心率監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

羅通

摘? ?要：隨著社會的發(fā)展，人們從最初滿足現(xiàn)狀的心態(tài)過渡到了為追求美好生活而不斷奮斗的狀態(tài)，健康問題變得愈發(fā)重要，同時，也在不斷困擾著人們，對于家庭幸福、社會和諧具有重要影響，尤其在老年疾病預(yù)防、老年健康宣傳指導(dǎo)等方面，更要引起重視。文章采用AT89C52單片機作為系統(tǒng)控制的核心，采用GMS模塊和脈搏式心率傳感器設(shè)計一款心率檢測系統(tǒng)，能夠及時檢測人的心率狀態(tài)，達到有問題及時就醫(yī)的目的。

關(guān)鍵詞：心率傳感器;心率監(jiān)測;GMS模塊

心率是用來描述心動周期的專業(yè)術(shù)語，指心臟每分鐘跳動的次數(shù)，以第一聲音為準(zhǔn)?，F(xiàn)代漢語將心率解釋為“心臟跳動的頻率”。頻率就是在單位時間內(nèi)，某件事情發(fā)生的次數(shù)。兩種解釋合起來就是，心臟在一定時間內(nèi)跳動的次數(shù)，也就是在一定時間內(nèi)，心臟跳動快慢的意思。一般為60～100次/分鐘，可因年齡、性別或其他生理因素存在個體差異[1]。一般來說，年齡越小，心率越快，老年人心率比年輕人慢，女性的心率比同齡男性快，這些都是正常的生理現(xiàn)象。安靜狀態(tài)下，成人正常心率為60～100次/分鐘，理想心率應(yīng)為55～70次/分鐘。如何實時地監(jiān)測自己的心率是否屬于正常值范圍是很重要也很必要的事情。

當(dāng)下高新科技遍布工業(yè)制造和生活領(lǐng)域，尤其信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融入著人們的生活，并改變了人們的生活方式，推動了許多重大的科學(xué)研究，實現(xiàn)了生產(chǎn)的飛躍，電腦也越來越多地應(yīng)用到人們的生活和工作等方方面面。單片機一經(jīng)問世，就憑借其集成度高、功能多元、性能穩(wěn)定、造價低廉、體積小等技術(shù)優(yōu)勢和性能優(yōu)勢，快速搶占實時控制與數(shù)據(jù)處理等應(yīng)用市場，并相繼開發(fā)出工業(yè)控制單元、移動設(shè)備、通信終端、機器人、汽車電器、小型家電及辦公自動化設(shè)備等一大批產(chǎn)品，而且單片機技術(shù)也在不斷發(fā)展和完善，推動傳統(tǒng)控制領(lǐng)域的變革與發(fā)展。

截至目前，人們習(xí)慣于通過評估單片機應(yīng)用技術(shù)，來評定某國的科技發(fā)展水平。本文開發(fā)的基于全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communication，GSM）網(wǎng)絡(luò)的心率檢測系統(tǒng)使用單片機進行調(diào)控，能夠快速測定人體的心率特征，獲悉被檢查者的機體狀態(tài)，整個操作過程較為簡易，適應(yīng)于普通人的應(yīng)用需求，而無需專業(yè)人士的指導(dǎo)、協(xié)助，尤其適合老年群體使用，具有廣闊的市場價值。

1? ? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1? 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)主要是由AT89C52微控制器及其他集成電路組成，具體來說由GSM模塊、數(shù)據(jù)存儲、顯示模塊、心率傳感器、溫度等傳感器的電路和電源6個部分組成。首先，溫度傳感器初始化，收集溫度數(shù)據(jù)。

心率傳感器將收集到的數(shù)據(jù)值傳輸?shù)轿⒖刂破魃?，由微控制器來處理收到值，并且把?shù)值傳輸?shù)斤@示模塊。當(dāng)溫度值高于設(shè)定溫度時，利用GSM短信模塊向匹配的手機用戶傳送消息提醒，使用戶及時了解自身健康。微控制器上心率傳感器將進行信息收集，異常情況下會發(fā)短信通知手機用戶。

1.2? AT89C52

在單片機投入市場后的一段時間內(nèi)，主要被用于工業(yè)控制領(lǐng)域，是一種高集成度的微控制器。初期，單片機采用4位或8位，之后發(fā)展出16位，雖然控制性能更突出，但是造價高昂，市場歡迎度不大，只在特定場合才會加工、使用，因此整體規(guī)模不大。20世紀(jì)末，電子類產(chǎn)品發(fā)展迅猛，市場需求量連年攀升，極大帶動起單片機技術(shù)的發(fā)展和單片機產(chǎn)品的生產(chǎn)，尤其是8位單片機的性能取得了飛躍發(fā)展，在處理數(shù)據(jù)方面的效率與10年前相比增長了近百倍。從單片機走過的40多年發(fā)展歷程看，在提高性能、擴充容量的同時，還實現(xiàn)了外圍電路內(nèi)置、外圍接口增設(shè)等功能。

單片機89系類的引腳功能都一樣，唯一有區(qū)別的是單片機存儲的大小。就單片機AT89C52來說，配置了8 k字節(jié)Flash，32位I/O口線，3個16位定時器/計數(shù)器，256字節(jié)隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM），片內(nèi)晶振，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，時鐘電路及全雙工串行口等構(gòu)件[2]。此外，AT89C52具備0 Hz靜態(tài)邏輯操作功能，可為用戶提供節(jié)電模式，在此狀態(tài)下，內(nèi)置CPU處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，只有串口、RAM、中斷等基礎(chǔ)單元仍舊運行，從而節(jié)約能耗，突出了單片機低能耗的優(yōu)勢。

1.3? GSM模塊

移動通信是實現(xiàn)通信終端目標(biāo)的有效手段，而移動通信在商業(yè)市場中的巨大潛力也越來越得到人們的認可。第一階段從20世紀(jì)20年代至40年代，為早期發(fā)展階段;第二階段從20世紀(jì)40年代中期到60年代初期，公用移動通信技術(shù)獲得大發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)迅速壯大;第3階段從20世紀(jì)60年代中期到70年代中期，西方科研人員研制出移動電話系統(tǒng)，開啟了移動通信的征途;第4階段從20世紀(jì)至今，20世紀(jì)70年代中期至80年代中期是第一代蜂窩移動通信系統(tǒng)的發(fā)展階段，之后發(fā)展至20世紀(jì)末，2G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)較為完善，市場應(yīng)用也較為廣泛，人們深刻感受到網(wǎng)絡(luò)技術(shù)變革帶來的便捷，相關(guān)技術(shù)的研發(fā)也變得更加快速，自2000年左右開始，伴隨著對第3代移動通信的大量論述以及2.5G產(chǎn)品GPRS系統(tǒng)的過渡，3G走向了通信的舞臺前沿。

1.4? 心率傳感器

脈沖測量主要有3種：（1）從心電圖中提取。（2）通過測量壓力傳感器的波動來計算脈搏率。（3）光電體積法。前兩種方法限制病人的活動，如果長時間使用會增加病人身體和心理上的不適。作為測量光電體積的最常用的測量方法之一，具有操作簡單、佩戴方便、可靠性高的優(yōu)點。此次采用脈搏式傳感器，方便簡潔，經(jīng)濟適用。

1.5? 液晶顯示屏LCD1620

LCD1620液晶顯示模塊由液晶材料構(gòu)成，液晶材料不同形狀的排列會影響模塊的遮光和通光，使顯示的字符顏色發(fā)生變化。根據(jù)液晶的物理性質(zhì)可知，液晶分子具有流動性，當(dāng)電場發(fā)生變化，液晶分子也隨之發(fā)生特定的轉(zhuǎn)向。通過這種特殊化原理，使用者就可以設(shè)計顯示字符產(chǎn)生不同的光學(xué)。

LCD1620液晶模塊有兩種型號：（1）背光。（2）無背光。為了使設(shè)計美觀實用，本系統(tǒng)采用的是有背光的顯示模塊。LCD1620模塊接口控制時序有讀寫兩個操作時序，不同的時序?qū)?yīng)的模塊內(nèi)部的不同運作，所以在設(shè)計時要參考液晶顯示模塊的時序圖。LCD1602具備功率消耗低、輕重量、顯示屏薄、整體輕巧等優(yōu)勢，應(yīng)用越來越廣泛。

2? ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計重要的是串口通信部分，首先設(shè)置單片機的串行口，包括波特率、工作方式等，再根據(jù)手機模塊的AT指令，手機用戶可以看到檢測系統(tǒng)心率和溫度，并且單片機會把測量的數(shù)據(jù)存儲下來，通過檢測幾個傳感器的輸出信號，從而判斷使用者是否有身體不適等情況。

心率傳感器軟件設(shè)計模塊首先進行初始化完成后，再判斷是否開始測量心率，確定開始測量后運行計數(shù)子程序并存儲測量值。

顯示流程首先設(shè)置好初始化例如設(shè)置顯示的方式、設(shè)置緩存的清理、設(shè)置模式顯示，然后設(shè)置字符位置的顯示，再設(shè)置字符數(shù)據(jù)顯示。

3? ? 結(jié)語

隨著中國經(jīng)濟的快速增長，人民的物質(zhì)保障更加堅實，廣大人民更加向往美好生活，人們開始更多地關(guān)心自己的家人。在過去的幾年中，智能檢測系統(tǒng)銷售數(shù)量在全球呈直線增長。幾年來，市場不斷涌現(xiàn)出各種健康檢測產(chǎn)品，具有品種多樣、以網(wǎng)絡(luò)發(fā)展為主要趨勢、智能化、集成化、成本低廉等特征。在設(shè)計中，主要以老人需求為導(dǎo)向，以現(xiàn)在科技研究狀況作為背景，以學(xué)習(xí)知識、應(yīng)用知識為目的，從實用角度出發(fā)設(shè)計智能檢測系統(tǒng)對心率進行檢測。

本課題的設(shè)計目的是通過手機或者其他通信設(shè)備根據(jù)預(yù)定的規(guī)則，可實時監(jiān)測自己的心率，對于子女不在身邊的老人，通過無線設(shè)備能夠?qū)崟r檢測并了解老人身體健康的變化，使子女、老人生活更加舒適放心、安全有效。

本設(shè)計進一步研究以AT89C52單片機為控制平臺，結(jié)合GSM模塊、溫度傳感器、心率傳感器以及數(shù)據(jù)存儲模塊和顯示模塊實現(xiàn)。傳感器模塊可以實時檢測身體狀況，信息處理中心對傳送的數(shù)據(jù)信息進行處理，并將處理后的信息發(fā)送到手機上。目前，市場上可穿戴的智能設(shè)備越來越繁多，而且功能越來越復(fù)雜。很多互聯(lián)網(wǎng)公司都相繼設(shè)計出了各種各樣的智能手環(huán)、智能手表等，但是智能手環(huán)大多都是檢測人的運動狀況和睡眠狀況，使用起來比較復(fù)雜。而且這些可穿戴的智能設(shè)備主要都是針對年輕人來設(shè)計的，忽略了老年人市場。但是往往老年人是最需要檢測自身健康狀況的，基于單片機設(shè)計的心率監(jiān)測系統(tǒng)體積小、使用方法簡單易懂，性價比很高，因此，相信心率監(jiān)測系統(tǒng)會有廣闊的發(fā)展前景。

本設(shè)計中作品基于方便、高效和實用的思想原理，利用芯片和模塊進行設(shè)計，性價比非常高，具備很大的實用價值。

[參考文獻]

[1]張欣.張金君.單片機原理與C51程序設(shè)計教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[2]黃俊驍，王志宇，丁仲祥，等.警員可穿戴多體征參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2017（4）：635-640.

Abstract：With the development of society， people have changed from the mentality of satisfying the present situation to the state of continuous struggle for the pursuit of a better life. At the same time， health problems have become more and more important. At the same time， they are also constantly perplexing people， which have an important impact on family happiness and social harmony， especially in the prevention of diseases in the elderly， health propaganda and guidance for the elderly， and so on. In this paper， AT89C52 single chip microcomputer is used as the core of system control， GMS module and pulse heart rate sensor are used to design a heart rate detection system， which can detect human heart rate state in time and achieve the purpose of seeking medical treatment in time for problems.

Key words：heart rate sensor; heart rate monitoring; GMS module