一種基于嵌入式的心率測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭海鵬 王立友 馮川放

摘要：隨著人們物質(zhì)生活質(zhì)量的不斷提高，越來越多的人開始關(guān)注自身身心健康狀況，在鍛煉身體的過程中，希望可以借助一些便攜式醫(yī)學(xué)儀器來檢測(cè)自身的身體狀況，例如使用心率測(cè)試儀來測(cè)量心率，通過心律的測(cè)試，來確定適合于自己的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，防止運(yùn)動(dòng)量不達(dá)標(biāo)或運(yùn)動(dòng)過量，無論您是運(yùn)動(dòng)達(dá)人還是視運(yùn)動(dòng)為娛樂的人，心率測(cè)試儀都是一款必備的運(yùn)動(dòng)工具.它能讓你能更好地掌握運(yùn)動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度.本文作者將利用單片機(jī)與紅外傳感器和精確定時(shí)/計(jì)數(shù)等技術(shù)融合嵌入式開發(fā)語言（C語言）為您設(shè)計(jì)一款能顯示每分鐘心跳次數(shù)的心率測(cè)試儀.

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)；IAP15F2K61S2微控制器；紅外線傳感器St188；C語言

中圖分類號(hào)：TH72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-260X（2019）03-0068-03

1 緒論

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，人們工作之余開始注重自身身心健康，許多便攜式醫(yī)學(xué)儀器得到了廣泛的應(yīng)用，越來越多的人體醫(yī)學(xué)信號(hào)測(cè)試儀被受眾人群使用，通過醫(yī)學(xué)儀器對(duì)人體體內(nèi)相關(guān)的生理信號(hào)的監(jiān)測(cè)，來識(shí)別人體的生命健康狀態(tài)和特征.

該系統(tǒng)基于STC的IAP15F2K61S2微控制器，外圍由運(yùn)算放大器，濾波電路、整形電路以及LCD12864液晶屏，反射紅外傳感器ST188等組成.電路設(shè)計(jì)部分主要采取仿真電路的設(shè)計(jì)形式，使用Keil C軟件將對(duì)應(yīng)C語言程序生成HEX文件，并使用stc-isp編程燒錄軟件將對(duì)應(yīng)的HEX控制程序嵌入在IAP15F2K61S2微控制器系統(tǒng)中，以便于實(shí)現(xiàn)人體的心率測(cè)試.使用時(shí)，手指需要壓迫在ST188紅外傳感器上，使其感知人體的生理信號(hào).可以通過IAP15F2K61S2微控制器對(duì)改變的信號(hào)進(jìn)行濾波，放大等處理來統(tǒng)計(jì)心跳次數(shù)，以便于計(jì)算一分鐘內(nèi)的心跳次數(shù)即心率.

2 心率測(cè)試儀的仿真電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用STC公司的IAP15F2K61S2單片機(jī)作為核心部件，在Keil C調(diào)試環(huán)境下，完成軟件調(diào)試與設(shè)計(jì).使用Proteus仿真軟件完成仿真電路的設(shè)計(jì).電路仿真系統(tǒng)主要有：檢測(cè)電路、放大濾波電路、單穩(wěn)態(tài)電路和顯示電路組成[1].其中系統(tǒng)檢測(cè)部分主要由反射紅外傳感器ST188完成.電路設(shè)計(jì)如圖1所示：

2.1 檢測(cè)電路

2.1.1 使用數(shù)字萬用表測(cè)量二極管

首先，使用數(shù)字萬用表的二極管齒輪測(cè)試控制端子發(fā)射（淺藍(lán)色）正極和負(fù)極，并將紅色和黑色測(cè)試引線連接到發(fā)射管的兩個(gè)引腳.對(duì)于每次測(cè)量，儀表一次顯示“1.0 V”，一旦顯示溢出“1”，表明1.0 V是正確的.紅筆連接到正極，黑筆連接到負(fù)極.如果“1”顯示兩次，則表示發(fā)射管內(nèi)部打開，如果顯示兩次均為“0”則表示發(fā)射管中短路.然后判斷接收管的c和e極，數(shù)字萬用表的2M齒輪以及紅色和黑色測(cè)試引線的短路.判斷接收管的c和e極，數(shù)字萬用表電阻2M檔，紅色和黑色電表筆連接到e極；如果標(biāo)題顯示“1”，則黑色筆連接到c極，紅色筆連接到e極.

2.1.2 檢測(cè)電路工作原理

首先，我們了解一下人體心跳的過程，心臟在機(jī)械收縮之前，先發(fā)生電激動(dòng)而產(chǎn)生微小電流，這一電流可以經(jīng)人體組織傳到體表，竇房結(jié)產(chǎn)生的動(dòng)作電位，經(jīng)結(jié)內(nèi)的過渡細(xì)胞傳至心房內(nèi)的結(jié)間束、房間束和心房肌[2].這時(shí)心房肌會(huì)跳動(dòng).然后動(dòng)作電位下傳至房室結(jié)（心房心室交界區(qū)）短暫的時(shí)間差之后下傳至結(jié)希區(qū)、房室束.心室肌接收興奮，產(chǎn)生搏動(dòng)，也就是人體的心跳.

由于血容量本身是跟隨心臟的跳動(dòng)而顯示其心率波形的變化的，而光電信號(hào)對(duì)于人體的其余組織的感應(yīng)是不隨時(shí)間的變化而變化的，所以反射式紅外線傳感器ST188接收到的波形信號(hào)可以用來表示心率的變化特征.

心率本身的波動(dòng)信號(hào)隸屬于低頻率的電信號(hào)，頻率在0.5～10Hz之間[3]，使用放大器、濾波器以便于提取有效信號(hào)，避免外圍信號(hào)的干擾，提高低頻率信號(hào)的上下限.反射紅外傳感器ST188通過電容耦合器將血液中的波分量分析到放大器的輸入端.

2.2 放大、整形、濾波電路

該電路的主要功能是放大整形和濾波傳感器檢測(cè)到的微弱的信號(hào)，并且由光電耦合器檢測(cè)血液濃度自身發(fā)生的變化，把微弱信號(hào)變化為電信號(hào).經(jīng)整形電路整形（優(yōu)化液晶屏心率的顯示效果），形成所需脈沖，經(jīng)LM358芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)發(fā)光管按照脈搏頻率工作，以模擬心臟跳動(dòng)的動(dòng)作.最后輸出反映心跳頻率的電壓.

2.3 比較電路與單態(tài)穩(wěn)電路

比較電路使用LM358芯片，放大電路的輸出信號(hào)通過比較輸出方波.

在單穩(wěn)態(tài)電路中，比較器輸出的矩形波輸入到74HC123觸發(fā)器的B引腳，因此不同頻率（不同心率）的輸入信號(hào)輸出具有不同占空比的方波.通過濾波電路進(jìn)行濾波后，輸出電壓不同.

3 心率測(cè)試儀系統(tǒng)硬件組成

3.1 紅外反射式傳感器ST188

3.1.1 ST188紅外反射式傳感器簡介

由一個(gè)光敏三極管和一個(gè)發(fā)光二極管組成，其中發(fā)光二極管作為傳感器的反射模塊，光敏三極管作為傳感器的接收模塊[4]（二者在電路中均正接，但需要串聯(lián)相關(guān)阻值的定值電阻），ST188系列傳感器有諸多優(yōu)點(diǎn)：比如體積很小，價(jià)格便宜[5]，使用起來非常劃算，具有很高的性價(jià)比.ST188紅外傳感器位于A、K之間是發(fā)光二極管，位于C、E之間是光敏三極管.

3.1.2 工作原理

通過用手指按壓紅外反射傳感器ST188，并顯示在1602液晶屏上來測(cè)量心率.系統(tǒng)以IAP15 F2K61S2微控制器為核心，紅外反射傳感器ST188用作檢測(cè)元件.時(shí)間的計(jì)算由IAP15F2K61S2系統(tǒng)的內(nèi)部定時(shí)器完成.在系統(tǒng)操作期間可以顯示心臟跳動(dòng)次數(shù)和時(shí)間.

3.1.3 信號(hào)采集

紅外反射傳感器A、K分別接入高電平和低電平，電位器連在R4旁邊用于調(diào)節(jié)傳感器靈敏度[5].信號(hào)采集過程中，紅外反射傳感器ST188與手指接觸，被手指按壓.脈沖信號(hào)由紅外反射傳感器ST188感知.IAP15F2K61S2微控制器系統(tǒng)負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)心臟跳動(dòng)次數(shù)和時(shí)間.

3.1.4 信號(hào)放大

本文采用LM358芯片用于放大電路的設(shè)計(jì).由于人的心跳產(chǎn)生的信號(hào)非常弱，導(dǎo)致紅外反射傳感器ST188輸出的信號(hào)同樣很微弱，較易受到周邊環(huán)境的影響，因此需要對(duì)當(dāng)前得到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大處理，放大電路使用兩級(jí)反向放大將信號(hào)放大到約2-5V的幅度值.輸出波形相對(duì)于比較輸入波形而言為同相并被放大的波形.放大后的波形是一個(gè)交流信號(hào).在電源旁邊連接一個(gè)電容器，以濾除干擾信號(hào)和抗電磁干擾.整流后的電壓波形（D2二極管）是正弦半波.放大電路的輸出信號(hào)由比較器輸出為方波（2個(gè)引腳的比較電壓根據(jù)3個(gè)引腳的實(shí)際輸出電壓設(shè)定，通常大致是0.8V）.

3.2 IAP15F2K61S2單片機(jī)

IAP15F2K61S2單片機(jī)是STC公司推出的新一代支持在應(yīng)用編程的單片機(jī).具有2KB RAM空間，61K Flash空間，IO具備4種工作模式，8路ADC通道.帶仿真接口，可以在Keil C51中調(diào)試程序，適合于嵌入式開發(fā).

3.3 LCD12864液晶屏

一種點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊，具有2線或3線串行，4位/8位并行接口模式，以及簡化的漢字庫； 它可以形成一個(gè)完整的中文人機(jī)交互圖形界面.它可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣漢字.

4 心率測(cè)試儀系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)軟件介紹

4.1.1 keil C51軟件簡介

Keil C51軟件系統(tǒng)的特點(diǎn)是兼容單芯片C語言軟件開發(fā).鑒于C語言擁有出色的移植性，可以在各種體系結(jié)構(gòu)的軟硬件平臺(tái)上運(yùn)行；語法機(jī)制靈活，可直接訪問硬件；運(yùn)行效率高，運(yùn)行速度較快.在可讀性，功能，結(jié)構(gòu)等方面優(yōu)勢(shì)明顯.Keil提供完整的開發(fā)解決方案，包括C編譯器，宏匯編，鏈接器，庫管理以及強(qiáng)大的仿真器調(diào)試.通過集成開發(fā)環(huán)境將它們統(tǒng)一組合起來.因此，運(yùn)行C語言編程， Keil C51幾乎是不二之選.

本文中Keil C51軟件的主要功能是負(fù)責(zé)將C語言編譯成可重定位的目標(biāo)HEX文件，實(shí)現(xiàn)C語言程序?qū)纹瑱C(jī)的控制.

4.1.2 Proteus電路仿真軟件

Proteus是由英國Labcenter Electronics開發(fā)的多功能EDA軟件.是一款可以提供電路仿真、PCB設(shè)計(jì)和虛擬模型仿真的設(shè)計(jì)平臺(tái).本文中PROTEUS軟件的主要功能是提供心率測(cè)試儀的仿真電路.

4.2 心率測(cè)試儀C語言程序?qū)崿F(xiàn)

4.2.1 心率測(cè)試儀計(jì)數(shù)代碼

#include ”stc15.h”

#include [intrins.h]

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned

sbit LCD_RS = P3^5； //寄存器選擇輸入

sbit LCD_RW = P3^6； //液晶讀/寫控制

sbit LCD_EN = P3^7； //液晶使能控制

sbit LCD_PSB = P0^2； //串/并方式控制

sbit LCD_RST = P0^0； //液晶復(fù)位端口

unsigned char i=0，timecount=0，displayOK=0，rate=0，aa=0；

unsignedint time[6]={0}；

#define delayNOP（）； {_nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）；_nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）；_nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； }

uchar code DIS1[] = {” 心率計(jì) ”}；

uchar code DIS2[] = {” 次 /每分”}；

uchar code DIS3[] = {” 你的心率正＼xfd常 ”}；

uchar code DIS4[] = {” ”}；

uchar code DIS5[] = {” 保持平穩(wěn)的心情”}；

4.2.2 系統(tǒng)延時(shí)代碼

void delay（intms）

{while（ms--）

{uchari； for（i=0； i[150； i++）

{_nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）；

}}}

4.2.3 檢查LCD忙狀態(tài)代碼

bitlcd_busy（）

{ bit result；

LCD_RS = 0； LCD_RW = 1； LCD_EN = 1； delayNOP（）；

result = （bit）（P2 0x80）； LCD_EN = 0； return（result）；

}

4.2.4 寫指令數(shù)據(jù)到LCD代碼

voidlcd_wcmd（ucharcmd）

{ while（lcd_busy（））；

LCD_RS = 0； LCD_RW = 0； LCD_EN = 0； delayNOP（）；

P2 = cmd； delayNOP（）； LCD_EN = 1； delayNOP（）； LCD_EN = 0；

}}

4.2.5 寫顯示數(shù)據(jù)到LCD代碼

voidlcd_wdat（uchardat）

{ while（lcd_busy（））；LCD_RS = 1；LCD_RW = 0；LCD_EN = 0；

P2 = dat；delayNOP（）； LCD_EN = 1；delayNOP（）； LCD_EN = 0； }

4.2.6 LCD初始化代碼

voidlcd_init（）

{

LCD_PSB = 1； //并口方式

LCD_RST = 0； //液晶復(fù)位

delay（12）；

LCD_RST = 1；

delay（12）；

lcd_wcmd（0x34）； //打開擴(kuò)展功能，繪圖顯示關(guān)

delay（22）；

lcd_wcmd（0x30）； //回到基本指令集

delay（23）；

lcd_wcmd（0x0C）； //退出睡眠模式

delay（23）；

lcd_wcmd（0x01）； //進(jìn)入待命模式

delay（23）；

}

5 小結(jié)

上述程序由Keil C51軟件在最小系統(tǒng)板上成功調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)人體的心率測(cè)試.IAP15F2K61S2微控制器的P32用于連接LED陰極在檢測(cè)到信號(hào)時(shí)顯示帶有LED的心跳.讓被測(cè)人很直觀的感受心跳.系統(tǒng)通過IAP15F2K61S2微控制器的INT0中斷處理ST188傳感器的信號(hào)，并用T0中斷時(shí)序.在時(shí)間轉(zhuǎn)為心率數(shù)據(jù)的處理上，采用5次取平均值的方法，增加了數(shù)據(jù)的精確度.最終由LCD12864液晶進(jìn)行顯示，顯示結(jié)果為：系統(tǒng)名稱、心率、健康指數(shù).

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