基于单片机的心率检测系统设计

目录

1.引言 (2)

2.系统基本方案 (2)

2.1.系统总结构 (3)

2.2.各个部分电路的方案选择及分析 (3)

2.2.1.脉搏传感器部分 (3)

2.2.2.单片机选择 (3)

2.2.3.显示部分 (4)

2.3.系统各模块的最终方案 (4)

3.系统硬件设计 (5)

3.1.单片机处理电路 (5)

3.1.1.STC89C51系列单片机的主要性能特点： (5)

3.1.2 .C51系列单片机的基本组成： (6)

3.2.复位电路 (9)

3.2.1.单片机复位电路 (9)

3.3.振荡电路 (10)

3.4.脉搏传感器部分 (10)

3.4.1.HK-2000A 集成化脉搏传感器 (10)

3.4.2.脉搏传感器接收电路 (12)

3.4.3 .电源电路 (12)

3.5显示报警部分 (13)

3.5.1.数码管显示电路 (13)

4.系统软件设计 (14)

4.1 主程序流程的设计 (14)

4.2 定时器/计数器中断程序流程的设计 (15)

4.3 显示程序流程的设计 (16)

5.总结 (18)

参考文献 (19)

1.引言

心率是最为常见的临床检查与生理研究的生理现象,且包含两个人类生命的重要信息，那就是血管和心脏的生理状态。人体各器官的健康状况、疾病等信息将以某种方式出现在脉冲的脉冲条件。许多有诊断价值的信息，比如有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息，我们可以通过对脉搏波检测脉冲图包含大量的诊断价值信息,也可以用来预测一些身体器官结构和功能的转变趋势, 通过对脉搏的检测可以对如高血压和糖尿病等引起的血管病变进行评估。同时脉搏测量还为血压测量，血流测量及其他某些生理检测技术提供了一种生理参考信号[1]。

在医院临床护理和日常的中老年保健中,脉搏是一个基本的生活指数,因此脉搏测量是最常见的生活特征提取。近年来在日常监护测仪器,如便携式电子血压计,可以完成脉冲测量。但是这种便携式电子血压计利用微型气泵压力橡胶气球,每次测量都需要一个压缩和解压缩的过程,有体积庞大、脉搏检测的精确度低、加减压过程会有不适等等的不足。

人类心室周期性的收缩和舒张，导致主动脉收缩压和舒张压，使血流压力可以能够以波的形式从主动脉根部，就开始沿着人体整个动脉系统流动，这种波称为脉搏波。脉搏波所呈现出的不同强度、各种形态、速率不一和跳动节律等方面的综合信息,在很大程度上反映出人体心血管系统血液流动在许多生理和病理特点。

本设计使用系统使用HK - 2000集成传感器转换电压脉冲信号,脉冲信号调节使用后AT89S51单片机对信号采集和处理,在很短的时间内,测量人体每分钟的脉搏数,和心率实时显示,便于携带。达到的目的, 快速、方便、准确地测量心率。脉搏测量系统性能好,结构简单,性价比高,稳定的输出显示,更适应流行,适合家庭每天自我反省和医院护士的临床记录。

2.系统基本方案

心率检测系统的设计，一定要通过收集脉搏的跳动变化反映出人体的生物的信号，然后生物信号转变成物理的信号，能使物理信号表达人体的心率变化，最后要的出每分钟的心跳频率，就一定需要相应的硬件电路及芯片来处理物理变化

并储存心跳的次数。

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及显示电路部分。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

2.1.系统总结构

心率监测系统的变换原件传感器，把采集到心脏跳动的红外光转换成电信号，用电子仪进行测量和显示装置。本系统的组成包括信号处理系统、传感器、数码显示、电源、单片机电路等部分。信号处理电路主要处理光电传感器采集到的低频信号的模拟电路（包括放大、整形、滤波等）。单片机电路利用单片机自身的定时中断计时功能对输入的脉冲电平进行运算得出心率（包括外部晶振、外部中断、AT89C51等）。电源电路向信号处理器、传感器和单片机提供电源，可以是直流或交流的稳压电源[2]。

2.2.各个部分电路的方案选择及分析

2.2.1.脉搏传感器部分

传感器通常又称为转换器或者换能器等。脉冲传感器是脉冲探测系统的重要组成部分,它的基本功能是利用脉冲压力和径向脉冲压力,将一些物理量(非电量)转换成为电能的容易测量。脉冲传感器精度、灵敏度、抗干扰和安装方法决定了脉冲测量精度,因此选择整个设计有决定性的作用。

本设计中，采用HK-2000A 集成化脉搏传感器，HK-2000A 集成化脉搏传感器采用高度集成化工艺将灵敏度温度补偿元件、力敏元件(PVDF压电膜)、信号调理电路、感温元件集成在传感器内。利用压电式原理采集信号，并进行模拟信号输出，然后输出同步于人体的脉搏波动的脉冲信号，若脉搏波动一次就能输出一正脉冲。该产品可用于脉率检测，如运动或者健身器材设备中的心率测试。2.2.2.单片机选择

51单片机是目前所有兼容英特尔8031单片机的指令系统的一个统称。该系列单片机的最初是英特尔8031单片机,然后闪速存储器技术的发展,8031单片机不仅取得了很大的进步,并成为最广泛使用的8位微控制器,其代表模型是ATMEL 公司的AT89系列,广泛应用于工业测控系统。现如今很多公司推出了兼容模式的51系列,目前在很长一段时间,在未来会占据一个大市场。51单片机是适合初学

者入门的一个单片机，同时也是目前应用最广泛的一种单片机[3]。

51单片机是由英特尔公司生产制造的。它具有结构简单，价格便宜，易于开发的特点。通用型，有总线扩展，有较强的位处理功能，有全双工异步串行通信口。但是其功能相对较少，访问外部数据有瓶颈，作电压范围窄。

本设计中，单片机只需要对脉搏信号的波动频率进行测量、计算和显示，对单片机的要求不是很高。而对51单片机，本人比较熟悉，所以，本设计中选择51单片机作为信息处理中心。

在51系列单片机中，AT89系列单片机是美国ATMEL公司推出的一种新型高性能低价位、低电压低功耗的8位CMOS微型计算机。AT89S51就是其中一款，它可以完全满足本设计的设计要求，而且，AT89S51的价格较低。

2.2.

3.显示部分

根据题目要求，设计出来的系统是可以设定报警的范围的。对显示部分采用以下方案：采用数码管。数码管具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，简单方便等特点。

2.3.系统各模块的最终方案

根据以上分析，结合器件和设备等因素，确定如下方案：

1）采用STC89C51单片机作为控制器，分别对输入、显示、信号的处理和控制。

2）传感器部分采用光HK-2000A 集成化脉搏传感器，该器件结构简单、可靠性高、抗干扰能力强。

3）显示用数码管显示实时脉搏数和蜂鸣器报警上下限数值。

系统的基本框图如下图2.1所示。

图2.1设计框图

3.系统硬件设计

3.1.单片机处理电路

单片机处理电路如图3.1所示

STC89C51

单片机

图3.1单片机处理电路

3.1.1.STC89C51系列单片机的主要性能特点：

STC89C51系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令代码与传统8051单片机完全兼容[4]。

MCS－51的主要特点为：

◆CPU为8位；

◆数据存储器的片内带128字节；（RAM）

◆片内带振荡器，频率范围为1.2~12MHz；

◆程序存储器的寻址空间为64KB；（需要扩展ROM）

◆片内带4KB的Flash程序存储器；（ROM）

◆用户位寻址空间128位（16字节）；（在128个字节中）

◆片外数据存储器的寻址空间为64KB；（需要扩展RAM）

◆4个8位的并行I/O接口：P0、P1、P2、P3；

◆2个16位定时器/计数器T0、T1；（MCS-52子系列为3个，T2）

◆2个优先级别的5个中断源；（高、低2个）

◆18个字节特殊功能寄存器SFR（MCS—52子系列为21个）；

◆片内采用单总线结构；

◆1个全双工的串行I/O接口，可多机通信；

◆有较强的位处理能力；

3.1.2 .C51系列单片机的基本组成：

图3.2框图

图3.3 DIP 管脚图

AT89C51与51系列中各种型号芯片的引脚互相兼容。目前多采用40只引脚双列直插，如图3.3所示[15。

引脚按其功能可分为如下3类：

①电源及时钟引脚—－VCC 、VSS ；XTAL1、XTAL2；

②控制引脚—－/RST VPD 、/ALE PROG 、PSEN 、和/EA VPP ；

③I/O 口引脚——P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O 口。

1）电源引脚

VSS （20脚）：接地，0V 参考点。

VCC （40脚）：5V 电源。【提供掉电、空闲、正常工作电压】

图3.4总线分布

2）外接晶体引脚

XTAL1（19脚）：接外部晶体振荡器的一端。当使用芯片内部时钟时，此脚用

于外接石英晶体振荡器和微调电容；当使用外部时钟时，对于HMOS单片机，此引脚接地；对于CMOS单片机，此引脚作为外部振荡信号的输入端[6]。

XTAL2（18脚）：接外部晶体振荡器的另一端，当使用芯片内部时钟时，此脚用于外接石英晶体振荡器和微调电容。当使用外部时钟时，对于HMOS单片机，此引脚接外部振荡源；对于CMOS单片机，此引脚悬空不接。

89C51晶体振荡器频率可在6MHZ～40MHZ之间选择，常选6MHz或12MHz的石英晶体。电容的值没有严格要求，但其取值对振荡器的频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度稍有影响，C1、C2可在20pF~100pF之间选择。当外接晶体振荡器时，电容可选30pF±10pF；外接陶瓷振荡器时，电容可选40pF±10pF。3）控制信号或与其它电源复用引脚

（1）/

RST VPD（9脚）：复位端。当输入的复位信号持续2个以上机器周期（12个晶体振荡周期）高电平即为有效，用于完成单片机的复位初始化操作。正常工作时，此脚电平应≤ 0.5V。

在VCC发生故障、降低到电平规定值掉电期间，此引脚可接备用电源VPD（电源范围5V±0.5V），由VPD向内部RAM供电，以保持内部RAM中的数据。

ALE PROG（30脚）：地址锁存使能。

（2）/

ALE（Address Latch Enable）；PROG（Program）

ALE PROG为CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器提供地址锁存信/

号，将低8位地址锁存在片外的地址锁存器中。

/

ALE PROG引脚第二功能，对片内 Flash编程，为编程脉冲输入端。

（3）PSEN（29脚）：（Programmer Saving ENable），外部程序存储器读选通信号。

在读外部程序存储器时有效（低电平），以实现外部程序存储器单元的读操作。

在访问外部数据存储器、访问内部程序存储器时PSEN无效。

EA VPP（31脚）：（Enable Address/Voltage Pulse of Programming）（4）/

访问程序存储控制信号。

EA VPP＝“0”时，表示读外部程序存储器。

当/

只读取外部的程序存储器中的内容，读取的地址范围为0000H～FFFFH （64KB），片内的4KB Flash 程序存储器不起作用。

EA VPP＝“1”时，表示对程序存储器的读操作是从内部程序存储器开当/

始，并可延至外部程序存储器。

在PC值不超出0FFFH（即不超出片内4KB Flash存储器的地址范围）时，单片机读片内程序存储器（4KB）中的程序，但当PC值超出0FFFH （即超出片内4KB Flash地址范围）时，将自动转向读取片外60KB（1000H-FFFFH）程序存储器空间中的程序。

对于EPROM（或FLASH）型单片机，在EPROM编程期间，此引脚需加12.75V 或21V的编程电压。

3.2.复位电路

3.2.1.单片机复位电路

图3.5 单片机复位电路图

时钟电路工作后，在REST管脚上加两个机器周期的高电平，芯片内部开始进行初始复位（如图3.5）。

3.2.2.测试复位电路

200R电阻

图3.6 测试复位电路图

单片机程序里通过检测该口，判断是否有按键按下，如按下开始计数工作，如一直未按则一直在此等待如图3.6。

3.3.振荡电路

11.0592MHz晶振

图3.7 振荡电路图

本设计晶振选择频率为11.0592MHz，电容选择30pF如图3.7。经计算得单片机工作机器周期为：

11.0592×（1÷11.0592M）=1us。

3.4.脉搏传感器部分

3.4.1.HK-2000A 集成化脉搏传感器

HK-2000A 集成化脉搏传感器采用高度集成化工艺将灵敏度温度补偿元件、力敏元件(PVDF压电膜)、信号调理电路、感温元件集成在传感器内。利用压电式原理采集信号，并进行模拟信号输出，然后输出同步于人体的脉搏波动的脉冲信号，若脉搏波动一次就能输出一正脉冲。该类产品将可作用于心率检测，如健身器材，运动设备中的心率测试。

图3.8HK-2000A 集成化脉搏传感器

图3.9波形图

主要特点：

过载：100 倍

模拟脉冲信号输出

压力量程：-50～+300mmHg

性能可靠稳定，使用寿命长

灵敏度比较高

过载能力相对较大

抗干扰性能力非常强

一致性比较好

技术指标：

? 电源电压：3～12V DC

3.4.2.脉搏传感器接收电路

图3.10脉搏传感器接收电路

HK-2000A 型脉搏传感器利用输出方波并传入单片机内，然后单片机在每接收到一个脉冲波形，数码管就会产生一次计数，直到一分钟之后，计时结束，单片机才会停止信号接收，同时数码管计数也会停止，但要是需要重新计数，只需要再次按下测试按键开关即可。脉搏传感器内输出的波形非常清晰，切比较完整，信号波形就没必要在进行放大以及调整。但3个接口位置需要注意脉搏传感器。分别是如图3.10所示：黑线1号接地，黄线2号接单片机，红线3号电源。

3.4.3 .电源电路

红色线

黄色线

黑色线

USB电源接口

图3.11电源电路

采用USB电源接口，电容的作用是滤波，从外界进来的电流，电压可能不

稳定，接上电容是为了保证后面的电路电压相对稳定，为方便指示电源工作状态，电源接通时LED灯亮，表示器件开始工作。

3.5显示报警部分

3.5.1.数码管显示电路

8550 PNP三

极管

图3.12数码管电路

数码管DS1~DS3、R12~R21、VT1~VT3、等组成数码显示电路。本次系统显示

的方式设计采用动态扫描，采用共阳数码管完成， P3.3-P3.5口作三个数码管

的动态扫描位驱动码输出，通过三极管驱动数码管。P1.0-P1.6口作数码显示七

段笔划字形码的输出，用以驱动数码管的各字段。因为单片机的端口输出电流能力低，无法直接驱动那些器件，故增加三极管加大功率 ，驱动数码管工作。如图3.12所示。

3.5.2报警电路

图3.13(LED 灯与蜂鸣器电路)

根据医学数据，人体脉搏正常在60到120之间，当数码管所显示的示数大于120时LED 红灯亮，蜂鸣器响应报警；示数小于60时LED 黄灯亮，蜂鸣器响应报警；示数大于120时小于60时，LED 绿灯亮，蜂鸣器不响。因为单片机的端口输出电流能力低，无法直接驱动那些器件，故增加三极管加大功率 ，驱动蜂鸣器工作。

4.系统软件设计

4.1 主程序流程的设计

本程序的主要思路是，利用单片机的两个定时器/计数器，得出一分钟的脉搏数，最后送LCD 显示。流程如图4.1所示。 8550 PNP 三

极管 蜂鸣器

1K 电阻

红色LED 灯 红色LED 灯 绿色LED 灯

图 4.1 主程序流程图

4.2 定时器/计数器中断程序流程的设计

T0是定时器，T1是计数器。T0,T1中断请求来自于输入单片机中频率为1Hz 的脉冲信号。T0中断开始执行后，检测T1代表的时间是否大于60S，没有大于60S则继续检测，大于60S则关T1,T0中断，然后设计数结束的标志为1。T1中断采用边沿触发方式，当处于测量状态的时候来一个脉冲，脉搏次数就加一，由T0定时一分钟，累加得出一分钟的脉搏次数。T0，T1流程分别如图4.2，图4.3所示。

图4.2 T0中断程序流程图

图4.3 T1中断程序流程图

4.3 显示程序流程的设计

本次设计LCD1602显示的内容是被测量者一分钟的脉搏次数。设置的动态显示方式是显示的内容在屏幕上从左向右移动。从中断程序中取得结果后，显示测试中的脉搏次数。在液晶屏的第一行将显示出字符“your pulse is：”,在第二行显示出脉搏数。其数据口为P0口。

sbit RS = P2^5; //H数据，L指令

sbit RW = P2^6; //H读，L写

sbit E = P2^7; //片使能信号，控制其工作。#define LCD_Data P0 //数据口

流程如图4.4所示。

图4.4 显示程序流程图

5.总结

本设计主要是51单片机在脉搏测试系统中的应用。重点介绍了单片机的最小系统，通过单片机最小系统实现了脉搏的测量系统，由压电传感器采集到脉冲信号，经过信号的放大、滤波和整形电路将输出的信号通过单片机的外部中断获取并液晶屏上显示。利用单片机自身的定时中断、外部中断、计数等功能，不仅能显示出此次脉搏测量的次数，还能自动储存这个数据。

本次所设计的测量仪系统实现简单、功能稳定、使用方便，应用广泛，具有实际意义。由于时间比较短，同时本人掌握的知识有限，本次设计虽已完成，但其中有很多不足，如程序不够简练，压电传感器灵敏度不够高，液晶屏显示部分不够完美等，同时此次设计的测量仪功能比较单一，没有如语音系统实现自动读出脉搏次数等人性化功能，且在设计过程中使用的运放数量也较多，加大了电源管理的复杂度。然而科技的进步势必会使测量仪的功能日益强大和完善，其应用领域将不断扩大，将会给我们的生活带来更多的方便和精彩。

为了更好的进行基于单片机的人体脉搏检测系统的设计，在近一个学期的时间里，认真收集有关资料，并做相关的整理和阅读，为这次的设计做好充分的准备。经过这次毕业设计，我收获了很多，通过此次的设计，使我知道了无论做什么事都应该事先做好充分的准备，不应该盲目的只为了完成任务而被动的学习。同时使我了解了脉搏测量仪在国内外发展之迅速、应用领域之广、市场前景之大。也使我对硬件设计和各模块的功能有了更深的了解，同时提高了动手能力。让我体会到坚持不懈的毅力对完成一件事情起着巨大的作用。最后使我深刻的体会到团队合作精神的重要性及相互讨论过程中的乐趣。

参考文献

[1] 刘云丽,徐可欣等.微功耗光电式脉搏测量仪.电子测量技术.2005.第二期

[2] 杨国忠．生物医学工程的过去、现在和未来[J]．世界医疗器械，1995，1(1).

[3] 欧阳俊.基于BL-410 的指端脉搏波采集系统应用研究.2004.第11卷第2期

[4] 彭承琳．生物医学传感器原理及应用[M]．高等教育出版社，2000．

[5] 任为民.电子技术基础课程设计. 中央广播电视大学出版社.1997年5月第1版

[6] 刘文，杨欣，张铠麟．基于AT89C2051单片机的指脉检测系统的研究[J]．医疗装备，2005，9：2-14．