高，通常采用两片相同的元件，使其极性反向相叠，由夹在中间的铜片作为一个电极。这样，中央电极处于全空状态，可以用具有良好绝缘性的导线引出。此种方法的优点是传感器种类多，一般的传感器输出信号也比较大，对后面的放大电路要求不高。压电陶瓷具有成本低、取材方便、易于提高敏感度等特点。
(2)声电式
声电式传感器的作用是将气体、液体或固体中传播的机械振动转换成电信号。因此，它也属于力学量传感器。它的制作材料一般由不定性无烟煤颗粒或压电陶瓷构成。颗粒式声电传感器的优点是耐用、成本低和容易制作，缺点是颗粒的机械磨损和接触表面上的瞬间电弧会使颗粒逐渐老化，从而导致杂音大、性能不稳定和非线性；而压电陶瓷式的声电传感器在检测声音信号时却存在着一定的缺陷。
声电式检测方法是利用微音传感器将人体的振动的声音转换成电信号。此种方法的优点是作为传感器的微音传感器可利用现有的驻极体或电容式话筒，但其后面的电路要采取一定的措施将环境的声音干扰信号滤去。
(3)光电式
光电系统通常是指能敏感由紫外光到红外光的光能量，并将光能量转换成电信号的器件。通常用的光电器件有光电二极管和光电三极管。光电式传感器测量微小的位移变化有明显的效果，但是光电传感器对材料、电路控制和光电管属性要求较高：1）吸收红外光的能力极强2）介电常数小，以便得到大的输出电压。3）介电损耗小。
光电式检测方法是利用光电传感器检测人体内血液流动时对光的透过率或反射率不同而将其转换成电信号的方法。此种方法有两种方式：一种是对射式，另一种是反射式。对射式是在一个大小合适的环的两侧各放一个发射管和一个接收管，测量时将人的手指伸到环中，由于手指中的血流量的变化而使光电接收管的光电流也随之变化，反射式是光电发射与光电接收都指向一个方向，当人体内的血流发生
变化时其对光的反射率也随之变化，从而检测出心率。这种方法的优点是外界干扰信号小，但其最大的难点是传感器输出信号小，对后面的放大电路要求较高。此外，对于干扰变化强烈的信号，回路不宜调制，可视光电管的定向角不同，光轴也不宜把握。
综上所述，从传感器的制作工艺、材料的选取、受外界的干扰信号的干扰程度和制作过程中前级电路的处理难易程度上考虑，就选用一对红外对射二极管实现。
红外传感器的检测、放大、滤波和整型并传到单片机工作系统的过程见下图2-1所示：
图 2-1信号检测处理工作流程图
2.2.2 信号处理方案选择和论证
(1)小规模数字电路：采用小规模数字电路也可完成此方案的基本功能，
电路框图如图2-2所示。
图2-2小规模数字电路心率计
这种方案是采用一个二进制计数器，将处理后的脉波信号进行计数，在1分钟内将计数值显示。此方案的不足是电路结构复杂，实现一个相对简单一些的过程控
制功能都要用好多片电路，且数字电路器件功能单一，一旦硬件电路定型就难以改动，尤其在题目要求中，要实现心率测量并显示，还要超限报警等等，则显得力不从心。
(2) PLD：可编程逻辑器件(PLD)突破了小规模数字电路功能单一的缺点，可以按照设计者设计分析出来的逻辑要求去编程定义，应用起来确实方便，设计也比较灵活。针对题目要求，该方案应该至少由传感器电路、闸门电路、计数器电路、数字锁存电路、显示电路、数据存储电路、PC接口电路七部分构成，在闸门信号允许时间内对被测信号计数，闸门宽度为单位时间。显然电路复杂，一旦涉及到数据处理、数据分析、数据记忆、数据通信等功能要求时，其实现难度可想而知。
(3)单片机：单片机的发展和应用大家有目共睹，其体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点已经被默认。在科学计算、数据处理及信息管理、CAD、CAM、CAA、CAI、过程控制和仪表智能化、军事领域、多媒体系统和信息高速公路甚至家用电器和家庭自动化等方面都可以看到单片机的影子，可谓立下了汗马功劳。
单片机内部包含了CPU、RAM、ROM、I/O口、总线甚至A/D及D/A转换电路，功能十分强大。许多在数字电路、模拟电路中的难题都在单片机的程序设计中得到了出乎意料的解决效果，通过对程序和外部少许电路的修改即可以改变整个设计系统的功能。可移植性和可维护性得到极大的改善。在数据分析、处理、记忆、通讯等方面表现相当出色。根据题目提出的要求，单片机控制当为首选。以单片机为主外设显示器、键盘、通讯、打印接口等硬件电路，完成脉波计数、数据运算、显示、通讯、记忆等功能。
根据以上方案比较，本课题决定采用以红外传感器为传感器，以单片机为主控芯片外辅少量硬件电路完成数据处理、记忆、显示、通讯等功能。硬件框图如图2-3所示。
图 2-3单片机心率计
2.2.3 单片机系统选择
AT89C2051、AT89C51单片机是最常用的单片机，是一种高性能、低损耗、CMOS八位微处理器。AT89C2051与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容，而且能使系统具有许多新的功能，功能强、灵活性高而且价格低廉。AT89S52可构成真正的单片机最小应用系统，增加系统可靠性，缩小系统体积，降低了系统成本。程序长度只要不大于4K，四个I/O口全部提供给用户。系统运行中需要存放的中间变量较少，可不必再扩充外部RAM。采用AT89S52单片机，其内部有8KB单元的程序存储器。而且具有三个定时器，正好满足系统多机通信时所用。 比较以上方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用AT89S52。
2.2.4 显示模块选择和论证
(1)液晶显示
液晶单元是容性负载，液晶的电阻在大多数情况下可以忽略不计，是无极性的，即正压和负压的作用效果是一样的。液晶显示器件在直流电压作用下会发生电解作用，故必须用交流驱动，并且限定交流成分中的直流分量不大于几十mv；由于液晶在电场作用下光学性能的改变是依靠液晶作为弹性连续体的弹性变形，响应时间长，所以交变驱动电压的作用效果不取决于其峰值，在频率小于1000Hz情况下，液晶透光率的改变只与外电压的有效值相关。液晶显示
信息量大、长寿命、低压
驱动等优点。 (2)LED动态显示
数码管是一类显示屏 通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字能够显示 时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数。由于它的价格便宜 使用简单 在电器 特别是家电领域应用极为广泛，空调、热水器、冰箱等等。绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏与荧光屏。
数码管动态显示接口是单片机中应用最广泛的显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的八个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连起来，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机有字形码输出时，所有数码管都接收到相同的字形码。通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在动态显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于发光二极管的余辉效应及人的视觉暂留现象，实际上尽管数码管不是同时点亮，但只要扫描的速度很快，给人的印象就是稳定的显示数据，不会有感觉到闪烁，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
根据以上两种方案比较，液晶显示具有其独特的优越性，显示效果好，控制简单等优点。所以就选择液晶来实现显示功能。
2.3 元器件选择及功能介绍
2.3.1单片机AT89S52 (1)主要性能：
·8KB可改编程序Flash存储器（可经受1000次的写入/擦除周期） ·全静态工作：0Hz～24MHz ·三级程序存储器保密 ·128×8字节内部RAM ·32条可编程I/O线 ·2个16位定时器/计数器 ·6个中断源 ·可编程串行通道
·片内时钟振荡器
(2)功能特性描述：
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52的引脚结构如图2-4所示。
图2-4 AT89S52的引脚结构
2.3.2红外传感器
红外技术是在最近几十年中发展起来的一门新兴技术。它在科技，国防，和工农业生产等领域得到广泛的应用，特别是在科学研究、军事工程和医学方面起着极其重要的作用。例如在红外制导火箭、红外成像、红外遥感等。而红外辐射技术的重要工具就红外传感器，红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用。尤其是在实现远距离温度监测与控制方面，红外温度传感器以其优异的性能，满足了多方面的要求，因而在产品传感器大显身手的地方。因此红外传感器的发展前景也是不可估量的。本设计的心率计的传感器采用一对5MM的红外对管外辅少许电路所组成的红外传感器，红外对管是红外线发射管与光敏接收管，或者红外线接收管，或者红外线接收头配合在一起使用时候的总称。
红外线发射管在LED封装行业中主要有三个常用的波段，如下850NM、875NM、940NM。根据波长的特性运用的产品也有很大的差异，850NM波长的主要用于红外线监控设备，875NM主要用于医疗设备，940NM波段的主要用于红外线控制设备。EG：红外线遥控器、光电开关、光电记数设备等。
光敏接收管是一个具有光敏特征的PN结，属于光敏三极管，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流（暗电流）。此时光敏管不导通。当光照时,饱和反向漏电流马上增加，形成光电流,在一定的范围内它随入射光强度的变化而增大。
2.3.3双运算放大器LM358N
LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有使用运算放大器的可用单电源供电的场合。 特性:
● 低输入偏流 ● 内部频率补偿
● 直流电压增益高(约100dB) ● 单位增益频带宽(约1MHz)
● 电源电压范围宽：单电源(3—30V)；双电源(±1.5 一±15V) ● 低功耗电流，适合于电池供电 ● 低输入失调电压和失调电流 ● 共模输入电压范围宽，包括接地
● 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 ● 输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V) LM358的引脚结构如图2-5所示。
图2-5 LM358的引脚结构
2.3.4 LCD1602显示模块
1602 LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
管脚功能
1602
采用标准的16脚 接口，其中： 第1脚：VSS为电源地 第2脚：VCC接5V电源正极
第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。 第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。
第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。
第三章 硬件系统设计
3.1 系统设计框图
心率计的总体设计电路框图如图3-1所示，主要包括信号采集电路、放大电路、比较电路和单片机信号处理电路和液晶显示电路。先用红外传感器采集与心跳同频率的信号，当人体组织半透明度的数值较大时，红外发射管Dl发射出的透过人体组织的光强度很弱，光敏三极管无法导通，输出高电平；当人体组织半透明度的数值较小时，红外发射管Dl发射出的透过人体组织的光强度较强，光敏三极管导通，输出低电平。这样就形成了频率与脉搏次数成正比的低频信号，它是近似于正弦的波形。
当脉搏为40次/分时，检测到的频率是0.78Hz，当脉搏为40次/分时，检测到的频率是3.33Hz，从传感器过来的是低频信号。该低频信号首先经RC振荡器滤波以消除高频干扰，经无极性隔直流电容C3、C5加到线性放大器的输入端。运算放大器将
此信号放大100倍，并与R3、R4、C6组成的低通T型滤波器滤除残留的干扰。正弦信号经微分形成尖脉冲信号，单稳态振荡电路将尖脉冲信号转化为同频率的长脉冲信号，该脉冲信号通过R12送到单片机后，经过软件对信号的处理，最后在以数值形式显示在液晶上。
图 3-1 系统设计原理框图
3.2 信号采集电路
信号采集电路如图3-2所示。5MM红外对管D1与D3组成红外传感器。因红外传感器输出的脉冲信号是非常微弱的信号，而且频率很低（如脉搏50次/分钟为0.78Hz，200次/分钟为3.33Hz），并且还伴有各种噪声干扰，故该信号要经过R7、C5低通滤波，去除高频干扰。当传感器检测到较强的干扰噪音时，其输出端的直流电压信号会有很大变化。
图3-2 信号采集电路
3.3信号放大电路
如图3-3所示，R3与R8的电阻之比为放大器的放大倍数，经过计算所得该放大器的理论值为200倍，但由于8号接口上5V供压不足再加上材料限制和人为的因素，该放大倍数只有20倍左右。
图中C7为耦合电容，作用为隔直流通交流，之所以使用1uF的电容，是为了让所有的信号通过。信号放大电路仿真图如图3-4所示。
图 3-3 信号放大电路
3.4信号比较电路
电压比较器是一种常用的集成电路。它可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于V/F 变换电路、A/D 变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。我们主要介绍其基本概念、工作原理及典型工作电路，电压比较器是对两个模拟电压比较其大小并判断出其中哪一个电压高，接到的信号电压小于该值时显示0V，当大于该值时显示5V，这就形成了0和5V的方波。如图3-7 所示。
图3-7 电压比较器
3.5 LCD1602显示电路
LCD1602与单片机接口电路如下：
3.6 键盘电路
因为I/O口足够用，键盘设计采用线性键盘。三个引脚通过按键接地。有程序控制扫描。3个按键分别接到CPU的P30、P31、P32上，正常心率范围的设置，以便在超出限制时报警提示。
图 3-10键盘电路
第四章 系统软件设计
基于单片机心率计的软件设计主要由主程序流程图、中断程序流程图及显示子程序组成。C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而心率计的程序既有较复杂的计算（时间t内的平均值），又要求精细计算程序运行时间（动脉搏动时间），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。
4.1测量计算原理
设K个连续的动脉搏动所用时间为t（秒），在时间 t 内心率的平均值为n（次/分），则：
n = 60K/t (4-1) 为了能够控制用单片机计算机测定t值，我们利用脉动信号控制（在K个连续的脉搏周期内）单片机的定时/计数器T0定时（定时1ms中断一次），工作寄存器对中
断次数进行计数，然后读取计数值。设该计数值为N，于是有：
t = 0.001N (4-2) 把(2)带入(1)得到：
n = 60k/0.001N =60000K/N (4-3)
式(3)就是利用单片计算机测定心率值的数学模型（误差小于0.4%）。在该单片机系统中，K = 1~~9（用户可通过按键自行设置）。可测心率范围20次/分~~200次/分（N的范围：300~~30000）。
4.2主程序流程图
程序流程图如图4-1所示。程序初始化是单片机程序必需的，它的主要任务是确定中断入口地址和程序入口。然后显示全零，目的是为了区分是否有信号送入，当没有信号送入时，显示全零，则说明心率计没有正常工作，反之，则正常工作。
设计中比较重要的一部分是定时l00ms，它主要是为采样6s建立基础。系统运用定时器T1定时来实现100ms的定时，中断等待占用程序执行的绝大部分时间，是一个死循环语句，只有当中断满足条件时，才执行中断服务子程序，进行累加计数的结果，累加之后，判断采样的次数，如果采样未满60次，说明不到6 s，返回继续采样、等待中断，直到采样60次为止，之后把6s内采样得到的次数由二进制数转化为十进制数，送到液晶进行显示。
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基于单片机的心率计设计
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第一章 引言 ...................................................... 4
1.1 心率计的研究背景和意义 ....................................... 4
1.2 心率计的研究现状及发展动态 ................................... 4
第二章 方案论证及元器件选择 ...................................... 5
2.1 研究内容及设计指标 ........................................... 5
2.2 方案设计与论证 ............................................... 5
2.2.1 传感器的选择与论证 ....................................... 5
2.2.2 信号处理方案选择和论证 ................................... 7
2.2.3 单片机系统选择和论证 ..................................... 8
2.2.4 显示模块选择和论证 ....................................... 9
2.3元器件选择及其功能介绍 ........................................ 9
2.3.1单片机AT89S52 ............................................ 9
2.3.2红外传感器 ............................................... 11
2.3.3双运算放大器LM358N ...................................... 11
2.3.4 LCD1602 ................................................. 12
第三章 硬件系统设计 .............................................. 13
3.1 系统设计框图 ................................................ 13
3.2 信号采集电路 ................................................ 14
3.3 信号放大电路 ................................................ 15
3.4 信号比较电路 ................................................ 17
3.5 LCD显示电路 ................................................. 18
3.7 键盘电路 .................................................... 19
第四章 软件系统设计 .............................................. 19
4.1 测量计算原理 ................................................ 20
4.2 主程序流程图 ................................................ 20
4.3 中断程序流程图 .............................................. 21
4.4 定时器T0，T1的中断服务程序 ................................. 21
第五章 系统测试与结果分析 ....................................... 22
5.1 测试方法和仪器 .............................................. 22
5.2 仿真与焊接阶段 .............................................. 23
5.2.1 仿真阶段 ................................................ 23
5.2.2 焊接与完成阶段 .......................................... 23
5.3 测试数据与结果分析 .......................................... 25
5.3.1测量结果与分析 ........................................... 25
5.3.2几种主要系统干扰和影响 ................................... 27
结束语 .............................................................. 28
参考文献 ............................................................ 29 附录一：系统仿真图
附录二：系统原理图和PCB
附录三：源程序
基于单片机的心率计设计
摘要：在社会飞速发展的今天，人们的物质文化生活得到了极大的提高，但同时多种疾病威胁着人们的生命；而心脏病又是人们难以预防的突发致命疾病，所以健康也被越来越多的人所重视。本设计要解决的问题就是可以测量心率、预防心脏病等心脏方面疾病的数字心率计。
便携式数字人体心率计运用AT89S52单片机作为核心控制处理单元，采用红外传感器作为传感器，运用软件和硬件双重滤波技术实现了对人体心率信号的准确检测。测量范围限可以用按键调节，并进行声音报警，传感器可以放在身体脉搏明显的任何部位，测量结果以数字方式方式显示，测量精确到2次/分。经过大量实验，本心率计已经基本达到题目要求部分的全部指标。
关键字：心率计，红外传感器，单片机AT89S52，LM358
第一章 引言
1.1 心率计的研究背景和意义
伴随着全球科技与经济的飞速发展与进步，关爱生命与健康已成为人类的共同追求。心脑血管疾病是危害人类生命和健康的最主要的疾病。每年因心脑血管疾病致死的人数位居人类死亡总数的首位，耗费的医疗费用居高不下，给家庭和社会造成巨大负担[1]。近年来，由于饮食习惯不合理、生活节奏加快等原因，心脑血管疾病的发病率更是呈逐年上升的趋势。如何科学的降低心脑血管疾病的发病率和死亡率，有效的减轻心脑血管疾病带来的社会和家庭负担，已经成为全社会所面临的一个十分严峻问题。
今天，越来越多的人已认识到健康生活方式和疾病预防的重要性，对拥有日常家庭化和个性化的健康监测和疾病预防手段的需求也日益增大。在脉搏波研究方面，国内外已经出现了众多的技术和理论，基于现代医学技术，利用脉搏波对人体心血管健康进行无创检测的方法和仪器不断涌现。现在的任务是既要对脉搏波的检测分析及对心血管健康检测应用方面做进一步研究，研制一种面向家庭和社区医疗服务的，能够对人体动脉硬化的程度和其他心血管健康状况进行无创检测的仪器，让更多的人对自己的心血管健康状态进行及时的了解，对心血管疾病能够及早的发现和进行预防。
基于上述现状和背景，不难发现：心血管功能检测新技术、新方法的研究以及心血管功能监测类家用电子医疗保健仪器的开发已刻不容缓。它不仅能满足当前的医疗保健急需，也能为维持和发展我国家用数字医疗事业，为推行实施国家“家庭医疗保健工程”做出积极和长久的贡献[2]。
1.2 心率计的研究现状及发展动态
自上世纪80年代以来，基于血流动力流变学和弹性腔理论的无创伤血管功能检测方法的研究逐渐受到广泛的关注。很多不同学科的研究员与医学家合作，研究出各种应用型人体心率传感器，有单部、三部、液态水、子母式单点，多点，气压式、硅杯式、软性接触式、刚性接触式等，组成脉搏传感器的主要部件有压电晶体、单
晶硅、陶瓷应变片、光敏组件、pvdf压电薄膜等，其中以单部单点应变片式应用最为广泛。
到目前，用于评价大动脉的结构和方法已有很多。血管造影和其他造影技术等有创方法可精确评价动脉管腔或分心动脉壁结构。但是这些方法操作复杂，费用高昂，需要非常精密的技术设备，限制了其只能在大型临床研究中应用，另外，还有一些其他的无创方法，这些主要根据超声技术和计算机分析图像和超声信号，来研究某些动脉轴和位点的功能和结构，这些相对复杂的技术仅用于某些临床研究实验室。在无创方法中，脉搏波速度的检测已经在较长时间内广泛应用于评价动脉壁扩张性和硬度。该方法无创伤，操作简单、结果准确、重复性好，因此被广泛应用于大型治疗和流行病学研究当中，并且，该方法非常适合于向家庭和社区医疗服务推广。国外，诸如法国研制生产的康普乐仪、日本科林公司的动脉硬化检测仪等就是利用此种方法，并在欧美国家得到广泛的普及，国内也有医院引进了这种设备，但是价格昂贵[7][8]。国内也有多家单位开始了此类设备的研究，在2007年，也有类似的产品相继上市。但是，这些仪器均被应用在大型医疗机构中，成本高，检测费用高，功能局限于检测，不能满足患者随时随地的检测的需要。
第二章 方案论证及元器件选择
2.1 研究内容及设计指标
研究内容：
便携式数字人体心率计运用AT89S52单片机作为核心控制处理单元，采用红外传感器作为传感器，运用软件和硬件双重滤波技术实现了对人体心率信号的准确检测，最终以数值形式显示在LCD上。
本课题开发一款低功耗、便携式数字心率计，具体要求如下：
(1)实时显示被测者心率值，并显示；
(2)可用按键设置正常心率的范围，超过这个范围，进行报警提示。
2.2 方案设计与论证
2.2.1 传感器的选择与论证 (1)压电式
压电式传感器的检测方法是利用压力传感器或振动传感器将人体脉搏振动转换成电信号。常见的压力传感器可用现有的压电陶瓷代替。压电式元件的内阻极高，通常采用两片相同的元件，使其极性反向相叠，由夹在中间的铜片作为一个电极。这样，中央电极处于全空状态，可以用具有良好绝缘性的导线引出。此种方法的优点是传感器种类多，一般的传感器输出信号也比较大，对后面的放大电路要求不高。压电陶瓷具有成本低、取材方便、易于提高敏感度等特点。
(2)声电式
声电式传感器的作用是将气体、液体或固体中传播的机械振动转换成电信号。因此，它也属于力学量传感器。它的制作材料一般由不定性无烟煤颗粒或压电陶瓷构成。颗粒式声电传感器的优点是耐用、成本低和容易制作，缺点是颗粒的机械磨损和接触表面上的瞬间电弧会使颗粒逐渐老化，从而导致杂音大、性能不稳定和非线性；而压电陶瓷式的声电传感器在检测声音信号时却存在着一定的缺陷。
声电式检测方法是利用微音传感器将人体的振动的声音转换成电信号。此种方法的优点是作为传感器的微音传感器可利用现有的驻极体或电容式话筒，但其后面的电路要采取一定的措施将环境的声音干扰信号滤去。
(3)光电式
光电系统通常是指能敏感由紫外光到红外光的光能量，并将光能量转换成电信号的器件。通常用的光电器件有光电二极管和光电三极管。光电式传感器测量微小的位移变化有明显的效果，但是光电传感器对材料、电路控制和光电管属性要求较高：1）吸收红外光的能力极强2）介电常数小，以便得到大的输出电压。3）介电损耗小。
光电式检测方法是利用光电传感器检测人体内血液流动时对光的透过率或反射率不同而将其转换成电信号的方法。此种方法有两种方式：一种是对射式，另一种是反射式。对射式是在一个大小合适的环的两侧各放一个发射管和一个接收管，测量时将人的手指伸到环中，由于手指中的血流量的变化而使光电接收管的光电流也随之变化，反射式是光电发射与光电接收都指向一个方向，当人体内的血流发生
变化时其对光的反射率也随之变化，从而检测出心率。这种方法的优点是外界干扰信号小，但其最大的难点是传感器输出信号小，对后面的放大电路要求较高。此外，对于干扰变化强烈的信号，回路不宜调制，可视光电管的定向角不同，光轴也不宜把握。
综上所述，从传感器的制作工艺、材料的选取、受外界的干扰信号的干扰程度和制作过程中前级电路的处理难易程度上考虑，就选用一对红外对射二极管实现。
红外传感器的检测、放大、滤波和整型并传到单片机工作系统的过程见下图2-1所示：
图 2-1信号检测处理工作流程图
2.2.2 信号处理方案选择和论证
(1)小规模数字电路：采用小规模数字电路也可完成此方案的基本功能，
电路框图如图2-2所示。
图2-2小规模数字电路心率计
这种方案是采用一个二进制计数器，将处理后的脉波信号进行计数，在1分钟内将计数值显示。此方案的不足是电路结构复杂，实现一个相对简单一些的过程控
制功能都要用好多片电路，且数字电路器件功能单一，一旦硬件电路定型就难以改动，尤其在题目要求中，要实现心率测量并显示，还要超限报警等等，则显得力不从心。
(2) PLD：可编程逻辑器件(PLD)突破了小规模数字电路功能单一的缺点，可以按照设计者设计分析出来的逻辑要求去编程定义，应用起来确实方便，设计也比较灵活。针对题目要求，该方案应该至少由传感器电路、闸门电路、计数器电路、数字锁存电路、显示电路、数据存储电路、PC接口电路七部分构成，在闸门信号允许时间内对被测信号计数，闸门宽度为单位时间。显然电路复杂，一旦涉及到数据处理、数据分析、数据记忆、数据通信等功能要求时，其实现难度可想而知。
(3)单片机：单片机的发展和应用大家有目共睹，其体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点已经被默认。在科学计算、数据处理及信息管理、CAD、CAM、CAA、CAI、过程控制和仪表智能化、军事领域、多媒体系统和信息高速公路甚至家用电器和家庭自动化等方面都可以看到单片机的影子，可谓立下了汗马功劳。
单片机内部包含了CPU、RAM、ROM、I/O口、总线甚至A/D及D/A转换电路，功能十分强大。许多在数字电路、模拟电路中的难题都在单片机的程序设计中得到了出乎意料的解决效果，通过对程序和外部少许电路的修改即可以改变整个设计系统的功能。可移植性和可维护性得到极大的改善。在数据分析、处理、记忆、通讯等方面表现相当出色。根据题目提出的要求，单片机控制当为首选。以单片机为主外设显示器、键盘、通讯、打印接口等硬件电路，完成脉波计数、数据运算、显示、通讯、记忆等功能。
根据以上方案比较，本课题决定采用以红外传感器为传感器，以单片机为主控芯片外辅少量硬件电路完成数据处理、记忆、显示、通讯等功能。硬件框图如图2-3所示。
图 2-3单片机心率计
2.2.3 单片机系统选择
AT89C2051、AT89C51单片机是最常用的单片机，是一种高性能、低损耗、CMOS八位微处理器。AT89C2051与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容，而且能使系统具有许多新的功能，功能强、灵活性高而且价格低廉。AT89S52可构成真正的单片机最小应用系统，增加系统可靠性，缩小系统体积，降低了系统成本。程序长度只要不大于4K，四个I/O口全部提供给用户。系统运行中需要存放的中间变量较少，可不必再扩充外部RAM。采用AT89S52单片机，其内部有8KB单元的程序存储器。而且具有三个定时器，正好满足系统多机通信时所用。 比较以上方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用AT89S52。
2.2.4 显示模块选择和论证
(1)液晶显示
液晶单元是容性负载，液晶的电阻在大多数情况下可以忽略不计，是无极性的，即正压和负压的作用效果是一样的。液晶显示器件在直流电压作用下会发生电解作用，故必须用交流驱动，并且限定交流成分中的直流分量不大于几十mv；由于液晶在电场作用下光学性能的改变是依靠液晶作为弹性连续体的弹性变形，响应时间长，所以交变驱动电压的作用效果不取决于其峰值，在频率小于1000Hz情况下，液晶透光率的改变只与外电压的有效值相关。液晶显示
信息量大、长寿命、低压
驱动等优点。 (2)LED动态显示
数码管是一类显示屏 通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字能够显示 时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数。由于它的价格便宜 使用简单 在电器 特别是家电领域应用极为广泛，空调、热水器、冰箱等等。绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏与荧光屏。
数码管动态显示接口是单片机中应用最广泛的显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的八个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连起来，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机有字形码输出时，所有数码管都接收到相同的字形码。通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在动态显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于发光二极管的余辉效应及人的视觉暂留现象，实际上尽管数码管不是同时点亮，但只要扫描的速度很快，给人的印象就是稳定的显示数据，不会有感觉到闪烁，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
根据以上两种方案比较，液晶显示具有其独特的优越性，显示效果好，控制简单等优点。所以就选择液晶来实现显示功能。
2.3 元器件选择及功能介绍
2.3.1单片机AT89S52 (1)主要性能：
·8KB可改编程序Flash存储器（可经受1000次的写入/擦除周期） ·全静态工作：0Hz～24MHz ·三级程序存储器保密 ·128×8字节内部RAM ·32条可编程I/O线 ·2个16位定时器/计数器 ·6个中断源 ·可编程串行通道
·片内时钟振荡器
(2)功能特性描述：
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52的引脚结构如图2-4所示。
图2-4 AT89S52的引脚结构
2.3.2红外传感器
红外技术是在最近几十年中发展起来的一门新兴技术。它在科技，国防，和工农业生产等领域得到广泛的应用，特别是在科学研究、军事工程和医学方面起着极其重要的作用。例如在红外制导火箭、红外成像、红外遥感等。而红外辐射技术的重要工具就红外传感器，红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用。尤其是在实现远距离温度监测与控制方面，红外温度传感器以其优异的性能，满足了多方面的要求，因而在产品传感器大显身手的地方。因此红外传感器的发展前景也是不可估量的。本设计的心率计的传感器采用一对5MM的红外对管外辅少许电路所组成的红外传感器，红外对管是红外线发射管与光敏接收管，或者红外线接收管，或者红外线接收头配合在一起使用时候的总称。
红外线发射管在LED封装行业中主要有三个常用的波段，如下850NM、875NM、940NM。根据波长的特性运用的产品也有很大的差异，850NM波长的主要用于红外线监控设备，875NM主要用于医疗设备，940NM波段的主要用于红外线控制设备。EG：红外线遥控器、光电开关、光电记数设备等。
光敏接收管是一个具有光敏特征的PN结，属于光敏三极管，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流（暗电流）。此时光敏管不导通。当光照时,饱和反向漏电流马上增加，形成光电流,在一定的范围内它随入射光强度的变化而增大。
2.3.3双运算放大器LM358N
LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有使用运算放大器的可用单电源供电的场合。 特性:
● 低输入偏流 ● 内部频率补偿
● 直流电压增益高(约100dB) ● 单位增益频带宽(约1MHz)
● 电源电压范围宽：单电源(3—30V)；双电源(±1.5 一±15V) ● 低功耗电流，适合于电池供电 ● 低输入失调电压和失调电流 ● 共模输入电压范围宽，包括接地
● 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 ● 输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V) LM358的引脚结构如图2-5所示。
图2-5 LM358的引脚结构
2.3.4 LCD1602显示模块
1602 LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
管脚功能
1602
采用标准的16脚 接口，其中： 第1脚：VSS为电源地 第2脚：VCC接5V电源正极
第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。 第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。
第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。
第三章 硬件系统设计
3.1 系统设计框图
心率计的总体设计电路框图如图3-1所示，主要包括信号采集电路、放大电路、比较电路和单片机信号处理电路和液晶显示电路。先用红外传感器采集与心跳同频率的信号，当人体组织半透明度的数值较大时，红外发射管Dl发射出的透过人体组织的光强度很弱，光敏三极管无法导通，输出高电平；当人体组织半透明度的数值较小时，红外发射管Dl发射出的透过人体组织的光强度较强，光敏三极管导通，输出低电平。这样就形成了频率与脉搏次数成正比的低频信号，它是近似于正弦的波形。
当脉搏为40次/分时，检测到的频率是0.78Hz，当脉搏为40次/分时，检测到的频率是3.33Hz，从传感器过来的是低频信号。该低频信号首先经RC振荡器滤波以消除高频干扰，经无极性隔直流电容C3、C5加到线性放大器的输入端。运算放大器将
此信号放大100倍，并与R3、R4、C6组成的低通T型滤波器滤除残留的干扰。正弦信号经微分形成尖脉冲信号，单稳态振荡电路将尖脉冲信号转化为同频率的长脉冲信号，该脉冲信号通过R12送到单片机后，经过软件对信号的处理，最后在以数值形式显示在液晶上。
图 3-1 系统设计原理框图
3.2 信号采集电路
信号采集电路如图3-2所示。5MM红外对管D1与D3组成红外传感器。因红外传感器输出的脉冲信号是非常微弱的信号，而且频率很低（如脉搏50次/分钟为0.78Hz，200次/分钟为3.33Hz），并且还伴有各种噪声干扰，故该信号要经过R7、C5低通滤波，去除高频干扰。当传感器检测到较强的干扰噪音时，其输出端的直流电压信号会有很大变化。
图3-2 信号采集电路
3.3信号放大电路
如图3-3所示，R3与R8的电阻之比为放大器的放大倍数，经过计算所得该放大器的理论值为200倍，但由于8号接口上5V供压不足再加上材料限制和人为的因素，该放大倍数只有20倍左右。
图中C7为耦合电容，作用为隔直流通交流，之所以使用1uF的电容，是为了让所有的信号通过。信号放大电路仿真图如图3-4所示。
图 3-3 信号放大电路
3.4信号比较电路
电压比较器是一种常用的集成电路。它可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于V/F 变换电路、A/D 变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。我们主要介绍其基本概念、工作原理及典型工作电路，电压比较器是对两个模拟电压比较其大小并判断出其中哪一个电压高，接到的信号电压小于该值时显示0V，当大于该值时显示5V，这就形成了0和5V的方波。如图3-7 所示。
图3-7 电压比较器
3.5 LCD1602显示电路
LCD1602与单片机接口电路如下：
3.6 键盘电路
因为I/O口足够用，键盘设计采用线性键盘。三个引脚通过按键接地。有程序控制扫描。3个按键分别接到CPU的P30、P31、P32上，正常心率范围的设置，以便在超出限制时报警提示。
图 3-10键盘电路
第四章 系统软件设计
基于单片机心率计的软件设计主要由主程序流程图、中断程序流程图及显示子程序组成。C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而心率计的程序既有较复杂的计算（时间t内的平均值），又要求精细计算程序运行时间（动脉搏动时间），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。
4.1测量计算原理
设K个连续的动脉搏动所用时间为t（秒），在时间 t 内心率的平均值为n（次/分），则：
n = 60K/t (4-1) 为了能够控制用单片机计算机测定t值，我们利用脉动信号控制（在K个连续的脉搏周期内）单片机的定时/计数器T0定时（定时1ms中断一次），工作寄存器对中
断次数进行计数，然后读取计数值。设该计数值为N，于是有：
t = 0.001N (4-2) 把(2)带入(1)得到：
n = 60k/0.001N =60000K/N (4-3)
式(3)就是利用单片计算机测定心率值的数学模型（误差小于0.4%）。在该单片机系统中，K = 1~~9（用户可通过按键自行设置）。可测心率范围20次/分~~200次/分（N的范围：300~~30000）。
4.2主程序流程图
程序流程图如图4-1所示。程序初始化是单片机程序必需的，它的主要任务是确定中断入口地址和程序入口。然后显示全零，目的是为了区分是否有信号送入，当没有信号送入时，显示全零，则说明心率计没有正常工作，反之，则正常工作。
设计中比较重要的一部分是定时l00ms，它主要是为采样6s建立基础。系统运用定时器T1定时来实现100ms的定时，中断等待占用程序执行的绝大部分时间，是一个死循环语句，只有当中断满足条件时，才执行中断服务子程序，进行累加计数的结果，累加之后，判断采样的次数，如果采样未满60次，说明不到6 s，返回继续采样、等待中断，直到采样60次为止，之后把6s内采样得到的次数由二进制数转化为十进制数，送到液晶进行显示。