基于51單片機心率測量電路設(shè)計

蔣鐵生

1.1選題背景

心率是人的重要的可被測量的生理指標(biāo)。

在現(xiàn)代社會，隨著人類社會生活水平的提高，人們的生活方式和飲食結(jié)構(gòu)的改變，高血壓，冠心病等心臟方面的疾病漸漸成為人們的常見病。由有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國城市人口每五個成年人中就有一個人患有不同程度的心血管方面的疾病。由于心臟不健康而導(dǎo)致的心肌梗塞，猝死等事件時有發(fā)生，并且心臟疾病方面發(fā)病率逐年提升，發(fā)病年齡也是下降趨勢。

要減小心血管疾病給人們帶來的健康危害，早期有效的測量設(shè)備與判斷方法是十分重要的。心率是人體十分重要有效的信息，是可以被檢測的生物信號，它是反映心臟是否正常工作的一個重要參數(shù)，可以根據(jù)心率值判斷一個人是否患有心率過速，早搏等幾種常見的心臟病。因此，設(shè)計一種簡單，能顯示心率的儀器十分有必要。

1.2 主要內(nèi)容

本心率測量電路設(shè)計是一個硬軟件相結(jié)合的設(shè)計類題目。要求設(shè)計一個基于51單片機的心率的檢測電路?？梢詫崿F(xiàn)與心率檢測功能，整個系統(tǒng)電路的設(shè)計功能包括：

1、使用MAX30102心率傳感器模塊進(jìn)行心率采集；

2、使用STC89C52芯片為控制核心；

3、使用OLED液晶進(jìn)行顯示。

2 總體方案設(shè)計

2.1整體設(shè)計思路

本設(shè)計采用的是STC89C52芯片，通過STC89C52最小系統(tǒng)，心率模塊、液晶屏，實現(xiàn)心率的測量與現(xiàn)實。實時的心率顯示在OLED液晶上。由于STC89C52有較多的引腳數(shù)，能實現(xiàn)OLED液晶驅(qū)動以及實時心率測量等這些功能。電源部分是通過USB線來外接可移動電源或電池供電。

2.2心率測量模塊

光電式傳感器。光電式傳感器測量方法靈活多樣，可測量參數(shù)較多，具有非接觸，高精度，高分辨率，高可靠性，反映快等特點。適合用來測量心率。

測量原理：隨著心臟的跳動，人體組織半透明隨之改變，當(dāng)血液到達(dá)人體組織時，組織班透明度減小，當(dāng)血液回流心臟時，組織的半透明度加大。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的地方比較明顯，例如手指尖，耳垂部位。所以，將紅外發(fā)光二級管產(chǎn)生的紅外線照射到人體手指尖，用裝在手指尖另一側(cè)的紅外光電管來檢測人體組織的半透明度并把它轉(zhuǎn)換為電信號，此信號頻率與心率成正比，再把它轉(zhuǎn)換成脈沖信號并進(jìn)行整形，計數(shù)和顯示，這樣就能實現(xiàn)心率實時檢測。

選用MAX30102光電式心率傳感器模塊進(jìn)行測量。

2.3顯示屏

顯示屏選用用OLED屏。OLED屏是有機電激發(fā)光二極管同時具備自發(fā)光、不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、驅(qū)動電壓低、能耗低，可與太陽能電池、集成電路等相匹配。

OLED屏幕小巧低功耗，能夠數(shù)字化顯示，讓人一目了然，用OLED屏，外形小巧，方便攜帶與顯示，正好配套本次STC89C52的設(shè)計使用。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 主控電路設(shè)計

MCU最小系統(tǒng)由主芯片STC89C52以及外圍器件組成。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。

18，19引腳接系統(tǒng)時鐘電路。系統(tǒng)時鐘電路由電容、晶振組成；C5、C6是電容20pf，滿足要求的電容，Y1提供穩(wěn)定的時鐘頻率，不會造成其他不必要的程序問題；串口通信問題。使用外部晶振能更好的發(fā)揮芯片的性能系統(tǒng)時鐘。

3.2 心率測量模塊電路設(shè)計

心率測量模塊采用的是MAX30102模塊。它本身集成了完整的發(fā)光LED及驅(qū)動部分，光感應(yīng)和AD轉(zhuǎn)換部分，環(huán)境光干擾消除及數(shù)字濾波部分，極大的減輕了用戶設(shè)計。將它應(yīng)用于本設(shè)計，采集指尖心率信息，通過IIC接口，將采集到的信息傳給單片機，通過編寫相應(yīng)的算法進(jìn)行計算就可以得到心率信息。此外，它集成了玻璃蓋可以有效的排除外界干擾和內(nèi)部干擾，其綜合性能優(yōu)秀可靠。

心率測量模塊電路設(shè)計如圖1中header所示

3.3顯示模塊電路設(shè)計

顯示模塊采用的是OLED顯示。它具備自發(fā)光，無需背光源，反映速度快，使用溫度范圍廣，結(jié)構(gòu)相對較簡單的優(yōu)點。SCL，SDA分別接單片機39，38引腳，分別為時鐘線和數(shù)據(jù)線。

3.5供電電路設(shè)計

采用電池供電。持續(xù)按住sw1鍵，電池作為供電電源。431穩(wěn)壓電路，內(nèi)部含有2.5V的基準(zhǔn)電壓，REF端引入輸出反饋時，器件可以通過陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。

4 測試

4.1測試結(jié)果

心率測量結(jié)果如表1所示：

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)是五個時間段人體心率記錄，使用的是脈搏測量獲得的數(shù)據(jù)，而實際數(shù)據(jù)就是自己設(shè)計的電路測出的數(shù)據(jù)。根據(jù)表格的實驗對比數(shù)據(jù)可以知道該心率測量的數(shù)據(jù)偏差不超過4%，該設(shè)計是符合設(shè)計要求的。

（作者單位：湖南人文科技學(xué)院）