一种心率检测装置的设计

第一章绪论

1.1 心率计的研究背景

随着时间的推移，我们已经步入了21世纪。我们见证了经济、科技、医疗等等飞速的发展。伴随着社会的进步，使我们的生活水平被不断被的提高，高强度的脑力以及体力的工作让健康成为了我们大家所关注的焦点。人体器官中心脏是比较重要的，心脏的功能就是为血液流动提供充足动力，将血液传输到人体的各个器官中，同时也被称为人体中血液循环的动力泵。如果心脏发生问题会直接影响人的生命安全，各种类型的心率失常是引起心脏相关疾病死亡的首要因素，此系统疾病已经成为损害人类健康和生命的一大杀手。

2013年3月17日，国外医学研究机构《美国心脏协会》发布《中国成人的心血管健康情况调查报告》（Status of Cardiovascular Health in Chinese Adults），依据9万余名成年公民的心血管检测数据加以研究。这一研究主要使用美国心脏协会标准，主要划分为身体健康与行为健康。行为健康主要包括:不抽烟、体重标准、体育锻炼强度适当、饮食科学。身体健康主要包括:不抽烟、血压达到正常水平、血脂符合要求、血糖处于正常状态。研究结果表明，我国身体健康指标满足的人约为百分之十三，行为健康指标满足的人约为百分之七，两者均均满足的人约为百分之二。研究人员将上述健康指标划分为理想、中等、低等，但心血管健康状态不良的人数占比四分之三，中等心血管健康的人占比四分之一，理想状态的人几乎没有。研究报告显示，我国成年人理想心血管健康比例非常低，应针对全体公民和心血管病高危因素两方面努力实施有效的应对策略，以促进中国人心血管健康（Journal of the American College of Cardiology,2015,65(10):1013-1025）[1]。

2015年1月5日，全球医学杂志《柳叶刀》（Lancet）研究颁布《二零一三年全球疾病负担报告》，这一研究报告对一九九零年至二零一三年期间多个国家的死亡情况作出统计，主要由华盛顿大学健康指标评估机构（IHME）带领研究人员完成相关调查工作。研究结果表明，中国目前死亡率较高的疾病包括:冠心病、肺病、脑卒中，上述疾病导致的死亡人数约为二零一三年期间所有死亡人数的46%。依据世界卫生组织调查数据得出结论，心血管疾病主要是血管疾病与心脏疾病所导致，主要包括:心衰竭、高血压、脑卒中、冠心病等，上述疾病是我国死亡率较高的疾病，心血管疾病占比较大[2]。

由上述两篇研究报告可以清楚的发现，大多数人所患疾病都是由于心脏出现了问题所导致的。这使我们更加注意到了对于心脏保护的重要性。不仅仅是老年

人，青少年以及成年人更应该关注对于心脏的保养以及监测。

1.2 课题设计的目的及意义

因为人们注意到了保护心脏的重要性，所以研究了一种可以检测心率的装置。这里我们需要了解到几个名词的具体含义。

心跳（heart beat）：心脏的跳动。

心率（heart rate）：正常人安静状态下每分钟心跳的次数。

脉搏（pulse）：人体表可触摸到的动脉搏动。

在非专业的方面来讲，心跳和心率是一样的。正常人心率和脉搏是一致的，脉搏是80次，心率也就是80次/分钟。因为心脏每跳动一下，血液向外推出，在动脉内就像波浪一样，一下一下向前推进，也就可以感觉到跳动。当我们理解到了这几个名词所代表的含义，从而引出了我们本次课题的目的。

心率不但是人体心脏功能评判的标准，同时也是人体运动强度评判的生理指标，要求人们实时掌握自己心率的变化情况。因此，心率计就很快的出现了，并随着科技、医疗的进步得到了很快的发展。但是在如今的医院中，我们依然能看到很多医生仍然采用人工听诊器的方式来对于心率的测定。

为了方便心率的采集，本课题所研究的心率计具有体积小、测量准确、成本低等特点，非常适合家庭医疗保健。还可以把一段时间所采集到心率的数据上传到智能设备上，以便更好的观察心率数据的整体情况。总体来说，它可以更有效的检测到人体心率的具体情况，为家庭医疗保健提供了很好的帮助。

1.3 心率计设计的主要内容

本论文设计了一种基于51单片机并利用光电传感器及硬件检测电路的心率计，并通过嵌入式系统设计，实现对人体心率的准确测量。并讨论心率变异性以及开展心率数据在睡眠领域的相关探索研究。

主要内容如下：

（1）51单片机心率检测仪的设计方案；

（2）光电传感器的设计方案；

（3）硬件电路及软件的设计；

（4）硬件电路实验、软件实验和系统调试。

第二章基于51单片机心率计检测仪设计方案

2.1 基于51单片机心率检测仪设计方案

系统总体设计由51系列单片机的STC89C52单片机、光电传感器、LED4位数码管、蜂鸣器、按键、运算放大等共同组成。系统主要设置四个按钮，从而完成上下限心率次数的设置，如果次数超过限定范围的话，单片机驱动蜂鸣器就会发出信号，心率检测时要求人们将手放到光电传感器中，人体脉搏处于跳动状态，血液的透光度存在差异，因此，接收器获取的信号强度并不稳定，将人的心率信号传输回来，运算能够不断放大信号强度，将整形后的数据连接到单片机IO 口中。单片机通过外部中断来计算脉搏跳动次数，将成年人每分钟脉搏跳动的次数换算出来，在电子设备中显示出来。

2.2 传感器的设计方案

使用光电传感器能够实时检测人体脉搏信号，能够将人体手指组织划分为骨骼、肌肉、皮肤等非血液组织与血液组织，非血液组织中光的吸收量是固定不变的，但血液中静脉血管跳动的频率较弱，基本可以忽略不计，所以光穿透过手指组织后发生的变化主要是动脉血充盈所导致，如果恒定波长光源被设定的话，检测穿透过手指组织的光，能够检测到人体心率的频率与速度[3]。

因为光电传感设备与压电传感器相比较，光电传感器的应用更加普遍，所以大多数人选择使用光电传感器来检测人体心率的频率与速度。

2.2.1 传感器的介绍

本设计所用的光电传感器采用的是反射式红外光电传感器ST188。反射式光电传感设备能够将接收器与发射器设定到相同的装置中，在系统中安装反光设备，通过反射物理原理能够管控光电传感器。检测地表光线程度与颜色的变化，从而完成附近物体的检测工作。ST188系列光电传感器主要包括以下几个特征: （1）采取高发射功率红外光电二极管与高灵敏度的光电晶体管共同构成；

（2）检测范围能够适当调节，调节范围在4至13毫米期间。

（3）使用非接触式检测方法。

应用范围如下：

（1）IC卡电度表脉冲数据采样；

（2）集中抄表系统数据采样；

（3）传真机纸张完成检测；

（4）同ST288A系列判断电路结合，能够判断检测目标的运动方向、行程检测、正反转速测量。

ST188反射式红外线光电传感器的极限参数如表2-1所示。

ST188反射式红外线光电传感器的引脚图如图2-1、2-2所示，内部电路图如图2-3所示。

图2-1 ST188引脚图

图2-2 ST188引脚图

图2-3 ST188内部电路图

由图2-3所示，A-K相当于二极管，E-C相当于三极管的发射极和集电极。

2.2.2 传感器的电路图设计

ST188反射式红外光线光电传感器是使用光电传感器检测人体手指组织中血液流动状况，将脉心率的频率转换为信号，传感器工作原理电路图如2-4所示:

图2-4 ST188原理电路图

第三章主控模块设计及信号采集电路的设计方案

3.1 主控模块设计方案

主控模块的设计在系统中占据重要作用，应得到检测按钮的支持，并采用数码管显示相关内容，本论文设计的心率计检测装置采用的是51系列的单片机。

3.1.1 51单片机的选择及介绍

51单片机是对所有兼容lntel8031指令系统的单片机的总称。51系列单片机刚开始由Intel公司研发，但Intel公司将主要的设计方案转售给其他电子生产企业，例如，SST与Philip 等企业。所以，目前市场中出售以51系列为主的单片机[4]。以下是51系列单片机的主要特征：

（1）内部硬件软件具备完善的按位操作系统，同时也被称为处理器。

（2）对单片机中部分特殊功能存储器作数据处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算。

（3）乘法和除法指令，给编程带来了很大的便利。

本课题采用的是51系列单片机中的STC89C52单片机作为系统的主控芯片。STC89C52是STC（国产宏晶）单片机其中的一个品牌，是STC公司研发的高性能、低能耗CMOS8位微控制器，采用8K字节系统能够完成Flash存储器编程设计。STC89C52单片机具有40个引脚，32位I/O口线，4个外部中断，1个全双工异步串行口，3个16位定时/计数器。STC89C52内置4KB EEPROM，MAX810复位电路。STC89C52单片机的实物图见图3-1所示。

图3-1 STC89C52单片机实物图

STC89C52单片机的基础结构图如图3-1所示。

图3-2 STC89C52单片机基础结构图

3.1.2 STC89C52单片机的主要特性

STC89C52RC系列单片机作为国产企业宏晶科技研发的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，具有以下特征:

（1）8051系列增强型单片机，6时钟/机器周期与12时钟/机器周期能够随意选择，传输指令能够兼容传统8051；

（2）工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）、3.8V～2.0V（3V单片机）；

（3）单片机工作频率为:0至40MHz，但8051系列单片机范围在0至80MHz 期间，实际工作频率能够突破48MHz；

（4）拥有8K字节程序存储空间；

（5）片上集成512字节数据存储空间；

（6）可直接使用串口下载；

（7）4个八位并行I／O 接口P0至P3，连接端口能够用作输入，同时也可以用作输出；

（8）两个定时器或计数器，定时器或计数器能够设置为计数形式，从而完成外部事件计数，同时也可以设置为定时方式，依据计数或定时结果完成计算机控制；

（9）全双工UART，也就是通用异步接收发送器的串行主要以I／O 口为主，能够实现单片机之间或单机和微机的串行通信；

（10）片内振荡器与时钟产生电路，但石英晶体与微调电容应采用外部连接，振荡频率最高可达到12MHz；

（11）可直接使用串口下载。

STC89C52单片机管脚如图3-3所示：

图3-3 STC89C52引脚图

STC89C52单片机各部分引脚说明如下：

（1）VCC（40引脚）：电源电压

（2）VSS（40引脚）：电源电压

（3）时钟电路引脚XTAL1 与XTAL2：

XTAL1(19 脚)：接外部晶体与微调电容的另一端；在单片机中它是振荡电路反相放大器的输入端。采用外部时钟时，引脚应该接地。

XTAL2(18 脚)：接外部晶体与微调电容端口；单片机中它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率以晶体固有频率为主。如果使用外部时钟电路的话，引脚输入外部时钟脉冲[5];

（4）控制信号引脚RST,ALE,PSEN与EA：

RST(9脚)：RST 作为复位信号输入端，高电平才能发挥作用。输入端保持

备用电源的输入端。如果主电源VCC出现故障，降低到低电平规定值时，把＋5V 电源自动两个机器周期(二十四个时钟振荡周期)的高电平时，就能够实现复位操作。

ALE(30脚)：地址锁存允许信号端。如果8051上电正常工作，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，频率为振荡器频率的六分之一。CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号，不访问片外存储器的话，ALE端以振荡频率六分之一的固定输出正脉冲，所以ALE信号能够用作对外输出时钟。

PSEN(29脚)：程序存储可以输出信号端。在访问片外程序存储器时，端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。引肢接EPROM的OE端。PSEN 端才能发挥作用，允许读出EPROM／ROM中的指令码。PSEN端能够驱动8个LS型TTL负载。检查8051/8031小系统上电后CPU能不能到EPROM／ROM 中读取指令码，也可用示波器看PSEN端有无脉冲输出，则可以说明正常。

EA(31脚)：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。如果EA 引脚接高电平时，CPU访问片内EPROM/ROM并执行内部程序存储器中指令，但PC(程序计数器)的值大于0FFFH(对8751/8051为4K)时，将自动转去执行片外程序存储器内的程序。

（5）输入/输出端口P0/P1/P2/P3：

P0口(P0.0至P0.7，32至39脚)：P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O口。漏极开路的输出端口，可以驱动8个LS型TTL负载。如果P0口作为输入口使用时，应先向口锁存器(地址80H)写入全1，这时P0口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。作输入口使用时要先写1,这就是准双向口的含义。在CPU访问片外存储器时，P0口分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。此时P0口内部上拉电阻才能发挥作用。

P1口(P1.0至P1.7，1至8脚)：P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。P1口可以驱动4个LS型TTL负载。使用P1口输入口时应先向P1口锁存地址(90H)写入全1,此时P1口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。

P2口(P2.0至P2.7，21至28脚)：P2口作为带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。P口可以驱动4个LS型TTL负载。在访问片外EPROM/RAM时，它输出高8位地址。

P3口(P3.0至P3.7，10至17脚)：P3口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。P3口可以驱动4个LS型TTL负载。P3口与其它I/O端口较大差异，每个引脚都具备第二功能，具体如下表所示。

表3-1 p3口引脚第二功能

STC89C52单片机中断系统:STC89C52单片机中断系统和5个中断源,两个优先级,可以实现二次嵌套中断服务。在芯片特殊功能寄存器中断允许寄存器即控制CPU中断请求是否反应;由中断优先级寄存器IP安排每个中断源的优先级。每一个中断在同一优先级中断请求提出与此同时,通过查询逻辑来确定内部订单的响应[7]。

3.1.3 STC89C52单片机的最小系统

单片机的最小系统是由单片机、时钟电路、复位电路。12MHZ的时钟电路采用晶体振荡器提供时钟,功能是提供一个参考SCM,所需的时间执行一个基本的指令是一个机器周期,单片机的复位电路,按复位键后,单片机可以输入的起始状态的电力。10k的上拉电阻P0端口。自从P0端口是不同于其他输入输出结构,上拉电阻必须添加才能正常工作。STC89C52单片机的最小系统电路见图3-4所示。

图3-4 STC89C52最小系统电路

3.2 信号采集电路设计方案

信号采集电路的主要功能是把心率信号转换为其他信号，通常为几十毫伏左右，所以必须加以放大，以达到整形电路所需的电压，主要以几伏为主。放大的信号以不规则心率信号为主，所以不断加强电路信号，整形电路的输出电压应达到计数器要求。

3.2.1 显示模块电路设计

显示模块电路采用LED数码管动态扫描。由于LED数码管在市场上的价格比较低，采用动态扫描法连接单片机，并且单片机所占用得线口较少，所以选用LED数码管显示屏，并采用四位数码管显示。LED4位数码管实物图见图3-5所示。

图3-5 LED4位数码管

当位选打开时，送入相应的段码，则相应的数码管打开，关掉位选，打开另一个位选，送入相应的段码，则数码管打开，而每次打开关掉相应的位选时，时间间隔低于20ms，则看到的几乎与数码管显示的一样。显示电路图见3-6所示。

图3-6 LED4位数码管连接电路图

3.2.2 放大滤波电路设计

图3-7 放大滤波电路图

图3-7作为心率计的放大滤波信号，因为脉搏信号输出的信号较为微弱，输出的信号一般会有噪声干扰，所以采用LM358搭建放大滤波电路。

3.2.3 放大整形电路设计

放大整形电路框图如图3-8所示。

图3-8 放大整形电路框图

放大滤波后的脉搏信号以不规则的脉冲信号为主，有低频电波影响，不满足计数器的需求，采用整形电路，因此使用滞回电压比较器，为提高抗干扰能力。集成运放使用LM358。放大整形电路如图3-9所示。

图3-9 放大整形电路

3.3 运算放大器LM358的介绍

LM358以双运算放大器为主。内部有两个独立的、内部频率补偿的运算放大器，电源电压范围较大的单电源使用，同时也适用于双电源工作状态，指定的工作状态下，电源电流和电源电压没有关系。使用范围主要包括传感放大器与其他可用单电源供电的使用运算放大器的软件。以下是LM358的特点：（1）内部频率补偿；

（2）低输入失调电压与失调电流；

（3）共模输入电压范围宽，应保持接地；

（4）差模输入电压范围宽，与电源电压范围相同；

（5）直流电压增益高为100dB；

（6）单位增益频带宽约为1MHz；

（7）电源电压范围宽：单电源在3至30V期间；

（8）双电源(±1.5至±15V期间)；

（9）低功耗电流，适合于电池供电[8]。

LM358引脚图及内部电路原理图见3-10、3-11所示。

图3-10 LM358引脚图

图3-11 LM358内部电路原理图

第四章软件设计方案4.1 系统软设计方案

心率计系统控制程序总流程图如图4-1、4-2所示。

图4-1 按键程序流程图

图4-1 LED显示屏流程图

首先对心率计检测装置先通电后先进用按键进行初始化，然后按下对应的按键进入对应的功能，当实验者按下测量按键的时候如流程图4-1所示，把右食指放在光电传感器上，然后再换算出对应的心率次数再在LED显示屏上，如流程图图4-2所示，当实验者按下设置心率范围设定按键后，单片机会根据实验者按下按键的次数来进行增加或减少所测得数据的范围。

4.2 C语言设计方案

本设计所运用的汇编语言是C语言，用软件KeiluVision4来完成编程和运算。因为此心率计所用到的是51单片机系列中的STC89C52，所以在运行Keil4时，第一步要先选择此单片机。因为所运用到的汇编语言是C语言，所以要创建一个以“.c”结尾的文件用于保存。然后接下来对心率计上的每一个硬件来进行程序编写。以下是主函数，定义了从开机开始，初始化定时器、按键程序、时间间隔以及主控的一些程序。

void main()

{

static uint value;

beep = 0;

delay_1ms(150);

P0 = P1 = P2 = P3 = 0xff;

time_init();

init_int0();

init_eeprom();

while(1)

{

key();

if(key_can < 10)

{

key_with();

}

value ++;

if(value >= 300) //300ms

{

value = 0;

if(displayOK==0)

{

rate = 0;

}

else

{

rate=60000/(time[1]+time[2]+time[3]+time[4]+time[5])/5;

}

dis_smg[0] = smg_du[rate % 10];

dis_smg[1] = smg_du[rate / 10 % 10];

dis_smg[2] = smg_du[rate / 100 % 10];

if(rate != 0)

clock_h_l();

else

beep = 1;

}

display();

delay_1ms(1);

}

}

void int0() interrupt 0

{

EX0=0;

if(timecount<8)

{

TR0=1;

}

else

{

time[i]=timecount*50+TH0*0.256+TL0/1000;

TH0 = 0x3c;

TL0 = 0xb0;

timecount=0;

i++;

if(i==6)

{

i=1;

}

}

EX0=1; }

第五章主控模块调试及调试结果

5.1 主控模块调试

因为以51单片机为核心所设计的心率计其主控模块系统所需要的电路较为复杂，所以心率计的电路板的焊接过程是非常重要的。本课题所设计的心率机用到的硬件非常多，并且STC89C52单片机的引脚也很多，所以在焊接过程中还是有着很大的困难的。

直接用单片机的IO口驱动蜂鸣器发声，无论怎么调试蜂鸣器都不出声音，以为是蜂鸣器坏了。后来经过翻阅相关资料，把三极管放大器加到系统上，然后蜂鸣器可以正常工作。软件上也出现了很多问题，在经过不断地改正以及调试后，最终心率计可以正常工作。以下是心率计工作时的照片，见图5-1所示。

图5-1 心率计工作照片

5.2 调试结果

以下是我身边的朋友以及同事的几次测量结果，见标5-1所示。

实际的心率次数是他们之前在某医院用听诊器测出来的结果，这里我用来作为参考。由于光电传感器以及其他的一些硬件的缘故，这里测出来的数据有一定的误差，然后用实际的心率次数与实际测出来的心率次数进行比较，来计算出两者之间的误差。最后用求均方差公式得到误差大小的结果：

=0.32 经过对误差分析，再次修改程序中心率信号放大的倍数之后，误差可以达到理想中的要求。

2

(1)()n S sqr n n X X ????=??-????

-