【正文】 ect. Keywords： Heartrate monitoring system。利用中斷和定時器功能，能夠精確的計(jì)算出心率。 所設(shè)計(jì) 心率監(jiān)測系統(tǒng) 采 用光學(xué)感應(yīng)原理做成的傳感器，把心率信號轉(zhuǎn)換為可測量的電信號模擬量。 1 I 基于單片機(jī)的心率監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 隨著社會的發(fā)展，心率監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng) 得到 廣泛的應(yīng) 用 ，但醫(yī)學(xué)心率監(jiān)測系統(tǒng)還存在著 單一地點(diǎn)、實(shí)時性不精確等缺點(diǎn) 。 本設(shè)計(jì)就是為了克服傳統(tǒng)心率監(jiān)測系統(tǒng)的局限性，突出價格低廉、使用簡單方便、維護(hù)成本低的特點(diǎn)。在 CPU的選型上，使用價格低、功能強(qiáng)大的 AT89S52單片機(jī)。在做出硬件和完整的軟件算法后， 進(jìn)行了 多次測試，測試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)能夠達(dá)到預(yù)期的效果。 AT89S52。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 1990 年全球大約死于心血管疾病的人口就高達(dá) 1400萬，預(yù)計(jì)到 2020 年，將會有 2500 萬人口死于心腦血管疾病 [2]。一些人希望通過早 期的措施能夠及時監(jiān)測到疾病的到來，從而能在最快的時間內(nèi) 得到 醫(yī)治，使自己盡快 恢 復(fù)健康。這種疾病通常會終生伴隨著患者，疾病帶來的痛苦和昂貴的治療費(fèi)用不僅讓病人家庭承受著巨大的財(cái)政負(fù)擔(dān)， 還 占用社會上有限的的醫(yī)療資源，給社會帶來了不必要的負(fù)擔(dān)。 過去專門用于測量心率的儀器就很少。而 心率監(jiān)測系統(tǒng)的出現(xiàn)，使復(fù)雜的心電儀 功能 進(jìn)入日常的家庭成為可能，但基于心電工作站的模式，導(dǎo)致個別地區(qū)醫(yī)療診斷的不健全而變得不適用。 心率監(jiān)測系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)設(shè)想 在社會經(jīng)濟(jì)飛速發(fā) 展 的當(dāng)代，人們的生活水平和質(zhì)量相對上個世紀(jì)都有了極大的改善，但同時 多種疾病有困擾著人們，給人們的生活帶來了不必要的麻煩，對于 心腦血管疾病 ， 早期的預(yù)防工作尤為重要。 本設(shè)計(jì)采用高精度、低成 本、微型化 的 AT89S52 單片機(jī) 為核心來設(shè)計(jì) 數(shù)心率監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路。 其軟件設(shè)計(jì) 由主程序、信號采集子程序、預(yù)置子程序、顯示子程序模塊、信號放大處理子程序等組成。在此設(shè)計(jì)理念上設(shè)計(jì)出了系統(tǒng)的總體方案，最后通過軟件和硬件的調(diào)試實(shí)現(xiàn)了各個模塊的功能。此心率 監(jiān)測系統(tǒng) 的原理是通過紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線經(jīng)過人體組織后由紅外 接收管接收，心率變化會使光線的強(qiáng)度變化 。在經(jīng)過電子電路的處理后，再傳送至單片機(jī)，由單片機(jī)的算法處理傳感器傳送的信號。 心率監(jiān)測系統(tǒng)方案的選擇 傳感器方案一：隨著血液在心臟中的波動，人體血液中的半透明物質(zhì)的濃度也隨之改變。由于人體心率次數(shù)和計(jì)數(shù)器頻率是成正比，因此把傳感器采集的微弱電信號進(jìn)行濾波、整形、計(jì)數(shù)和計(jì)算的值顯示到 LCD 上就是關(guān)鍵的步驟，就能達(dá)到時實(shí)時檢測心率的目的。 選擇壓電傳感器，即壓電薄膜 PVDF(聚偏二氟乙烯 )傳感器放在上述位置，把壓電傳感器測到的信號轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，通過感應(yīng)脈搏跳動產(chǎn)生的 振 動實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。 相對于方案二 ，方案一具有 很大的易操作和低成 本性。雖然 AT89S52 單片機(jī)的功能是有限的，但是對于心率監(jiān)測系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)是沒有問題的，下面我們也會具體介紹 AT89S52 單片機(jī)的基本功能和 由 此設(shè)計(jì)涉及到的功能。 最終 選擇的是 AT89S52 單片機(jī)，雖然 9S12XS128 的功能很強(qiáng)大，但是在設(shè)計(jì)中會發(fā) 現(xiàn)其中的很多引腳都是用不到的，造成了很到的浪費(fèi)，也增加了設(shè)計(jì)的費(fèi)用，不符合設(shè)計(jì)心率監(jiān)測系統(tǒng)的盡可能的降低生產(chǎn)和研發(fā)的成本設(shè)計(jì)初衷。當(dāng)然 ， 測量心率的 1 分鐘內(nèi)跳動的次數(shù)不可能是測量1 分鐘，而是通過單片機(jī)算法用 60 比上兩次心率跳動的的時間 差就得到了 1 分鐘內(nèi)心率跳動的次數(shù)了。 光電心率監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 此心率監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器是用光電發(fā)接收管和光電發(fā)射管作為傳感器原件，把采集到的微弱紅外光經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成電信號， 利用各個功能模塊分別實(shí)現(xiàn)測量、顯示、報(bào)警 等 功能。 各模塊功能如表 ： 表 模塊功能表 模塊名稱 模塊功能 光電傳感器 非電量 (紅外光 )模擬量點(diǎn)信號的轉(zhuǎn)換元件，它由紅外管和紅外接收管組成， 把 接收到的紅外光按一定線性關(guān)系轉(zhuǎn)換成便于測量的物理量 (如電壓、電流或頻率等 )輸出 信號處理 把采集到的非可直接運(yùn)用的模擬量信號進(jìn)行一系列的處理 (包括濾波、整形、放大 )。 液晶顯示 把單片機(jī)計(jì)算得出的結(jié)果顯示在 LCD1602上 ，便于直觀的讀出所要測量的數(shù)據(jù)。可以向光電傳感器、信號整形、放大、單片機(jī) Vcc提供的電源 。 心率監(jiān)測系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 框圖如圖 所示： 本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁 共 33 頁 光 電 傳 感 器放 大 器比 較 器A T 8 9 S 5 25 V 電 源報(bào) 警 電 路液 晶 顯 示 電 路 圖 心率監(jiān)測系統(tǒng) 設(shè)計(jì)框圖 手指放在傳感器中間，隨著心臟的跳動，血管中組織液的濃度和流量也隨著改變。該信號經(jīng)濾波、放大、整形后輸出給單片機(jī)的端口，單片機(jī)接收到外部中斷信號后執(zhí)行相應(yīng)指令。 光電心率監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 相比較于傳統(tǒng)的心率監(jiān)測系統(tǒng)， 本 設(shè)計(jì)光電式心率監(jiān)測系統(tǒng)具有下列優(yōu)點(diǎn)： 1. 可測量并顯示實(shí)時心率值。 3. 心率監(jiān)測系統(tǒng)可以重復(fù)使用且使用簡單，精度高。 5. 工作穩(wěn)定、磨損小、使用時間長、維護(hù)方便。 7. 測量的有效范圍為 50次 199次 /分鐘。 2. 體力勞動者勞動強(qiáng)度測定。 本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 共 33 頁 4. 士兵訓(xùn)練強(qiáng)度測定。 6. 心理緊張狀態(tài)實(shí)驗(yàn)分析研究。 因?yàn)榇诵穆时O(jiān)測系統(tǒng)沒有其他特殊的功能實(shí)現(xiàn)，所需要的端口也很少， 所以 沒有選擇功能復(fù)雜的 Freescale單片機(jī)。片內(nèi)有 256 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器 RAM，有 8K 字節(jié)程序存儲器 ROM， 4個 8 位的并行 I/O 口（ P0、 P P P3）， 1 個全雙工串行通訊口， 3 個 16 位定時器 /計(jì)數(shù)器（ T0、 T T2），可處理 6 個中斷源，兩級中斷優(yōu)先級。 AT89S52 的結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)所使用的單片機(jī)的封裝形式是 DIP40， 如圖 ： 圖 AT89S52 的封裝形式 AT89S52單片機(jī) 40腳。當(dāng)振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。當(dāng)波長不變的光線照射到機(jī)體上時，通過人體組織的吸收、反射、衰減后，測得的光強(qiáng)可以反映組織的結(jié)構(gòu)特征。在人體指尖和耳垂的部位動脈分布比較密集，光線通過手指后可檢測到的幾率相對其他部位 更為 明顯，因此本次設(shè)計(jì)的傳感器 應(yīng) 用在人體的手指尖部是最理想的位置。 采用 GaAs 紅外發(fā)光二極管作為光源時，可以大大減少因?yàn)楹粑a(chǎn)生的心率漂移。此課程設(shè)計(jì)中，傳感器的發(fā)射管和接收管相向擺放，這樣就能得到最好的的光線接收效果。光電心率傳感器可以分為透射式和反射式兩種原理制作而成 [8]。因此，光電式傳感器的結(jié)構(gòu)圖就 如 圖 所示。 R6 選擇 330Ω， 是基于紅外接收管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。反之， R6 選取的過小，通過的電流就會偏大，原因和 R6 選取過小相同。傳感器電路圖如圖 所示： 本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁 共 33 頁 圖 信號采集電路 信號放大 正常情況下人體的心率為 50~200次 /分鐘，對應(yīng)的頻率范圍在 ~之間，所以紅外傳感器采集到的紅外頻率就會很低。 要考慮到強(qiáng)光對其測量的干擾以及噪聲等不可預(yù)知的干擾以外，低頻信號需要經(jīng)過 多倍放大和整形，處理完的信號才能傳送給單片機(jī)的處理模塊。主要參數(shù)和特性如下： LM358 內(nèi)部包括有兩個獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，該芯片采用單電源供電，這樣就節(jié)省了制作雙電源的麻煩，但同時也適用于雙電源工作模式?？烧{(diào)電位器 RW C2， C3，C4 組成低通濾波器濾除大部分干擾，截止頻率由 R C3， C2， C4 決定，運(yùn)放LM328 將信號進(jìn)行兩次放大，放大倍數(shù)由 R4 和 RW1 的比值決定。如圖 所示： 圖 低通放大電路 本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁 共 33 頁 根據(jù)一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)，可得： 00()() ()1icV s AAs sVs w??? （ 31） 放大倍數(shù)為： 1140 20 011WW RKRRA ???? （ 32） 截止頻率為： 總CRf 40 21?? （ 33） 如果按照心率跳動頻率為 200 次 /分鐘的頻率計(jì)算 Hz 考慮，低頻特性能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。 波形整形電路 波形整形電路如圖 所示， U3B 是一個電 壓比較器，在電壓比較器的負(fù)向電壓輸入端通過 R R5 分壓得到 的基準(zhǔn)電壓，放大后的信號通過 C5 電容耦合進(jìn)入比較器，當(dāng)輸入的電壓低于 時， U3B 的第七引腳輸出高電平，發(fā)光二極管 L2 亮，并且輸入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，反之輸出低電平，發(fā)光二極管滅。 傳感器采集到的脈沖經(jīng)過整形和濾波后被輸出到單片機(jī) AT89S52 的 /INT0腳，單片機(jī)設(shè)為低電平跳變中斷觸發(fā)模式，對脈沖進(jìn)行計(jì)算，然后 P0 口控制液晶顯示。 圖 顯示電路 1602字符型 LCD簡介 1602 字符型 LCD 液晶顯示模塊是一種專門顯示數(shù)字、符號、字母且不帶字庫的一款價格低廉的液晶，本設(shè)計(jì)采用 16 列 *2 行的字符型 LCD1602 帶背光的液晶顯示屏。若要顯示字符或者數(shù)字，首先要做的是給液晶發(fā)送地址指令，讓字符顯示的位置確定，圖 LCD的內(nèi)部顯示地址。 由于輸出的是 5V，輸入的電壓就不能太大，太 大則轉(zhuǎn)換效率降低，穩(wěn)定性能也會降低，而且容易損壞穩(wěn)壓芯片。當(dāng)負(fù)載連劉 過大時，應(yīng)該配備大的散熱裝置，不然會導(dǎo)致芯片過熱而損壞。開機(jī)進(jìn)入主程序時，主程序一直執(zhí)行的是檢測按鍵和讀液晶的程序，傳感器的采集主要是在中斷里進(jìn)行，這樣有利于提高單片機(jī)的執(zhí)行效率。 開 始系 統(tǒng) 初 始 化心 率 測 量 子 程 序液 晶 顯 示YP 2 . 3 是 否為 下 降 沿顯 示 是 否 大 于 1 5 0 蜂 鳴 器 報(bào) 警NY液 晶 顯 示N 圖 主程序流程圖 本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 16 頁 共 33 頁 中斷程序流程