基于MSP430的心率检测系统硬件设计
基于MSP430和压电传感器的人体心率检测系统设计
文章 编 号 ：１ ０ ０ ９ － ０ １ ３ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ８ （ 上） － ０ ０ ８ ８ — ０ ２ Ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ Ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ －０ １ ３ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ８ （ 上） ． ２ ７
组 成 测 试 系 统 ，系 统 硬 件 结 构 如 图 １ 所 示 。通 过
ＡＤＣ１ ０ 片 上 温 度传 感 器 采 集温 度 ，就 可 以在数 码 管上 显示 。同时 Ｓ Ｃ ０ ０ ７ ３ 压 电陶瓷 传 感 器采 集 的信 号 经 滤 波 和放 大 后 与 设 定压 力 阈值 进 行 比 较 ，对
素 ，不便 于长 时 间携 带 ，无法长 时 间检测 。
为 便 于 长 时 间 携 带 ，本 系统 腕 式 结 构 设 计 。
为 满 足 这 一 要 求 ，本 文 采 用压 电 陶瓷 片 采 集 脉 搏 信 号 ，由于心 脏 的搏 动 ，人 体腕 部的脉 压 波动相 对
明显 ，当脉搏 跳动 时 ，压 电陶瓷 片检 测到 相应 的信
脏 有 问题 的人 ，心 率 是 一个 非 常 重 要 的参 数 。 因 此 ，心 率 的精 确 检 测具 有重 要 意 义 ，本 文采 用 基
于 压 电 陶瓷传 感 器 和超 低功 耗 的ＭＳ Ｐ ４ ３ ０ 单 片机 的 小型便 携式 心率 采集 系统 。
率 测 试 部位 的要 求 不 一 。常 见 的基 于 红 外 原 理 的 传 感 器 ， 主要 依 靠 红 外 检 测血 流压 力 波 动 信 号 ，
图 １ 系统 结 构 图
号 。若 传感 器放 置腕部 ，传感 器检 测压 力波信号 和 进 行预 处理 ，再 进行 整形转 换为 脉冲 信号 ，然 后计
基于MSP430FG439的心率测量仪设计
人体心电信号的频率比较低，频谱范围为0.05～250Hz。
（3）不稳定性
人体与外界有密切的联系，内部各器官间存在相互影响，所以，无论来自外部或内部的刺激，都会使使人体心电信号发生相应的变化。因此，在对心电信号进行测量、分析和处理时，应该注意到它是随时间变化的信号，应按其频谱特性，选择适当的放大系数和显示记录装置。
1.1.2
通过做该课题可以学习掌握心率测量的原理、方法、实现过程；掌握嵌入式系统的设计调试过程；学会相关EDA软件开发工具、专用集成开发平台的使用；能较全面融合电路、电子技术、信号采集与处理、程序设计等大学四年所学知识。这有助于我电气自动化知识的深入理解、巩固电子学基础，同时能理论联系实际提高自己的动手能力。
用体表电极测量的心电信号幅度值范围为10uV－4mV(典型值1mV)，频率范围为0.05Hz－250Hz。不同导联方式会记录到不同的心电图，在波形上也有所不同，但基本上都包括一个P波、一个QRS波群和一个T波，有时候在T波后，还出现一个小的U波。P波代表左右两心房去极化过程的电变化波形，历时0.08－0.11s，波幅不超过0.25mV。QRS波群代表左右两心室去极化过程的电位变化。典型的QRS波群，包括三个紧密相连的电位波动，第一个向下的波为Q波，以后是高而尖峭的向上的R波，最后是一个向下的S波。在不同的导联中，这三个波不一定都出现。正常的QRS波群历时约0.06s－0.10s，代表心室肌兴奋扩散所需的时间，各波波幅在不同导联中变化较大。T波反映心室复极化过程中电位变化，波幅为0.1－0.8mV，历时0.05s－0.25s。对正常人的心电图进行频谱分析，得到QRS波的80Hz－100Hz的谐波分量总和在在幅度上仅仅占R波幅值的3％以下，100Hz以上的谐波分量更微弱。QRS的中心频率在12Hz－18Hz范围内。
基于MSP430G2553便携式脉搏测试仪的设计
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图1
三、系统软件设计 （ 一） 程序流程图。（ 见图 2） （ 二） 软件系统设计图。本源代码是基于 TI 的 16 超低 功耗 位 单 片 机 MSP430G2553 而 开 发 的，采 用 片 内 时 钟 1MHZ，显 示 部 分 采 用 市 面 上 常 见 的 液 晶 QC12864， MSP430G2553 与 QC12864 通过串口通讯，我们采用锂电池供 电，程序上电后，立即进入系统初始化，初始化代码主要包含 端口初始化，有 些 口 线 用 着 输 入，有 的 用 着 输 出。 有 些 输 出 高电平，有些输 入 低 电 平。 然 后 是 定 时 器 初 始 化，因 为 在 脉 搏测试仪工作的时候，我们总是测试一分钟后才给出测试结 果，而且在测试开 始 后 的 第 十 秒，我 们 会 对 初 步 的 测 试 结 果 做一个判断，如果这 10 秒内的测试结果是合理的，我们则继
图2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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四、评测与结论 （ 一） 系统测量原理。随着心脏的跳动手指尖的微 血 管 发 生 相 应 的 脉 搏 的 容 积 变 化 ，光 发 射 电 路 发 出 的 特 定 波 长 的 光 透 过 手 指 到 光 电 器 件 ，此 过 程 被 检 测 生 理 量 （ 人 体 的 脉 搏 ） 转 换 成 光 信 号 ，通 过 光 电 器 件 转 换 为 电 信 号 ，送 入 前 级 放 大 电 路 将 信 号 适 当 放 大 ，经 过 滤 波 电 路 除 去 其 中 的 噪 声 得 到 需 要 频 率 范 围 内 的 信 号 ，再 将 脉 搏 信 号 进 行 放 大 和 后 级 的 处 理 ，通 过 示 波 器 显 示 出 来 ，进 一步进行观测。 （ 二） 测试方案及条件。 1． 测试仪器。数字万用表、数字示波器、秒表。 2． 测试主要方案。目前脉搏波检测系统有以下几种检 测方法： 光电容积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式 脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。近年来，光电检测技术 在临床医学应用中发展很快，这主要是由于光能避开强烈的 电磁干扰，具有很高的绝缘性，且可非侵入地检测病人各种 症状信息。用光电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生物 医学仪器工作的专家和学者的重视。本系统设计了指套式 的透射型光电传感器，实现了光电隔离，减少了对后级模拟 电路的干扰，结构如图 3 所示。
基于MSP430单片机身体体征参数测定
电子设计大赛设计报告题目身体体征信号监测仪（C题）【本科组】组员：指导老师：摘要本身体体征信号监测仪是以MSP430单片机为控制核心，实现智能监测人体参数的多功能控制。
主要功能包括在自己设定的参数范围下，利用传感器采集人体物理参数实现自主测量、利用无线传输数据，当身体体征参数超出正常范围时能发出警示信号，并借助数据传输和通信平台紧急通知值班医生和亲朋好友，采取救治措施。
关键词 MSP40单片机、传感器、无线通信、报警目录摘要1系统方案1.1 单片机控制模块选择1.2 体温监测模块选择1.3 心率测量模块1.4 电源模块1.5 报警模块1.6 显示部分1.7 无线传输部分2系统理论分析与计算2.1 整体系统结构2.2 理论计算2.2.1 体温计算2.2.2 心率计算2.3 模块框图及电路原理 2.3.1 温度模块2.3.2 心率模块2.4 测试方案与测试结果 2.4.1 体温测量方案2.4.2 心率测量方案3 测试结果及分析3.1 体温测量结果3.2 心率测量结果身体体征信号监测仪（C题）【本科组】一系统方案本系统主要是由控制模块、体温监测模块、心率监测模块、呼吸频率检测模块、电源模块、报警模块及显示模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1 单片机控制模块选择方案一：使用51单片机作为控制器方案二：使用MSP430单片机作为控制器对于方案一，众所周知51单片机是一款入门级别单片机，因为它的资料非常多，非常利于入门的学习，但是这款单片机功耗高，有许多协议不支持。
所以是一块比较适合入门的单片机。
51单片机实物图所以，对于初学者和设计简单系统51单片机确实很理想的选择，但51单片机有很多致命的缺陷，例如1. 运行速度很慢，（因为是CISC（集中指令）结构，而且芯片为了抗干扰采用了12分频的方法）2. 所有的I/0口都是准双向口，I/0口的驱动能力弱。
（但是AT89的灌电流比较大，大概有20mA左右）3. 芯片里面的P0口没有上拉电阻（P1,P2,P3口有上拉电阻）如果要输出高电平或者要定义成输入口，一般要外接电阻上拉。
基于MSP430的心电采集系统
增益，Rg动态范围很大。
心电信号经过放大后仍需要二次放大，其电路采用普通的同相比例放大器经过二次放大后，所得信号可达4~5V.为消除50Hz工作频率的影响，采用传统的陷波器，抑制50Hz噪声。
陷波器有两种：一种是使用双由双T网络和运放组成；另一种是由带通滤波气和相加器组成。
文中使用的是带通滤波器和相加器构成的陷波器，如图2所示。
图2带通滤波器和相加器构成的陷波器U1信号加入进带通滤波器，使用双踪示波器观察U1和U2波形，调节滑动变阻器使得U2处50Hz信号最大，带通滤波器中心频率为50Hz,U1和U2信号等幅度反相位，信号U2进入加法器，微调变阻器使U3输出接近为零，抑制50Hz信号，这就完成了50Hz陷波。
由于模拟电路噪声的存在，50Hz仍然有微弱输出，可以通过数字滤波进行消除。
图3是50Hz陷波以后示波器观察的心电信号。
图4是50Hz陷波以后示波器观察的脉搏信号。
陷波以后的信号一路送往报警电路，一路送往单片机，进行采样处理。
图3心电信号图8单片机程序流程图使用定时器模拟串口通信协议，产生波特率9600bit·s-1.由于是16位A/D,每次传送8位到计算机，分两次传输，先传送高8位，然后传送低8位，采样率为64Hz。
3实验结果和PCB设计数据通过串口发送到计算机，没有数字滤波之前使用Matlab仿真现显示的波形如图9所示。
图9心电波形与正常电信号相比滤波之后能够反映出心脏的基本工作状况。
南于是数模混合电路，PCB 插卡的设计和调试较重要，数字地和模拟地应分开且单点连接。
CPLD和液晶在试验基板上，插卡只是整个大系统的一小部分。
4基于LabVIEW上位机设计设计了基于LabVIEW的上位机界面，LabVIEW是一种图形化程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但LabVIEW与其他计算机语言的显着区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用图形化编辑的G语言编写程序，产生的程序是框图形式。
基于MSP430的改进型心电仪
基于MSP430的改进型心电仪摘要：本心电系统采用MSP430F149单片机为核心器件实现对放大的心电信号进行处理。
该系统的实现过程是先将采集到人体小的心电信号用仪表放大器进行放大，再进行高通、低通滤波，然后经过线性光耦TIL300进行信号隔离（改进的关键），最后将放大的心电信号输入MSP430F149单片机进行采样、数字滤波（虑除50Hz工频干扰）、LCD心电波形显示（或24C64存储、LCD回放波形、心率测量），还可以用此单片机控制DS1820进行体温测量。
此系统除LCD外，所有的芯片都是低功耗的（包括MSP430F149、仪表放大器INA128、OPA2604、OPA2132等），故可以作为便携仪器。
与以前没有用线性光耦进行信号隔离相比在噪声的处理上有了很大的改进。
关键词：线性光耦，数字滤波，放大器主题：心脏跳动产生的电信号，使身体不同部位的表面发生电位变化，将其记录下来即可得到心电图（Electrocardiogragh,ECG）。
人体心电信号的幅值约为20微伏―5毫伏，频带宽度为0.05――100Hz，心电信号源阻抗为1―50 千欧。
这三组基本参数是设计心电仪的主要依据。
相对于环境干扰，心电信号是非常微弱的，因此本系统设计的关键和难点在于抑制噪声，为防止前后电路间的信号干扰可以加信号隔离电路。
其主要原理如下：此系统硬件包括6大模块，分别是前置放大、滤波网络、后级放大、信号隔离、数字处理、波形显示。
各模块原理分别介绍。
一、前置放大。
前置放大电路是以TI公司的INA128仪表放大器位核心，其内部原理如图四所示。
INA128的主要特点是低漂移电压，高共模抑制比（120DB），宽供电范围（2.25――18V），并具有输入脚电压保护功能（40V）。
INA128的外部电阻设定脚上接入了不同阻值的电阻，可以完成1――10000放大倍率的设定，其带宽在增益Av＝100时，达到OPA组成右脚驱动电路来200kHZ,具有高增益带宽积。
基于MSP430的心率检测系统硬件设计
基于MSP430的心率检测系统硬件设计The hardware circuit design of heart_rate detecting system base on MSP430摘要基于红外检测和MSP430单片机主控的便携式心率信号测试仪，采用红外对管和指脉测量原理采集人体心率信号，经放大、滤波、整形等信号调理，至单片机主控单元，对心率信号进行分析、处理，并通过LCD显示和语音提示，实现智能心率检测。
关键词：指脉测量；信号调理；心率检测。
Abstract The portable cardiotach ometer which base on infrared detecting and besubject to MSP430 single-chip microcomputer ,use the principle of infrared and thumb-pulse measure to detec heart-rate signal. The signal be treat with magnified, filter,Plastic etc. The main control unit of SCM process and analysis the heart-rate signal,Intelligent heart-rate detecting be realized by LCD display and voice clew.Key: Thumb-pulse measure; Signal process; Heart-rate detecting.目录1. 概述2 方案论证 .......................................................................2.1 传感器方案论证 ...........................................................2.2 前置放大器方案论证 .......................................................2.3 低通滤波器方案论证 .......................................................2.4 后级放大器方案论证 .......................................................2.5 整形电路方案论证 .........................................................2.6 心率信号处理方案论证 .....................................................3 整体方案设计 ...................................................................4 单元电路设计 ...................................................................4.1 传感器电路设计 ...........................................................4.2 前置放大器电路设计 .......................................................4.3 低通滤波器电路设计 .......................................................4.4 后级放大电路设计 .........................................................4.5 整形电路设计 .............................................................4.6 心率信号处理电路设计 .....................................................5 电路测试与数据分析 .............................................................5.1 测试仪器 .................................................................5.2 测试方法 .................................................................5.3 测试数据 .................................................................6 问题及处理 .....................................................................结论 ..........................................................................致谢 ..........................................................................参考文献一、概述统计表明，由心脏引发的多种突发性疾病，严重影响人们的身体健康。
基于MSP430F169的人体心率检测系统
基于MSP430F169的人体心率检测系统参赛队员：李培 李荣金 王德刚 年级： 光信息科学与技术0501 指导老师：李天博 陈坤华 学校：江苏大学 机械学院【摘 要】 介绍了一套基于MSP430F169的人体心率检测系统，给出了系统软硬件设计方法。
完成对人体心电波形的实时检测，存储和回放功能，实现心率的实时计算与显示。
系统具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低温漂和高信噪比等优点，且成本低、体积小、耗电少、携带方便。
关键词: MSP430F169 心率 实时检测 显示 存储【Abstract】 In this paper,the system composition and working principle of the human heart rate detection system based on MSP430F169 are introduced, and the methods of hardware and software design are presented. This system can accurately complete the human body ECG waveform of the real-time detection , storage and playback. The characteristics of this design show the merits of high input impedance, high CMRR, low noise, low temperature drift and high SNR(Signal-to-Noise Ratio). What's more,this system has the advantages of low cost, small volume, low power and being easy to carry. Key Key words words:: MSP430F169，heart rate，real-time detection，display and storage 1 系统简介系统简介随着生活水平的提高,健康监护越来越被人们所重视,为适应家庭等环境下的便利监护的需求,我们设计了这种便携式心电检测系统。
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基于MSP430的心率检测系统硬件设计The hardware circuit design of heart_rate detecting system base on MSP430摘要基于红外检测和MSP430单片机主控的便携式心率信号测试仪，采用红外对管和指脉测量原理采集人体心率信号，经放大、滤波、整形等信号调理，至单片机主控单元，对心率信号进行分析、处理，并通过LCD显示和语音提示，实现智能心率检测。
关键词：指脉测量；信号调理；心率检测。
Abstract The portable cardiotach ometer which base on infrared detecting and besubject to MSP430 single-chip microcomputer ,use the principle of infrared and thumb-pulse measure to detec heart-rate signal. The signal be treat with magnified, filter,Plastic etc. The main control unit of SCM process and analysis the heart-rate signal,Intelligent heart-rate detecting be realized by LCD display and voice clew.Key: Thumb-pulse measure; Signal process; Heart-rate detecting.目录1. 概述2 方案论证 .......................................................................2.1 传感器方案论证 ...........................................................2.2 前置放大器方案论证 .......................................................2.3 低通滤波器方案论证 .......................................................2.4 后级放大器方案论证 .......................................................2.5 整形电路方案论证 .........................................................2.6 心率信号处理方案论证 .....................................................3 整体方案设计 ...................................................................4 单元电路设计 ...................................................................4.1 传感器电路设计 ...........................................................4.2 前置放大器电路设计 .......................................................4.3 低通滤波器电路设计 .......................................................4.4 后级放大电路设计 .........................................................4.5 整形电路设计 .............................................................4.6 心率信号处理电路设计 .....................................................5 电路测试与数据分析 .............................................................5.1 测试仪器 .................................................................5.2 测试方法 .................................................................5.3 测试数据 .................................................................6 问题及处理 .....................................................................结论 ..........................................................................致谢 ..........................................................................参考文献一、概述统计表明，由心脏引发的多种突发性疾病，严重影响人们的身体健康。
因此，研究一种携带方便、使用简单，能够在家里随时进行心率信号测量的简易心率检测仪，具有现实意义。
本课题是基于红外和MSP430单片机的便携式简易心率信号测试仪。
检测前端采用红外传感器和无线传输技术，控制单元采用MSP430系列单片机。
人体手指末端含有丰富的小动脉，它们和其它部位的动脉一样, 含有丰富的信息。
手指尖的微血管随着心脏的跳动发生相应的脉搏的容积变化，光发射电路发出的特定波长的光透过手指到光电器件，此过程被检测生理量(人体的脉搏)转换成光信号，通过光电器件转换为电信号，送入前级放大电路将信号放大、滤波，得到脉搏信号，该信号经再次放大、整形处理，送至MSP430主控单元.从光源发出的光除被手指组织吸收的部分外，一部分由血液漫反射返回。
光电式脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射形式和反射式，其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置，接收的是透射光，这种方法可较好地反映出心律的时间关系，但不能精确测量出血液容积量的变化；反射式的发射光源和光敏器件位于同一侧，接收的是血液漫反射回来的光，此信号可以精确测量血管内容积变化。
本系统采用指脉测量原理和红外光电传感器实现心率信号测量。
信号调理电路包括前置放大器、低通滤波电路、可控增益放大器和整形电路等环节。
放大电路将检测信号放大、整形后，加至单片机进行A/D转换，再由单片机将A/D转换的数据进行分析、处理，得到心率值，根据心率值判断并通过LCD显示。
2、方案论证人体心率信号的频率范围为0.78～3.33Hz之间，幅度约为10ｕV～5ｍＶ，信号十分微弱，加之心率信号中通常混杂有其它生物电信号，以及外界与仪器本身产生的光电等干扰信号影响，因此系统对抗干扰能力和信号处理能力要求较高。
2.1．传感器方案论证方案一：采用压电陶瓷片作为传感器将压电陶瓷片贴于人体颈部，感受心跳时颈部动脉压力变化，在陶瓷片两面产生电位差，通过采集电压变化信号探测心跳。
方案二：采用红外发射、接收二极管作为传感器该方案利用指脉的测量原理，指脉测量属于检测有无脉博的测量，有脉搏时遮挡光线，输出端无信号或信号非常小，无脉搏时透光强，输出端有信号且信号很强。
结论：用压电陶瓷片测量心率信号时，外界干扰信号对电路的影响较小，抗干扰能力强，但由于其电路结构复杂，测量方法繁琐，故不采用；指脉测量的电路结构简单，拟采用此方案。
但由于红外接收二极管属于光敏元件，外界光电信号极易对其产生影响，所以在电路设计时，应考虑电路的抗干扰性能，并在电路中加入低通滤波器，削弱外界干扰信号对心电信号的影响。
2.2 前置放大器方案论证方案一：采用普通集成运算放大器采用集成运算放大器LM358。
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，具有电源电压范围宽、低功耗电流、低输入偏置电流、输出电压摆幅大等特点。
方案二：采用典型的仪用放大器。
电路如图1所示。
该电路具有高输入阻抗、低输出阻抗、高共模抑制比等特点，有效的抑制外界干扰。
本电路由U1,U2组成同相并联输入第一级放大，U3为差动放大，RG用于改变放大器的增益，电路中要求R1与R2，R3与R4须匹配。
图1 三运放仪用放大电路结论：由于三运放仪用放大电路采用过多的集成运放和分立元件，且电阻难以做到匹配，因此，共模抑制能力下降，加之心率信号的频率信号非常低，低于一般的干扰信号，加入低通滤波器即可有效的抑制外界的干扰。
故本课题采用普通的集成运算放大器LM358作为心率信号的前置放大器。
2.3 低通滤波器方案论证低通滤波器主要用于抑制心率信号中5HZ以上高频干扰，并获取纯净的心率信号，即按人体心跳在运动后最高跳动次数达240次/分来计算，其截止频率为4HZ,但为了保证心率信号不被衰减过大，将其截止频率设为5Hz。
方案一：采用二阶切比雪夫低通滤波器。
切比雪夫滤波器与其他有源滤波器相比，在相同的阶数下，其值在进入阻带以后衰减更陡峭，其幅频特性曲线为-40dB/10倍频，接近理想滤波器的要求，但其通带内输出有波纹，输出信号不平滑。
方案二：采用二阶巴特沃斯低通滤波器。
巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零，幅频特性曲线为-40dB/10倍频。
在振幅的对数对角频率的波德图上,从某一边界角频率开始,振幅随着角频率的增加而逐步减少,趋向负无穷大，特别适用于低频应用，其对于维护增益的平坦性来说非常重要。
方案三：采用二阶贝塞尔低通滤波器其电路结构简单，且加入了集成运算放大器，因此具有输入阻抗高，输出阻抗低等特点，同时具有输入缓冲作用，通带外幅频特性曲线能达到-40dB/10倍频。
贝塞尔滤波器能在它的通频带内提供平坦的幅度和线性相位（即一致的群延时）响应。
结论：切比雪夫低通滤波器通带内输出有波纹，输出信号不平滑，对于幅度非常低且极不稳定的心率信号来说影响较大，故不予采用。
贝塞尔滤波器与巴特沃斯滤波器相比，均能维持通带内输出波形的平坦性，但贝塞尔滤波器的电路结构够简单，为了简化电路结构，缩小成本，故本课题采用二阶贝塞尔滤波器作为低通滤波器。