基于單片機的心率檢測系統(tǒng)設計

目錄TOC\o"1-5"\h\z1.引言22.系統(tǒng)基本方案22.1.系統(tǒng)總結構32.2.各個部分電路的方案選擇及分析32.2.1.脈搏傳感器部分32.2.2.單片機選擇32.2.3.顯示部分42.3.系統(tǒng)各模塊的最終方案43.系統(tǒng)硬件設計5單片機處理電路53.1.1.STC89C51系列單片機的主要性能特點：5.C51系列單片機的基本組成：6復位電路9單片機復位電路9振蕩電路10脈搏傳感器部分10HK-2000A集成化脈搏傳感器10脈搏傳感器接收電路12.電源電路123.5顯示報警部分133.5.1.數碼管顯示電路13系統(tǒng)軟件設計14主程序流程的設計14定時器/計數器中斷程序流程的設計15顯示程序流程的設計16總結18參考文獻19引言心率是最為常見的臨床檢查與生理研究的生理現(xiàn)象,且包含兩個人類生命的重要信息，那就是血管和心臟的生理狀態(tài)。人體各器官的健康狀況、疾病等信息將以某種方式出現(xiàn)在脈沖的脈沖條件。許多有診斷價值的信息，比如有關心臟、內外循環(huán)和神經等系統(tǒng)的動態(tài)信息，我們可以通過對脈搏波檢測脈沖圖包含大量的診斷價值信息,也可以用來預測一些身體器官結構和功能的轉變趨勢,通過對脈搏的檢測可以對如高血壓和糖尿病等引起的血管病變進行評估。同時脈搏測量還為血壓測量，血流測量及其他某些生理檢測技術提供了一種生理參考信號［1。］在醫(yī)院臨床護理和日常的中老年保健中,脈搏是一個基本的生活指數,因此脈搏測量是最常見的生活特征提取。近年來在日常監(jiān)護測儀器,如便攜式電子血壓計,可以完成脈沖測量。但是這種便攜式電子血壓計利用微型氣泵壓力橡膠氣球,每次測量都需要一個壓縮和解壓縮的過程,有體積龐大、脈搏檢測的精確度低、加減壓過程會有不適等等的不足。人類心室周期性的收縮和舒張，導致主動脈收縮壓和舒張壓，使血流壓力可以能夠以波的形式從主動脈根部，就開始沿著人體整個動脈系統(tǒng)流動，這種波稱為脈搏波。脈搏波所呈現(xiàn)出的不同強度、各種形態(tài)、速率不一和跳動節(jié)律等方面的綜合信息,在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)血液流動在許多生理和病理特點。本設計使用系統(tǒng)使用HK-2000集成傳感器轉換電壓脈沖信號，脈沖信號調節(jié)使用后AT89S51單片機對信號采集和處理，在很短的時間內，測量人體每分鐘的脈搏數，和心率實時顯示，便于攜帶。達到的目的，快速、方便、準確地測量心率。脈搏測量系統(tǒng)性能好，結構簡單，性價比高，穩(wěn)定的輸出顯示，更適應流行，適合家庭每天自我反省和醫(yī)院護士的臨床記錄。系統(tǒng)基本方案心率檢測系統(tǒng)的設計，一定要通過收集脈搏的跳動變化反映出人體的生物的信號，然后生物信號轉變成物理的信號，能使物理信號表達人體的心率變化，最后要的出每分鐘的心跳頻率，就一定需要相應的硬件電路及芯片來處理物理變化并儲存心跳的次數。根據題目的要求系統(tǒng)模塊可以基本劃分為：脈搏傳感器部分、單片機處理電路部分及顯示電路部分。為實現(xiàn)各模塊的功能，分別做了幾種不同的設計方案病進行了論證系統(tǒng)總結構心率監(jiān)測系統(tǒng)的變換原件傳感器，把采集到心臟跳動的紅外光轉換成電信號，用電子儀進行測量和顯示裝置。本系統(tǒng)的組成包括信號處理系統(tǒng)、傳感器、數碼顯示、電源、單片機電路等部分。信號處理電路主要處理光電傳感器采集到的低頻信號的模擬電路（包括放大、整形、濾波等）。單片機電路利用單片機自身的定時中斷計時功能對輸入的脈沖電平進行運算得出心率（包括外部晶振、外部中斷、AT89C51等）。電源電路向信號處理器、傳感器和單片機提供電源，可以是直流或交流的穩(wěn)壓電源［2。］各個部分電路的方案選擇及分析2.2.1.脈搏傳感器部分傳感器通常又稱為轉換器或者換能器等。脈沖傳感器是脈沖探測系統(tǒng)的重要組成部分,它的基本功能是利用脈沖壓力和徑向脈沖壓力,將一些物理量（非電量）轉換成為電能的容易測量。脈沖傳感器精度、靈敏度、抗干擾和安裝方法決定了脈沖測量精度,因此選擇整個設計有決定性的作用。本設計中，采用HK-2000A集成化脈搏傳感器，HK-2000A集成化脈搏傳感器采用高度集成化工藝將靈敏度溫度補償元件、力敏元件（PVDF壓電膜）、信號調理電路、感溫元件集成在傳感器內。利用壓電式原理采集信號，并進行模擬信號輸出，然后輸出同步于人體的脈搏波動的脈沖信號，若脈搏波動一次就能輸出一正脈沖。該產品可用于脈率檢測，如運動或者健身器材設備中的心率測試。2.2.2.單片機選擇51單片機是目前所有兼容英特爾8031單片機的指令系統(tǒng)的一個統(tǒng)稱。該系列單片機的最初是英特爾8031單片機,然后閃速存儲器技術的發(fā)展,8031單片機不僅取得了很大的進步,并成為最廣泛使用的8位微控制器,其代表模型是ATMEL公司的AT89系列,廣泛應用于工業(yè)測控系統(tǒng)?，F(xiàn)如今很多公司推出了兼容模式的51系列,目前在很長一段時間,在未來會占據一個大市場。51單片機是適合初學者入門的一個單片機，同時也是目前應用最廣泛的一種單片機［3。］51單片機是由英特爾公司生產制造的。它具有結構簡單，價格便宜，易于開發(fā)的特點。通用型，有總線擴展，有較強的位處理功能，有全雙工異步串行通信口。但是其功能相對較少，訪問外部數據有瓶頸，作電壓范圍窄。本設計中，單片機只需要對脈搏信號的波動頻率進行測量、計算和顯示，對單片機的要求不是很高。而對51單片機，本人比較熟悉，所以，本設計中選擇51單片機作為信息處理中心。在51系列單片機中，AT89系列單片機是美國ATMEL公司推出的一種新型高性能低價位、低電壓低功耗的8位CMOS微型計算機。AT89S51就是其中一款，它可以完全滿足本設計的設計要求，而且，AT89S51的價格較低。2.2.3.顯示部分根據題目要求，設計出來的系統(tǒng)是可以設定報警的范圍的。對顯示部分采用以下方案：采用數碼管。數碼管具有功耗小、輕薄短小無輻射危險，簡單方便等特點。系統(tǒng)各模塊的最終方案根據以上分析，結合器件和設備等因素，確定如下方案：1）采用STC89C51單片機作為控制器，分別對輸入、顯示、信號的處理和控制。2）傳感器部分采用光HK-2000A集成化脈搏傳感器，該器件結構簡單、可靠性高、抗干擾能力強。3）顯示用數碼管顯示實時脈搏數和蜂鳴器報警上下限數值。系統(tǒng)的基本框圖如下圖2.1所示。

圖圖2.1設計框圖系統(tǒng)硬件設計3.1.單片機處理電路單片機處理電路如圖3.1所示Pl0Pl丄KU-PIL2pl23Pl3dF1■15Pl5ffllT=-7-6PI6pl7卩「IlT20[Pl0Pl丄KU-PIL2pl23Pl3dF1■15Pl5ffllT=-7-6PI6pl7卩「IlT20[iJSJmai.c31LL12CON213JZL■1CON：15C：3DpA-17rrISrniwLL20C230pJ1.0592MHzU1PinPi]Pl.2Pl.3PL-PL.5PioPI'■RE盯P3.0(HXD)P3.1(TXD)P3才-]炳P33(-])lTliP3.4(TD)P3.5(T1)P37(-RD)2iTAL2XT占HGNZ51VDDPO(ADCDPG.11ADI]PD.2(AD2]P：3(AD3jPG4(AD4)I-\AD5)「：：6(AD6i]PD.7(AD■:-&A,V?pAL￡-40VC'!?A393B373635292826333ZSEMP27(A17jP2a(A16)P2血曲P2?一1$P23(A：L)P22(xlLi?2l(A?]P2.i：(A3)DDIE：?STC89C51」單片機20025LED'.-CCAIk-BellSWCONQENPlFBELL吾P2■!圖3.1單片機處理電路3.1.1.STC89C51系列單片機的主要性能特點:STC89C51系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的單片機，指令代碼與傳統(tǒng)8051單片機完全兼容[4]MCS-51的主要特點為:?CPU為8位;?數據存儲器的片內帶128字節(jié)；（RAM）?片內帶振蕩器，頻率范圍為1.2~12MHz；?程序存儲器的尋址空間為64KB；（需要擴展ROM）?片內帶4KB的Flash程序存儲器；（ROM）?用戶位尋址空間128位（16字節(jié)）；（在128個字節(jié)中）?片外數據存儲器的尋址空間為64KB；（需要擴展RAM）?4個8位的并行I/O接口：PO、P1、P2、P3；

2個16位定時器/計數器TO、Tl；（MCS-52子系列為3個，T2）2個優(yōu)先級別的5個中斷源；（高、低2個）18個字節(jié)特殊功能寄存器SFR（MCS—52子系列為21個）；?片內采用單總線結構；1個全雙工的串行I/O接口，可多機通信；?有較強的位處理能力；3.1.2.C51系列單片機的基本組成：計數信號部信A內斷64KB總線擴展控制》可編程I/O程口

編行

可串外部中斷信號控制信號并行I/O口圖3.2框圖P1.0B139初計數信號部信A內斷64KB總線擴展控制》可編程I/O程口

編行

可串外部中斷信號控制信號并行I/O口圖3.2框圖P1.0B139初37vccP11■2P1P1.3■P1.4?P1.SBP1.6■P1.7■FIST■(RXD]P3.D■(TXD]P3.1■〔丙帀]尸32■(INTI)P3.3■(TO]P34■(T1]P3.5IP3.6■<RDjP3.7■XTAL2■XTAI1匚35343332313029_lPI>0(ADO>1PG1(AD1>PD.2(AD2)P0.3(AD3)1PQ.4(AD4)1P0.5(AD5)P0.6(AM)PD.7(AD7)■EAA/PPPShNGND■2028■P2.7(A15)27■P￡.G(A14)26■P2.5(A13)25■P2.4(A12)24■(A11)23■P2.2(A10)22LP2.1(A9>21LP2.0(A8：.圖3.3DIP管腳圖AT89C51與51系列中各種型號芯片的引腳互相兼容。目前多采用40只引腳雙列直插，如圖3.3所示［15引腳按其功能可分為如下3類：①電源及時鐘引腳——VCC、VSS；XTAL1、XTAL2；②控制引腳——RST/VPD、ALE/PROG、PSEN、和EA/VPP；③I/O口引腳——P0、P1、P2、P3，為4個8位I/O口。1）電源引腳VSS（20腳）：接地，0V參考點。VCC（40腳）：5V電源?！咎峁┑綦?、空閑、正常工作電壓】PL7PSENEA/VppALERESET地址總線(ABPL7PSENEA/VppALERESET地址總線(AB效據總緣應圖3.4總線分布2）外接晶體引腳XTAL1（19腳）：接外部晶體振蕩器的一端。當使用芯片內部時鐘時，此腳用于外接石英晶體振蕩器和微調電容；當使用外部時鐘時，對于HMOS單片機，此引腳接地；對于CMOS單片機，此引腳作為外部振蕩信號的輸入端⑹。XTAL2（18腳）：接外部晶體振蕩器的另一端，當使用芯片內部時鐘時，此腳用于外接石英晶體振蕩器和微調電容。當使用外部時鐘時，對于HMOS單片機，此引腳接外部振蕩源；對于CMOS單片機，此引腳懸空不接。89C51晶體振蕩器頻率可在6MHZ?40MHZ之間選擇，常選6MHz或12MHz的石英晶體。電容的值沒有嚴格要求，但其取值對振蕩器的頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度稍有影響，Cl、C2可在20pF~100pF之間選擇。當外接晶體振蕩器時，電容可選30pF±10pF；外接陶瓷振蕩器時，電容可選40pF±10pF。3）控制信號或與其它電源復用引腳（1）RST/VPD（9腳）：復位端。當輸入的復位信號持續(xù)2個以上機器周期（12個晶體振蕩周期）高電平即為有效，用于完成單片機的復位初始化操作。正常工作時，此腳電平應W0.5V。在VCC發(fā)生故障、降低到電平規(guī)定值掉電期間，此引腳可接備用電源VPD（電源范圍5V±0.5V），由VPD向內部RAM供電，以保持內部RAM中的數據。（2）ALE/PROG（30腳）：地址鎖存使能。ALE（AddressLatchEnable）；PROG（Program）ALE/PROG為CPU訪問外部程序存儲器或外部數據存儲器提供地址鎖存信號，將低8位地址鎖存在片外的地址鎖存器中。ALE/PROG引腳第二功能，對片內Flash編程，為編程脈沖輸入端。（3）PSEN（29腳）：（ProgrammerSavingENable），外部程序存儲器讀選通信號。在讀外部程序存儲器時有效（低電平），以實現(xiàn)外部程序存儲器單元的讀操作。在訪問外部數據存儲器、訪問內部程序存儲器時PSEN無效。（4）EA/VPP（31腳）：（EnableAddress/VoltagePulseofProgramming）訪問程序存儲控制信號。當EA/VPP=“0”時，表示讀外部程序存儲器。只讀取外部的程序存儲器中的內容，讀取的地址范圍為0000H?FFFFH（64KB）,片內的4KBFlash程序存儲器不起作用。當當EAVPP二“1”時，表示對程序存儲器的讀操作是從內部程序存儲器開始，并可延至外部程序存儲器。在PC值不超出0FFFH（即不超出片內4KBFlash存儲器的地址范圍）時，單片機讀片內程序存儲器（4KB）中的程序，但當PC值超出0FFFH（即超出片內4KBFlash地址范圍）時，將自動轉向讀取片外60KB（1000H-FFFFH）程序存儲器空間中的程序。對于EPROM（或FLASH）型單片機，在EPROM編程期間，此引腳需加12.75V或21V的編程電壓。3.2.復位電路圖3.5單片機復位電路圖時鐘電路工作后，在REST管腳上加兩個機器周期的高電平，芯片內部開始進行初始復位（如圖3.5）。

3.2.2.測試復位電路P0.7(AD7)-BA?VppALE,-PROG)|PSEN)P2.7(A17)P2.6(/Y16)P2.5(A15)P2.4(A12)P23(A11)P2.2CA10)P2.1(A9)P2,0(A8)32313029283231302928272625242322C13Ov3161718iICYC13Ov3161718iICY119jM20■J。230￡1r11J11.3.3.振蕩電路X?TjIJI丄丿P3.6C-WR)P3?7(-RO)XTA匸1GND0592MHz晶振圖3.7振蕩電路圖本設計晶振選擇頻率為11.0592MHz,電容選擇30pF如圖3.7。經計算得單片機工作機器周期為：11.0592X(1F11.0592M)=1us。3.4.脈搏傳感器部分3.4.1.HK-2000A集成化脈搏傳感器

HK-2000A集成化脈搏傳感器采用高度集成化工藝將靈敏度溫度補償元件、力敏元件（PVDF壓電膜）、信號調理電路、感溫元件集成在傳感器內。利用壓電式原理采集信號，并進行模擬信號輸出，然后輸出同步于人體的脈搏波動的脈沖信號，若脈搏波動一次就能輸出一正脈沖。該類產品將可作用于心率檢測，如健身器材，運動設備中的心率測試。圖3.8HK-2000A集成化脈搏傳感器HK-MOOAlSSftOtSO圖3.9波形圖主要特點:過載：100倍模擬脈沖信號輸出

壓力量程：-50?+300mmHg性能可靠穩(wěn)定，使用壽命長靈敏度比較高過載能力相對較大抗干擾性能力非常強一致性比較好技術指標：f電源電壓：3?12VDC丄—門1f電源電壓：3?12VDC巴,0(RXD)P3」(TXD)P32(-INT0)P3.3(-INT1)P3.4(T0)P3.5(T1)然后單片機在每接收到一個脈沖波形，數碼管就會產生一次計數，直到一分鐘之后，計時結束，單片機才會停止信號接收，同時數碼管計數也會停止，但要是需要重新計數，只需要再次按下測試按鍵開關即可。脈搏傳感器內輸出的波形非常清晰,切比較完整，信號波形就沒必要在進行放大以及調整。但3個接口位置需要注意脈搏傳感器。分別是如圖3.10所示：黑線1號接地，黃線2號接單片機，紅線3號電源。3.4.3.電源電路

采用USB電源接口，電容的作用是濾波，從外界進來的電流，電壓可能不穩(wěn)定，接上電容是為了保證后面的電路電壓相對穩(wěn)定，為方便指示電源工作狀態(tài),電源接通時LED燈亮，表示器件開始工作。3.5顯示報警部分3.5.1?數碼管顯示電路數碼管DS1~DS33.5.1?數碼管顯示電路數碼管DS1~DS3、R12~R21、VT1~VT3、等組成數碼顯示電路。本次系統(tǒng)顯示的方式設計采用動態(tài)掃描，采用共陽數碼管完成，P3.3-P3.5口作三個數碼管的動態(tài)掃描位驅動碼輸出，通過三極管驅動數碼管。P1.0-P1.6口作數碼顯示七段筆劃字形碼的輸出，用以驅動數碼管的各字段。因為單片機的端口輸出電流能

力低，無法直接驅動那些器件，故增加三極管加大功率，驅動數碼管工作。如圖3.12所示。綠色LED燈\I紅色LED燈綠色LED燈\I紅色LED燈紅色LED燈1K電阻PO.O(ADO)PD.ifA-D0P0.2(AD2)P0.3fAD3)PO.4(AD^)PCI.:5(PO.O(ADO)PD.ifA-D0P0.2(AD2)P0.3fAD3)PO.4(AD^)PCI.:5(AD習P0.6CAD6)PO.7<AE^7)-EJ^VppALK-PROG|PSENP2.7(A17)PZ-afAlfi)P2.5(A15)P2.4<A12)P2.3(A11)P2.2CA10)P2.1CA9J40393137DO8550PNP三極管27::兇r_Vl蜂鳴器VCC圖3.13（LED燈與蜂鳴器電路）根據醫(yī)學數據，人體脈搏正常在60到120之間，當數碼管所顯示的示數大于120時LED紅燈亮，蜂鳴器響應報警；示數小于60時LED黃燈亮，蜂鳴器響應報警；示數大于120時小于60時，LED綠燈亮，蜂鳴器不響。因為單片機的端口輸出電流能力低，無法直接驅動那些器件，故增加三極管加大功率，驅動蜂鳴器工作。系統(tǒng)軟件設計4.1主程序流程的設計本程序的主要思路是，利用單片機的兩個定時器/計數器，得出一分鐘的脈搏數，最后送LCD顯示。流程如圖4.1所示。

開始初始化設置TO、T1值為0設計數器結束標志為0開T0,T1中斷Y*算出脈搏頻率送顯示*I結束丿圖4.1主程序流程圖4.2定時器/計數器中斷程序流程的設計TO是定時器，T1是計數器。TO,T1中斷請求來自于輸入單片機中頻率為1Hz的脈沖信號。T0中斷開始執(zhí)行后，檢測T1代表的時間是否大于60S，沒有大于60S則繼續(xù)檢測，大于60S則關T1,T0中斷，然后設計數結束的標志為1。T1中斷采用邊沿觸發(fā)方式，當處于測量狀態(tài)的時候來一個脈沖，脈搏次數就加一，由T0定時一分鐘，累加得出一分鐘的脈搏次數。T0,T1流程分別如圖4.2，圖4.3所示。

圖4.2TO中斷程序流程圖T1中斷入口rLCD顯示T1的值1T結束圖4.3T1中斷程序流程圖4.3顯示程序流程的設計本次設計LCD1602顯示的內容是被測量者一分鐘的脈搏次數。設置的動態(tài)顯示方式是顯示的內容在屏幕上從左向右移動。從中斷程序中取得結果后，顯示測試中的脈搏次數。在液晶屏的第一行將顯示出字符“yourpulseis：”，在第二行顯示出脈搏數。其數據口為P0口。

sbitRS=P2"5;sbitRW=P2飛;sbitE=P2"7;//H數據，L指令//H讀，L//H數據，L指令//H讀，L寫//片使能信號，控制其工作//數據口圖4.4顯示程序流程圖總結本設計主要是51單片機在脈搏測試系統(tǒng)中的應用。重