基于51單片機的心率測量及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

徐瑞雄 楊 博 王垚飛 李香坪 肖芳菲 郭建強西南交通大學物理科學與技術(shù)學院 四川成都 611756

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基于51單片機的心率測量及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

徐瑞雄 楊 博 王垚飛 李香坪 肖芳菲 郭建強
西南交通大學物理科學與技術(shù)學院 四川成都 611756

【文章摘要】

在生活中，心率作為反映人體健康的一個重要參數(shù)，出現(xiàn)異常后可能導(dǎo)致多種緊急情況。為了解決心率的便攜式測量問題，考慮到51系列單片機廣泛應(yīng)用于數(shù)字電子產(chǎn)品領(lǐng)域，本文在研究設(shè)計中，將光電傳感器與51單片機相結(jié)合，通過軟硬件結(jié)合的方法，將人的心率精準測量及顯示，并在超過人為設(shè)定范圍時進行報警提示。通過實驗研究結(jié)果及分析，文中設(shè)計的思路能有效便捷地實現(xiàn)對心率進行測量和預(yù)警的功能。

【關(guān)鍵詞】

STC89C52；心率監(jiān)測；LCD顯示器；光電傳感器

引言

心率測量有脈搏時光線被遮擋，無脈搏時透光強，本文所采用的傳感器是光電傳感器。通過觀測脈搏信號，可以對人體的健康進行檢查，可被用于保健中心和醫(yī)院。系統(tǒng)可以供用戶測量當時的脈搏次數(shù)，同時還可以設(shè)定上限次數(shù)和下限次數(shù)，記作人體正常情況下的脈搏范圍，當測量的范圍超過設(shè)定的合理范圍時則驅(qū)動蜂鳴器報警提醒。

從脈搏波中提取人體的生理，病理等信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，一直都受到中外醫(yī)學界的重視。本文設(shè)計的心率測量及預(yù)警系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，以光電反射式傳感器ST188采集信號，再利用單片機系統(tǒng)內(nèi)部定時器來計算時間，由光電傳感器感應(yīng)產(chǎn)生信號，單片機通過對信號累加得到脈搏跳動次數(shù)，時間由定時器定時而得。系統(tǒng)運行中可以通過觀察指示燈閃爍，若均勻閃爍說明測量值準確。但是由于人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號， 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號， 所以必須經(jīng)過放大和濾波以滿足采集的要求。

1　總體設(shè)計方案

總體設(shè)計流程如圖1所示。

本設(shè)計采用單片機AT89C52為控制核心，實現(xiàn)心率監(jiān)測系統(tǒng)的基本測量和預(yù)警功能。該系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計流程圖

圖2　心率監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理

2　硬件模塊電路設(shè)計

2.1硬件電路設(shè)計原理

主控模塊模塊在整個系統(tǒng)中起著控制的作用，需要檢測鍵盤等各種參數(shù)，同時驅(qū)動液晶顯示相關(guān)參數(shù)，在這里我們選用了51系列單片機中的STC89C52單片機作為系統(tǒng)的主控芯片。

圖3為單片機最小系統(tǒng)電路圖，單片機最小系統(tǒng)有單片機、時鐘電路、復(fù)位電路組成，時鐘電路選用了12MHz的晶振提供時鐘，作用為給單片機提供一個時間基準，其中執(zhí)行一條基本指令需要的時間為一個機器周期，單片機的復(fù)位電路，按下復(fù)位按鍵之后可以使單片機進入剛上電的起始狀態(tài)。圖中10k排阻為P0口的上拉電阻，由于P0口跟其他IO結(jié)構(gòu)不一樣，其為漏極開路的結(jié)構(gòu)，因此要加上拉電阻才能正常使用。

2.2LCD液晶顯示器簡介

由于本設(shè)計中要求顯示界面顯示一些參數(shù)，因此這里選用了LCD1602作為界面顯示，LCD1602的顯示豐富，可以把一些相關(guān)的參數(shù)進行顯示。

2.3信號采集電路設(shè)計

此部分電路的功能是由光電傳感器將脈搏信號轉(zhuǎn)換為電信號，一般為幾十毫伏，必須加以放大，以達到整形電路所需的電壓，一般為幾伏。放大后的信號波形是不規(guī)則的脈沖信號，因此必須加以濾波整形，整形電路的輸出電壓應(yīng)滿足計數(shù)器的要求。選擇電路：所選放大整形電路框圖如圖4所示，原理圖如圖5所示。

圖3　單片機最小系統(tǒng)電路圖

圖4　放大整形電路框圖

2.4光電傳感器選擇

傳感器采用了紅外光電傳感器ST188，其作用是通過紅外光照射人的手指的血脈流動情況，把脈搏跳動轉(zhuǎn)換為電信號，其原理電路如圖6所示。

如圖中，紅外管采用188。用+5V電源供電，R1取150，R2取33，當人把手指放在ST188光電傳感器上的時候，光電傳感器接收到的信號會隨人脈搏強度的變化而變化。

脈搏測量的時候人把手輕輕的按在光電傳感器上面，由于人脈搏跳動的時候，血液的透光性不一樣會導(dǎo)致接收器那邊接收的信號強弱不一樣，間接的把人脈搏信號傳回，然后再通過運放對其進行放大、整形后連接到單片機的口，單片機利用外部中斷對其進行計數(shù)，然后換算成人一分鐘脈搏的跳動次數(shù)，最終顯示在液晶屏上。

圖5　放大整形電路原理圖

圖6　傳感器信號調(diào)節(jié)原理電路圖

3　軟件設(shè)計

主程序流程圖如圖7所示，單片機上電后先進行初始化，設(shè)置參數(shù)的初值，然后等待用戶按下對應(yīng)的按鍵并進入對應(yīng)的功能，當用戶按下測量按鍵的時候，單片機通過定時15測量人體的脈搏次數(shù)，然后再換算出對應(yīng)的真實的脈搏次數(shù)再在液晶屏幕上顯示，當用戶按下設(shè)置脈搏范圍設(shè)定按鍵后，單片機根據(jù)用戶按下的按鍵進行增加或減少范圍。軟件編程流程圖如圖7所示。

圖7　單片機程序框圖

4　仿真模擬結(jié)果

利用進行仿真，由于仿真軟件中無反射式光電傳感器，本文以按壓式按鍵代替對單片機系統(tǒng)進行仿真測試，仿真圖如下圖8。

圖8　仿真原理圖

5　結(jié)果分析

本文對不同時間段，不同人測量出多組數(shù)據(jù)，然后利用標準儀器進行測量和本文設(shè)計系統(tǒng)測量對比結(jié)果如表1所示。

表1　心率測量值和單片機測量值對比表

本文設(shè)計出的心率測量儀的報警范圍為小于50，和大于120，和標準儀器對比的測量誤差在5%以內(nèi)。

6　結(jié)束語

本文基于51單片機最小系統(tǒng)，采用靈敏度較高的光電傳感器設(shè)計并實現(xiàn)了心率計功能。設(shè)計采用屏顯示測量結(jié)果，并配置了上下閾值可調(diào)節(jié)功能，在較低的成本下，測量精度可以滿足日常生活中的測量需求。并方便融合在其他地方，如方向盤，有效的做到了心率的實時監(jiān)測以及預(yù)警。

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［7］李華，MCS-51系列單片機實用接口技術(shù)［M］，北京：北京航空航天大學出版社，1993.

【作者簡介】

徐瑞雄（1994.11.10），男，漢族，湖北隨州人，學歷：本科，研究方向：電子科學與技術(shù)。