基于单片机的脉搏测量仪设计

摘要

本文介绍的是一种基于单片机的脉搏测量仪设计，作为该系统中重要的电路模块，如心率采集电路、显示电路和STC89C52单片机之间通过串口实现连接。本次设计运用单片机STC89C52作为中心控制处理单元，通过ST188作为红外光电传感器来采集脉搏信号，经过LM358进行运放；再通过前后级滤波、放大、整形，从而得到稳定信号；实现了快速检测心率的功能。还可以通过按键来设置脉搏值的上下限范围；蜂鸣器驱动模块可以在超出所设置的范围时进行报警提示，测量结果在液晶上显示。

实验表明，该设计的测试结果与实际的要求基本一致，STC89C52单片机超强的抗干扰能力和LCD1602显示屏控制比较方便的优点使这些功能能够顺利地完成。该系统的制作成本在百元以内，具有价格低廉、便于操纵、功耗小、可靠性高等优点，十分适用于家庭和个人使用。

关键词：心率；红外光电传感器；STC89C52；LM358；软件

Abstract

Presented in this paper is a design of pulse measuring instrument based on MCU, as the circuit module plays an important role in the system, such as heart rate acquisition circuit, display circuit and STC89C52 microcontroller through the serial port to realize the connection. This design with STC89C52 microcontroller as the central control unit, through ST188 as infrared photoelectric sensor to collect the pulse signal, after the lm358 for op amp; again through before and after filtering, magnifying, shaping, and get stable signal; functions to achieve the rapid detection of heart. You can also through the button to set the pulse value scope; buzzer driver module In the range beyond the scope of the alarm prompt, the measurement results in the liquid crystal display.

Experimental results show that the test results of the design and practical requirements are basically the same, STC89C52 MCU strong anti-interference ability and LCD1602 display control the advantages of more convenient so that these features can be successfully completed. The production cost less than 100 yuan, with low price, easy manipulation, low power consumption, high reliability, very applicable to families and individuals.

Key words: heart rate; infrared photoelectric sensor; STC89C52; LM358; software

目录

第1章引言 0

1.1 选题背景及意义 0

1.2 国内外发展现状 0

1.3 课题研究内容 (1)

第2章整体方案设计 (2)

2.1 核心器件的选型 (2)

2.1.1 单片机的选型 (2)

2.1.2传感器的选型 (3)

2.1.3 显示模块的选型 (4)

2.2 系统方案设计 (4)

第3章硬件系统设计 (5)

3.1 单片机最小系统 (5)

3.1.1 电源电路 (7)

3.1.2 复位电路 (8)

3.1.3 时钟电路 (9)

3.2 信号变送系统 (9)

3.2.1 信号采集电路 (9)

3.2.2 滤波电路 (11)

3.2.3 信号放大电路 (12)

3.3 显示电路 (13)

3.4 按键电路 (16)

3.5 报警电路 (17)

3.6 系统硬件电路 (18)

第4章软件系统设计 (19)

4.1 软件编译环境 (19)

4.2 STC-ISP程序下载 (20)

4.3 程序流程图 (20)

4.2.1 主程序流程图 (20)

4.2.2 定时器中断流程图 (22)

4.2.3 显示模块流程图 (23)

4.2.4 心率测量流程图 (24)

第5章系统调试 (26)

5.1 硬件调试 (26)

5.2 软件调试 (26)

5.3 设计结果 (27)

结论 (33)

致谢 (34)

参考文献 (35)

附录一：系统原理图 (37)

附录二：源程序 (38)

第1章引言

1.1 选题背景及意义

心率(Heart Rate)用专业术语来说就是用来描述人体心率跳动的周期。现代汉语中将脉搏值解释为"心脏跳动的频率"；故心率也可以说在一个单位时间内，心脏律动的快慢。

每个人的心率信号中大都蕴含着丰富的生理心理信息，这是由于人体内脏器官的健康可以反映在脉搏信息中；这一发现逐渐引起了众多临床医生的关注。在我国，脉诊一直被视为中华医术的精髓；到目前为止进行的临床实践大约已有2600多年。然而由于手指经常使用会存在一些汗腺，指脉诊断存在的误差不容忽视；进而导致测量不准确。这时或许你会说还有耳脉测量呢，不是以前也经常用过吗？虽说通过测量耳朵脉动来得到脉搏信号相对来说比较干净，但由于耳朵脉搏信号微弱，特别是当季节变化时，测量信号容易受到环境温度的影响，导致测量值不准确。

随着世界科技与经济的迅速发展和进步，珍爱生命、关注健康已经成为全世界人类的共同追求。据卫生局统计每年因心脑血管疾病猝死的人数位居人类死亡总数的第一位，不仅医疗费用居高不下，还给家庭、政府和社会造成巨大负担。近些年来，由于生活节奏加快、饮食习惯不合理和众多垃圾食品的影响等原因，心脑血管的发病率更是呈现逐年上升的趋势。如何科学且无害的降低心脑血管疾病的发病率及死亡率，有效的减轻心脑血管疾病带来的社会和家庭负担，已经成为全世界人类所面临的一个十分严峻问题。

1.2 国内外发展现状

世界上第一台杠杆式脉搏扫描仪是Vierordt于1854年创建的，它是采用杠杆和压力鼓式描记法来记录脉搏波形图的，也是人类第一次通过非侵入性的方式记录人体脉搏的，当时引起了很大轰动。然而国内的发展起点相对来说比较低，20世纪50年代初朱颜才将脉搏仪引用到中医脉诊的客观化研究方面。近些年来无创伤血管功能检测渐渐吸引了医学人士的目光。大约在1980年以来，无创伤血管功能检测被小范围使用，它的原理大致是基于血流动力流变学和弹性腔理论。其特征在于：它由温度模块、血压袖带模块、血氧模块构成的多生理信号采集模块组合，通过对肱动脉进行阻断再开放过程中手指指端温度信号、血氧及脉搏波信号的各参数变化，再根据临床试验采集数据，并通过信号处理和统计分析

方法，建立血管功能定量评价公式及血管功能评价。它具有无创、操作简单、结果准确、重复性好及临床应用方便，并自动生成心血管功能的诊断、健康状况的分析及给出相关的医学解释。

现在脉冲测试不再局限于传统的手工测试或听诊器测试，仅利用电子仪器就可以测量得出更准确的数据。当今社会，大部分电子测量仪器中已朝向数字化、自动化方向发展。脉冲测量仪不仅性能好，结构简单，而且具有很好的应用和推广价值。在一般情况下，脉冲测量仪器的发展主要是以下趋势，第一：在没有人为的情况下可以自动分析所测得的脉搏值；传统的脉搏仪器需要经过有经验的医生对其脉搏信号先进行初次分析，然后进行综合分析后最终能确认结果，这种方法总的说来不仅浪费大量的人力，而且由人为引入的误差也比较大。第二：数字化技术等先进技术的广泛应用；脉搏测量仪集成度要想做到更高程度，并且更加便于携带必须依靠数字科学技术的迅速发展；与此同时数字信号处理的运用将使干扰变得更小，测量结果更为准确。第三：多功能化会越来越明显。第四：价格便宜、方便携带，而且应用和推广价值较好，给广大民众带来便利。

1.3 课题研究内容

历来在医院进行临床诊断及治疗的依据大都来源于人体脉搏波中提取的生理病理信息。在中国，脉诊是老中医最常用的诊断疾病的方式，一直沿用至今。人体发射出来的脉搏信号包含了心率的波速、波形、周期和波幅等全方面、全方位综合信息，在很大程度上能够体现出人体身体中的各部分信息（例如血液粘度、血液速度等）。尽管这些生物信号存在于人体自身当中，其信号强度相对来说比较微弱；若是在嘈杂的环境中效果更不明显。

本次毕业设计的原理是采用单片机微处理器STC89C52作为中心处理器；通过传感器采集脉搏信号，通过单片机芯片在内部的系统定时器来设定时间；最后得到的心率跳动数值通过STC89C52单片机对信号进行累加即可。一般正常人的心跳大约是每分钟60~100次左右，电路图上的按键模块就可以通过按键来设置人们的心率范围；超出或低于所设置范围可能心脏方面会存在风险，蜂鸣器驱动模块就会驱动蜂鸣器报警；最终的测量结果会在液晶上显示。本设计能够通过查看红外指示灯是否来回闪动，若稳定持续闪烁，说明检测结果正确且误差较小；假设显示结果来回晃动且数值相差较大，有可能存在误差。通过上述步骤，能够粗略地判断人体自身的健康程度，特别适用于个人或家庭使用，有时还被应用在敬老院、保健医疗中心等。

第2章整体方案设计

本章主要写的是系统整体方案设计，其任务是设计一个以STC89C52单片机控制的脉搏测量仪，目的是为了快速的检测人的心率。整体方案设计的步骤是：首先要选取合适的核心器件，比如单片机芯片、传感器、显示器等；然后确定本次设计的主要模块，如单片机最小系统、显示模块、报警模块等，将其整合就可以大致得到脉搏测量仪设计的总体框架图。

2.1 核心器件的选型

在电路设计之前必须明确方案设计，在本论文中单片机型号、信号采集模块以及显示模块是设计得以成功的关键。通过比较器件的优缺点来选择最合适的单元模块，可以发挥设备的最大效能。

2.1.1 单片机的选型

要实现该系统的各个功能，那么单片机的选型非常关键。根据本次设计的需要，可从当前市场上比较常用的几款单片机中选择一种性价比较高的型号，如MCS-51系列、AT89系列、STC89系列、PIC系列、AVR系列等等。其中PIC系列和AVR系列主要用于大型的办公自动化产品中，而本次脉搏测量仪控制系统属于比较小型的系统，选用STC89C52单片机就足以实现其功能，故在本论文中就不再做详细的介绍PIC系列与AVR系列了。那么下面将会对前三个系列中具有代表性的单片机进行简单的介绍和比较。

方案一：AT89C51与8051的比较

AT89C51单片机最基本的功能就是8051系列单片机的功能，从而使8位MCS-51系列单片机可以持续地发展，引脚信号、总线、指令、与某些方面兼容。能够保障两者间没有指令的障碍从而维持软件的可移置性，则成为指令的兼容；为而了保证单片机系统扩展与接口的统一性就需要总线、封装以及引脚信号的兼容，这对系统的开发与应用非常有利。630MW与120MW分别是8051与AT89C52单片机的功耗，从这就不难发现低功耗是AT89C52具有的性能，而低功耗对于单片机在野外仪器设备上的使用和在单片机的手提式与便携式方面都有巨大的便利。

方案二：STC89C52与AT89C52的比较

STC89C52单片机和AT89C52单片机相比较区分并不特别明显，具体特点如下：STC89C52单片机有8K字节程序存储空间；512字节数据存储空间；内带2K

字节EEPROM存储空间；AT89S52单片机有8K字节程序存储空间；256字节数据存储空间；没有内带EEPROM存储空间;另外STC89C52单片机直接用串口下载ISP就可以了，而AT89C52单片机要多装一个驱动，即需要专用的下载器才可以下载ISP；STC89C52单片机比AT89C52单片机具有更强的抗干扰能力。

经过以上比较与分析，本次设计选用STC89C52单片机更为适宜。

2.1.2传感器的选型

方案一：基于声电式传感器的脉搏信号提取

声电式传感器也可称之为力学量传感器，其原理是传感器为了得到向单片机发送的电压信号必须采集固体、液体、或气体中传播的机械振动。正常情况下它的构成一般是由不定性无烟煤颗粒或压电陶瓷等材料。使用寿命长、成本低和容易制作是颗粒式声电传感器最大的优点；然而颗粒的机械磨损和接触表面上的瞬间电弧会使颗粒逐渐老化却是不容忽略的一大缺点；因而在检测声音信号时存在着一定的缺陷，从而导致杂音大、性能不稳定以及测量结果不精确。

方案二：基于红外光电传感器的脉搏信号提取

对于红外光电传感器来说，红外发射管和红外接收管是必不可收的器件。若是采集脉搏时需要经手指肚平缓均匀地放在红外对管上，其中一个白色的是红外发射管，黑色的是红外接收管，接收管将采集到的光信号转换成电信号，然后触发单片机使之将结果反映在显示模块。一般来说，光电二极管和光电三极管是比较常用的光电器件。光电式传感器测量微小的位移变化有明显的效果，但是红外光电传感器对材料、电路控制和光电管属性要求较高，其主要特点有：吸收红外光的能力极强；介电常数小，以便得到大的输出电压；介电损耗小。

在以上两种方法中，我认为若是想很好的采集脉搏信息的话第二种方案更易实现，并且红外也比较常见；比较之下选择了第二种方案来实现设计。综上所述，本次设计决定选用ST188作为红外光电传感器来采集脉搏信息，然后进行运放，滤波处理，从而得到稳定的脉搏波。红外光电传感器检测、滤除高频脉冲波、运

图2-1信号检测处理工作流程图