心率测试仪设计方案SRTP结题论文

SRTP结题论文

论文题目心率测试仪设计方案学院信息科学与工程学院专业信息工程

年级班级040113

姓名王晨

指导教师高翔

目录

论文题目心率测试仪设计方案 (1)

摘要、关键词........................................................................................................................................ ２

第一章绪论................................................................................................................................... ３

1.1 医学常识

1.2 心率测试的意义

1.3 心率测试仪的组成框图

1.4 心率测试的基本过程

第二章基础知识介绍..................................................................................................................... ５

2.1 SC0073微型动态脉搏微压传感器

2.2单片机介绍

2.3 RS232协议串口通信

第三章电路设计方案................................................................................................................. １１

3.1 传感器模块方案选择

3.2 滤波放大电路设计

3.3 比较整形电路设计

3.4 匹配电路设计

3.5 下位机的设计

第四章上位机设计方案............................................................................................................. １８

4.1 上位机设计目的

4.2 功能及要求

4.3 系统框图

4.4 系统主界面设计

4.5 图表分析功能

4.6 数据库存储功能

4.7 健康报告提示

第五章参考文献......................................................................................................................... ２６第六章附录................................................................................................................................. ２６

心率测试仪设计方案

王晨

（东南大学信息科学与工程学院11级南京 211189）

摘要

本设计方案的主要内容是设计一个由信号采集电路、滤波整形电路、计数显示电路组成的实时心率采集系统。本系统MSP430F149单片机为核心控制芯片，SC0073微型压电式脉搏波传感器采集信号，经信号处理电路后将脉冲信号送入单片机，并在12864液晶显示器上进行实时数据显示。同时，本设计采用MSP430F149 作为下位机，PC机作为上位机——于.net Framework4.0框架下利用C#语言开发的的心率测试仪控制系统，通过RS-232串口通信协议将数据传输到PC 机上，我们可以方便地监测测量参数。本文设计的心率测试仪使用方便，只需将传感器轻靠动脉处，即可实时显示出心率。该系统运行稳定，实时性强，安全可靠，系统通用性好，移植、扩展方便，同时具有低成本、低功耗、操作简单等优点，对心血管疾病的早期诊断具有重要的意义。

【关键词】传感器滤波整形电路串口通信上位机设计

Abstract

The main contents of this design is to design a circuit from the signal acquisition, filtering shaping circuit, counting acquisition system displays real-time heart rate circuit composed. This system MSP430F149 microcontroller as the core control chip, SC0073 Micro Piezo pulse wave sensor signal acquisition by the pulse signal after signal processing circuit into the microcontroller and LCD display on the 12864 real-time data display. Meanwhile, the design uses MSP430F149 as the next crew, PC machine as a PC——under. Net Framework4.0 framework using C # language developed heart rate tester control system, via RS-232 serial communication protocol to transfer data to a PC, we can easily monitor the measured parameter. This design of the heart rate tester easy to use, simply by a light sensor artery, heart rate can be displayed in real time. The system is stable, real-time, secure, system versatility, easy to transplant, expansion, and low cost, low power consumption, easy operation, etc., has important significance for the early diagnosis of cardiovascular diseases.

【Keywords】Sensor filter shape circuit design of serial communication between PC

第一章绪论

1.1医学常识

心率(Heart Rate)：用来描述心动周期的专业术语，是指心脏每分钟跳动的次数,以第一声音为准。心电信号是一种非常弱且频率较低的信号，一般幅值在0.05～5mV，频率在0.05～100Hz。

结构特征：心脏是一厚壁的肌性器官，由左右2心房和左右2心室4个心腔组成。心脏的自动节律性收缩，推动血液在循环系统的各种血管中环流，使机体各组织、器官能不断地吐故纳新、新陈代谢。

正常成年人安静时的心率有显著的个体差异，平均在75次/分左右(60—100次/分之间)。心率可因年龄、性别及其它生理情况而不同。初生儿的心率很快，可达130次/分以上。在成年人中，女性的心率一般比男性稍快。同一个人，在安静或睡眠时心率减慢，运动时或情绪激动时心率加快，在某些药物或神经体液因素的影响下，会使心率发生加快或减慢。经常进行体力劳动和体育锻炼的人，平时心率较慢。

健康成人的心率为60～100次/分，大多数为60～80次/分，女性稍快；3岁以下的小儿常在100次/分以上；老年人偏慢。成人每分钟心率超过100次（一般不超过160次/分）或婴幼儿超过150次/分者，称为窦性心动过速。常见于正常人运动、兴奋、激动、吸烟、饮酒和喝浓茶后。也可见于发热、休克、贫血、甲亢、心力衰竭及应用阿托品、肾上腺素、麻黄素等。如果成人的心率在160～220次/分，则称为阵发性心动过速。心率低于60次/分者（一般在40次/分以上），称为窦性心动过缓[5]。可见于长期从事重体力劳动和运动员；病理性的见于甲状腺机能低下、颅内压增高、阻塞性黄疸、以及洋地黄、奎尼丁或心得安类药物过量或中毒。如心率低于40次/分，应考虑有房室传导阻滞。心率过快超过160次/分，或低于40次/分，大多见于心脏病病人，病人常有心悸、胸闷、心前区不适，应及早进行详细检查，以便针对病因进行治疗。心电图如图1-1所示。

图1-1 心电图

脉搏波：人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张,使血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播,这种波称为脉搏波。脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息,很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。正常人脉搏数为60～80次/分钟，婴儿为90～100次/分钟，老人为100～150次/分钟。脉搏波如图1-2所示。

图1-2 脉搏波

心率与脉搏的联系：心率与脉搏在身体正常的时候是相等的，只有在心脏出现疾病的时候出现。因此心率测量问题可以转化为脉搏的测量，而脉搏的测量有更容易实现特点，在实际应用中得到广泛运用。

本监测系统的有效测量范围为60次－199次/分钟。

检测的基本原理是：随着心脏的搏动，波动压力信号的频率与人体每分钟的脉搏次数成正比，故只要把它转换成脉沖并进行整形、计数和显示，即可实时地测出脉搏的次数。

1.2心率测试的意义

现代的医学电子仪器已不仅仅是单纯的医学电子测量仪器硬件系统，而应该是基于电子技术、计算机技术、数字信号处理技术的生理量检测和分析系统，本课题把生理量的测量和生物信号处理技术融为一体。本课题所设计的心率测试仪属于一种集轻型化、一体化、可视化等优点的便携式测试仪。

心率是指人体心脏每分钟搏动的次数．它是反映心脏是否正常工作的一个重要参数。同时心率值也是衡量体力劳动强度和脑力劳动强度的重要指标。因此，设计一种可随身携带、可长时间记录、显示和存贮心率值，可与微机通讯并具有较强抗干扰能力，能对超出正常范围的心率进行报警的心率测试仪是十分必要的。

1.3心率测试仪的组成框图

系统框图如图1-3。

图1-3 心率测试仪的系统框图

1.4心率测试的基本过程

测量心率最简单的方法是记录一分钟脉搏的次数。根据人体脉搏信号特征，本文设计了一种测量脉搏每分钟跳动次数的系统。本系统通过脉搏传感器采集脉搏信息，将脉搏压力信号转化为电压信号，经信号放大电路对其进行放大，再经过滤波器，滤去干扰信号，再将所得信号进行电压比较，波形整形，形成脉冲作为计数器的计数脉冲，然后送入显示电路，同时利用串口通信将数据传送至上位机系统，在上位机中进行数据分析，得出健康报告。

第二章基础知识介绍

2.1 SC0073微型动态脉搏微压传感器

如图2-1，动态微压传感器是一种高性能、低成本的压电式小型压力传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，在经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击波能力强，抗干扰性好、操作简便、体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。

图2-1 SC0073微型动态脉搏微压传感器

图2-2为传感器使用电路图。

图2-2 传感器使用电路图

（1）传感器典型应用：

脉搏计数探测

按键键盘，触摸键盘

振动、冲击、碰撞报警

振动加速度测量

管道压力波动

其它机电转换、动态力检测等

（2）传感器主要性能指标[4]：

压力范围：≤1Kpa

灵敏度：≥0.2mv/pa

非线性度：≤1% F.S

频率响应：1~1000HZ

标准工作电压：3V (DC)

扩充工作电压： 1.5~6V (DC)

标准负载电阻： 10K

扩充电阻： 5K~20K

外形尺寸： F12.7 X 7.6

重量：＜1.5g

2.2 单片机介绍

2.2.1 MSP430F149主要性能

本设计采用的MSP430F149单片机属于德州仪器公司MSP430系列。MSP430系列是一组超低功耗的微控制器，由多种针对不同应用目标而以不同模块组成的型号组成。微控制器设计成可使用电池长期工作，电源电压范围1.8～3.6V。

MSP430F149 有60KB的Flash和2KB的RAM。其中Flash又分为120段主存储器（每段512B）和两段信息存储器（每段128B）。Flash可以整个擦除也可以分段擦除，这给系统的软硬件设计带来了极大的便利和灵活。鉴于单片机存储器的容量和特点，外部不用扩展存储器和I/O口，外围设备得到了简化。

MSP430F149 的工作电压是3.3V，因此，其I/O电平也是3.3V逻辑电平，并且与5V TTL电平兼容。MSP430F149有两个串行异步通信口，两者的切换是通过MSP430F149单片机控制多路转换器CD4052的A和B端引脚的电平高低来转换的。

图2-3 开发板实物图

特点：

低功耗16位单片机

精简指令集（RISC），单周期指令，含硬件乘法器等强大的运算处理模块 低功耗，5种工作模式，待机电流小于1uA（51待机的千分之一）

丰富的片内外设，开放的架构，16位数据处理能力，完整的片内数据链路 单芯片，高性价比

资源：

60KB Flash ROM.

2KB SRAM

48个IO(可设置为普通IO或内部模块输入/输出) 3组时钟

3个定时器A比较/捕获模块(带PWM模块)

7个定时器B比较/捕获模块(带PWM模块)

USART0(UART和SPI)

USART1(UART和SPI)

1个片内比较器A

8路模拟量输入端口

12位片内ADC

片内2.5V和1.5V参考电压

1路外部参考电压输入端口

内部参考电压可输出

硬件乘法器

2.2.2 MSP430F149引脚说明

图2-4 MSP430F149引脚图

2.3 RS232协议串口通信

MSP430F149 与主机的数据通信是通过RS232通信模块实现的。RS232模块主要由Maxim公司的MAX232/MAX232A接收/发送器组成，是Maxim公司特别为满足EIA/TEA 232E的标准而设计的。它们在EIA/TIA 232E标准串行通信接口中日益得到广泛的应用，功耗低、工作电源为单电源，外接电容仅为0.1μF或1μF；采用双列直插封装形式、接收器输出为三态 TTL COMS等优越性，为双组RS232接收/发送器，工作电源为+5V，波特率高，价格低，可在一般需要串行通信的系统中使用。

EIA RS-232C通信协议：RS-232C 标准（协议）的全称是 EIA-RS-232C 标准，其中EIA (Electronic Industry Association）代表美国电子工业协会，RS（recommended standard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969）。RS-232C标准规定，若不使用MODEM，在码元畸变小于4%的情况下，DTE和DCE之间最大传输距离为15m。

RS232 九引脚通信设备及各个引脚功能（上排左起1~5，下排左起6~9）如图2-5：

图2-5 引脚图

图2-6 RS232DB9 实物图和各引脚功能

MAX232芯片：EIA RS-232C 是用正负电压来表示逻辑状态，与TT恋以高低

电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA RS-232C 与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。我们使用美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片MAX232，使用+5v单电源供电。

图2-7 MAX232芯片引脚图

（1）电荷泵电路：由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v 和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

（2）数据转换通道：由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

（3）供电： 15脚GND、16脚VCC（+5v）。

MAX232具体电路连接如图2-8：

图2-8 串口通信电路

第三章电路设计方案

3.1 传感器模块方案选择

本设计中的关键之处在于信号的采集，信号采集可以分为压电式信号采集或光电式信号采集，由于光电信号采集相对误差较大，可控制度低且成本比较高。于是本设计采用压电式传感器采取信号。考虑到的压电式传感器有压电薄膜传感器、压电陶瓷片、HK-2000系列的脉搏传感器、MB-4型脉搏波传感器和SC0073微型脉搏传感器。

由本文2.1节介绍的SC0073微型动态脉搏微压传感器具有比较高的灵敏度，非线性比较好，频率响应范围很广，但如果人体脉搏每分钟心跳少于60下，则有可能检测不到脉搏信号，扩充工作电压可以与单片机的工作电压匹配，节省了另外的独立的工作电源。外形尺寸小巧轻便，价格在70元左右。总体来说，除了测量脉搏范围有一点儿不足外。其他各方面的性能都值得考虑。[5] HK-2000A集成化脉搏传感器性能指标如下：

电源电压： 3-12VDC

压力量程： -50-+300mmHg

过载： 100倍

输出高电平：大于VCC-1.5V

输出低电平：小于0.2V

HK-2000A集成化脉搏传感器采用高度集成化工艺将力敏原件PVDF压电膜、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内。脉搏波动一次输出一正脉冲。该产品可用于脉率检测，主要用于运动、健身器材中的心率测试。其灵敏度高、抗干扰性能强、过载能力大、一致性好，性能稳定可靠，使用寿命长。价格在100元左右。

HK-2000B集成化脉搏传感器性能指标如下：

电源电压： 5-6VDC

压力量程： -50-+300mmHg

灵敏度： 2000uV/mmHg

灵敏度温度系数： 1×10-4/℃

精度： 0.5%

重复性： 0.5%

迟滞： 0.5%

过载： 100倍

HK-2000B集成化脉搏传感器采用高度集成化工艺将力敏原件PVDF压电膜、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内。主要应用于无创心血管测试，中医脉象诊断。其灵敏度高、抗干扰能力强、过载能力大、一致性好，性能稳定可靠，使用寿命长。价格在240元左右。

HK-2000C集成化数字脉搏传感器在HK-2000B集成化脉搏传感器基础上增加了程控放大电路、基线调整电路、A/D转换电路、串行通信电路，使用户使用更方便、快捷。性能指标同HK-2000B集成化脉搏传感器。价格在480元左右。

MB-4型脉搏波传感器主要性能指标如下：

频率响应： 0.1-35Hz

灵敏度： >2mV/Pa（对于正常脉搏波信号，输出幅度可达3-4Vpp）绝缘阻抗： >1000MΩ

输出阻抗： <1KΩ

体积：φ22×15mm

电源电压： 5-9VDC

MB-4型脉搏波传感器灵敏度很高、抗过载能力强、抗干扰性能优、具有操作简便等特点。本传感器壳体内已配置放大器和输出阻抗变换器，可以很方便地与其他电路相匹配。适用于心脏功能监测仪检测体表脉搏搏动波形。实际使用时往往不必再加其他放大环节，可以直接送到A/D变换器等环节进行处理。

压电薄膜传感器与压电陶瓷片传感器价格低廉，但市面上很难找到卖家，从网上买又有最小订货量的限制，HK-2000A集成化脉搏传感器与SC0073微型动态脉搏传感器功能相近，但价格比后者高出许多。HK-2000B集成化脉搏传感器与MB-4型脉搏传感器虽然功能很强大，但同样价格也很高，从设计成本上考虑太奢侈，不适合设计的应用。

HK-2000系列的脉搏传感器功能比较全，但价格非常高，在三四百元左右，MB-4型脉搏波传感器功能上能与HK-2000C集成化数字脉搏传感器相媲美，价格比HK-2000B集成化脉搏传感器又低，具有频率响应为0.1-35Hz，且灵敏度高，内置放大电路，输出模拟信号可直接送人ADC0809芯片处理，是相当理想的脉搏波传感器，价格在200元左右，而SC0073微型脉搏传感器价格在60元左右，其频率响应为1-1000Hz，也就是说如果人体脉搏每分钟心跳少于60下，则有可能检测不到脉搏信号。

综合考虑，MB-4微型脉搏传感器性价比高，为第一选择。SC0073微型脉搏传感器为第二选择。由于市面上无法购买到MB-4微型脉搏传感器，因此只能求其次，故而本设计采用SC0073微型脉搏传感器。因此，本设计的测量心率范围最低值为60次/分钟，考虑到很少情况下心率值为少于60次/分钟，故本系统仍能够较好的满足使用要求。

3.2 滤波放大电路设计

由于SC0073微型脉搏传感器输出信号最高电压值略小于供电电压VCC，也即其内部已集成放大，故不需要外部电路进行信号放大，只需最后设计好匹配电路即可。然而，信号采集过程中的外界干扰很多，其中最主要的干扰为50Hz的工频干扰，需要得到1-2Hz左右的有效频率信号则必然需要设计进行滤波器设计。本文采用二阶有源滤波器设计方案。利用Multisim12.0仿真软件仿真电路图如图3-1：

图3-1 滤波电路

该滤波电路的频率响应如图3-2：

图3-2 滤波电路频率响应

由图3-2知，滤波电路的截止频率为 4.9Hz，基本上能够很好的抑制干扰，由SC0073采集到的压电信号经过滤波器输出后的实验波形如图3-3：

图3-3 滤波电路输出波形

由图中波形知，当SC0073微型脉搏传感器正常状态下输出4.2VDC 电压（5VDC

电源供电情况下），当有压力信号时会产生一脉冲信号。信号的频率约为1.43Hz,

心率为85.7次/分钟，实验结果较为合理。3.3 比较整形电路设计

将图3-3中的滤波器输出波形进行比较整形，整形电路如图3-4：

图3-4 比较整形电路

图3-4所示的比较整形电路中，比较电压为2.5VDC ，当信号电压高于2.5VDC

值时，放大器uA741的6脚输出+5V 电压，低于2.5VDC 值时，放大器uA741的6

脚输出-5V 电压。6脚输出信号经RC 耦合电路进行整形。

RC 常数τ：

36510101000105101RC s

s τ-==???= 脉冲信号经过整形后得到较好的方波信号，实验输出波形如图3-5所示：

图3-5 比较整形电路输出波形

3.4 匹配电路设计

由于单片机IO口输入高电平为3.3V，最高电压不能超过4.1V，且图3-4整形电路的输出端与单片机连接时需要考虑共地、阻抗匹配等问题。因此本文设计了匹配电路。

首先，利用反向的二极管取出整形电路输出信号中的负压信号，再经过如图3-6所示电路，则能够很好的满足设计要求。

第四章上位机设计

图3-6 阻抗匹配电路设计

图3-6所示阻抗匹配电路，信号经反相放大器。

增益为

因此输出信号幅度为40.82 3.28?=，能够符合单片机IO 口输入电平要求。

实验输出波形如图3-7所示：

图3-7 接入单片机的脉搏信号波形

3.5 下位机的设计

下位机以MSP430F149单片机作为主处理芯片，定时向上位机发送心率采样

值数据，并同时将心率值同步显示在液晶显示器12864上。传输协议：本系统采用RS232传输协议来实现系统通信，RS232最大传输距

离为15m ，完全可以实现试验用系统的短距离信息传输。本系统采用的波特率为

2400bps ，起始位和停止位均设定为1bit ，因传送字符的ASCII 码，故数据位设

定为8bits ，无奇偶校验位。接口设计：系统通信仅涉及心率值的传输。

下位机发送的数据格式为：078，因此接口设计为3位的unsigned charr 型

数组具体定义如下：

关键代码见附录一。

42

0.82o vf i V R A V R ==-=-

第四章上位机设计方案

4.1 上位机设计目的

本次设计要求完成上位机和下位机的统一设计，完成整个系统的设计开发。利用所学单片机和C语言的相关知识完成下位机的设计，以面向对象开发语言

C#为基础，完成上位机的开发，综合所学知识，系统地完成整个系统的设计，使之能够系统协调的工作。初步掌握从整个系统的角度设计实现的方法，包括上位机和下位机的接口设计，通信协议的设计等。

4.2 功能及要求

本系统主要利用串口通信，实现心率的实时采集和处理分析等简要功能。下位机接收上位机的指令实现心率采集及数据显示，上位机具有实时心率曲线显示功能；并能够调用数据库来查看、删除历史数据，以图表的形式作进一步统计分析，并能够通过分析结果给出健康报告。

本系统不涉及多机通信。下位机以MSP430F149单片机作为主处理芯片，能够按任意时间间隔发送心率采样值数据。上位机能够接收并显示心率值，并能够将数据存进数据库，实时心率曲线显示，历史记录查询与删除，并实现根据历史记录完成简要分析的功能。[6]

4.3 系统框图

系统框图如图4-1；

图4-1 系统框图

4.4 系统主界面设计

图4-2所示为系统主界面。