基于单片机心率计的设计

前排提示，此论文是本人毕业的时候所做论文，通过了查前排提示，此论文是本人毕业的时候所做论文，通过了查 重与答辩，内容真实可靠，结果完美运行重与答辩，内容真实可靠，结果完美运行 归 档 号： 武武汉汉工工商商学学院院 毕毕业业论论文文( (设设计计) ) 学学院院 ： 信息工程学院信息工程学院 专专业业 ：电电子子信信息息工工程程 年年级级 ： 学学生生 ： 学学号号 ： 指指导导教教师师 ： 职职称称 : : 讲讲师师 题题目目 : : 基于单片机心率计的设计基于单片机心率计的设计 2 20 01 16 6 年年 月月 日日 武汉工商学院武汉工商学院 本科毕业论文（设计）原创性声明本科毕业论文（设计）原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意 识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 年 月 日 目目 录录 摘要摘要 .III 关键词 .III ABSTRACT .IV KEY WORDS .IV 1 绪论 .1 1.1 前言 .1 1.2 研究意义 .1 2 方案论证以及元器件选择 .2 2.1 传感器的选择与论证 .2 2.2 信号处理方案选择和论证 .2 2.3 显示模块选择和论证 .3 3 硬件系统设计 .4 3.1 系统设计总框图 .4 3.2 单片机最小系统部分 .4 3.3 输入部分 .5 3.3.1 信号采集电路.5 3.3.2 信号放大整形电路.6 3.3.3 键盘电路.8 3.4 输出模块 .9 3.4.1 LCD1602 显示电路.9 3.4.2 蜂鸣器.10 4 系统软件设计 .11 4.1 测量计算原理 .11 4.2 程序流程图 .12 4.2.1 主流程图.12 4.2.2 心率计数流程图.13 5 系统测试 .14 5.1 仿真 .14 5.2 测试数据 .14 5.3 实物效果图 .15 6 总结 .15 参考文献 .16 基于单片机心率计的设计 摘摘 要要 随着经济的飞速发展，人们的生活水平得到了极大的提升，但是工作压力也 是越来越大，很多人生活不规律，又缺乏锻炼，所以疾病就容易找上门。近几年 来，患心脑血管疾病的人越来越多，这类疾病患病率和死亡率都很高，即使应用 目前最先进的治疗手段也不能保证病人完全康复。死于心脑血管疾病的人数逐年 增多，因此越来越多的人开始关注健康。本设计做的就是能够方便地测量心率并 实时显示的数字心率计。 此次设计以单片机为核心控制单元，由红外传感器采集信号，LM358 放大和整 形，以及按键和电源供电作为输入部分，LCD1602 液晶显示和蜂鸣器为输出部分。 测量上下限可用按键调节，并使用蜂鸣器报警，传感器放置部位并不固定，只要 有比较明显的脉搏信号即可，因为指尖的厚度相对人体其他组织而言薄一点，透 过手指后检测到的光强比较大，所以本次设计传感器的测量部分选取指尖，每检 测到一次脉搏跳动红色发光二极管就会亮一次，测量结果在液晶上显示。 关键词：心率计；红外传感器；单片机 STC89C51；LM358 放大器 Design of Heart Rate Meter Based on Single Chip Microcomputer Abstract With the rapid development of society, peoples living standards have been greatly improved, but the work pressure is also growing, a lot of people are not regular life, and lack of exercise, so the disease is easy to find the door. In recent years, more and more people suffering from cardiovascular and cerebrovascular diseases, the disease prevalence rate, high disability rate and high mortality, even if the application is currently the most advanced and perfect treatment means can not guarantee the patient fully recovered. The number of people dying from cardiovascular and cerebrovascular diseases each year is as high as 15 million, so more and more people pay more attention to it. This design is to be able to easily measure the heart rate and real-time display of digital heart rate. The design of single-chip microcomputer as the core control unit, by the infrared sensor signal acquisition, lm358 amplification and shaping, and the buttons and power supply as input, LCD1602 LCD and buzzer output part. Measurement of upper and lower keys can be used to regulation, and use the buzzer alarm, sensor location is not fixed, as long as there is a more obvious pulse signal can be, because the thickness of the fingertip relative to other tissues in the body a little thin, light intensity through the fingers after detected relatively large, so the measuring part of the design of the sensor selection of fingertip, each detection to a pulse beat red light emitting diode will be a bright, the final measurement results in digital form on the LCD display. Key words: heart rate meter; infrared sensor; single chip microcomputer STC89C51; LM358 amplifier 1 绪论 1.1 前言 现在人们的生活水平虽然不断提高，但是因为工作繁重，没有时间等等原因 没有去锻炼身体，加上饮食不规律，身体也许会出现问题。身体是革命的本钱， 越来越多的人认识到这一点，开始关注自身的健康。说起健康问题，每年心脏病 都会夺取许多人的生命，各种各样的心脑血管疾病威胁着人类的健康。在现实生 活中，能够直接测量心率的仪器不是很多，在一些小型的医院和诊所里面，有些 医生还在使用淘汰了的的手动听诊器，大大影响了工作的效率，拖延了最佳治疗 的时间。这可能会影响病人的病情，这种情况为此次心率计的设计奠定了基础。 1.2 研究意义 心率就是指心脏一分钟跳动的次数，它能够反映出心脏的工作状态，从而发 现人体是否健康。在体育竞赛和临床治疗等方面，准确实时的心率测量都有广泛 的应用。近年来，心脑血管疾病正在夺走越来越多人的生命，于是很多人开始关 注自身的健康状况，很多心脑血管疾病可以通过脉搏反映出来，防病比治病更重 要，针对这些疾病的早期预防是很有意义的工作。 自古以来，脉诊在中医里面就有的重要的地位，医生通过把脉来判断人体的 健康程度。这种方法简单方便，却也暴露了很多问题。医院的医生用听诊器对病 人的心脏进行计数的时候为了节省时间，一般也不会测量一分钟，通常是测量10 秒钟的心跳次数，在乘以6得出一分钟的心跳次数，这种方法还是比较浪费时间， 而且精准度也不高。 动脉硬化检测仪等新技术虽然国内已经引进，但是，这些仪器只在大型医院 中有，使用成本很高，而且也不能随时随地的对心率进行测量。针对这个情况,就 有必要设计出一款简单实用，造价低廉的心率计了。本次设计就是要研制一种面 向个人的便携式数字心率计，能够让人很方便的使用，让人可以随时了解自己的 心血管健康状态，做到对心血管疾病能够及早的发现和预防。 2 方案论证以及元器件选择 2.1 传感器的选择与论证 方案一：使用压力传感器，这种方法是通过脉搏的跳动来采集信号的，当心 脏跳动时，手腕和颈部有明显的脉搏，然后把压力传感器放在手腕或者颈部，测 得的信号转换为成为脉冲信号，对脉冲信号整形计数得出心率。 方案二：采用红外传感器来采集心率信号。传感器是由红外发射管以及光敏二 极管组成的。电源给红外发射管加正向的电压，正向的电压产生正向的电流，给 红外发射管发射红外线提供了能量。红外线属于不可见光，它的波长在 760 纳米 到 1 毫米之间。红外接收管具有单向导电特性，所以运行时要加反向的电压。它 的管芯其实是 PN 结，这个 PN 结是具有光敏特性的。当没有光照时，有极小的饱 和反向漏电流，此时光敏二极管截止。当有光照时,饱和反向漏电流大大增强，形 成了光电流,它随着光强度的变化而变化。所以可以通过光照的强度来改变输出的 电流。红外发射管发射红外线，经过手指的血液吸收，由光敏二极管接收。手指 血管的血液浓度随着心脏的跳动呈现周期性的变化,光敏二极管对光的吸收能力也 发生了相应的改变,使得光敏二极管的输出电流也呈周期性的变化,光敏二极管输 出信号的变化可以反映出脉搏的跳动。 经过两个方案的比较，方案二仅仅需要一个手指就可以快速的采集人体心率 信号，所以选择方案二。 2.2 信号处理方案选择和论证 方案一：小规模数字电路：此方案采用一个二进制计数器，对处理完成的脉 波信号进行计数，计时一分钟，把一分钟的计数值显示出来。不足之处是数字电 路器件功能很单一，电路结构复杂，可移植性差，应用成本高，功耗大，效率低， ，本方案不能实现实时心率测量和超限报警。 方案二：单片机集成电路：单片机全称单片微型计算机，又称为 MCU。单片机 发展迅速，应用越来越广泛 ，所以销量极大，各大公司的竞争十分激烈，所以价 格低廉。单片机对数据的分析与处理等方面十分强大。STC 系列单片机是由 STC 公 司推出的一种 51 内核的单片机。单片机 STC89C51 的内部包含了 CPU，I/O 口， ROM、RAM,功能很强大。只要修改程序和一些外部电路就可以改变整个设计的功能， 维护和移植很方便。以单片机为核心外接按键、显示器等硬件电路，就能完成数 据运算、脉波计数、显示等功能。STC89C51 引脚图如图 2-1 所示。 经过两个方案的比较，单片机集成度高，体积小，易扩展，性价比高的特点 更符合此次设计的要求，所以，本次设计采用单片机 STC89C51。 图 2-1 stc89c51 引脚图 2.3 显示模块选择和论证 方案一：LED 数码管显示 LED 易于编程，显示的亮度高，响应速度。数码管是根据各个发光二极管的的 亮暗组合成字符，根据内部发光二极管的接线形式，可以分为共阴极型和共阳极 型，COM 是发光二极管的公共点，另一端与单片机 I/O 连接，所以占用 I/O 口多， 浪费了 I/O 口的资源。 方案二：LCD1602 液晶显示 LCD1602 液晶显示器可以显示数字，字母和符号。显示质量高，画面不会闪烁， 功耗低，重量体积小，控制简单。而且占用 I/O 口资源线少。 经过两种方案比较，本次设计不仅要显示数字，还要显示字母，所以选择 LCD1602 液晶显示。 3 硬件系统设计 3.1 系统设计总框图 此次设计以单片机为核心控制单元，由红外传感器采集信号，LM358 放大和整 形，以及按键和电源供电作为输入部分，LCD1602 液晶显示和蜂鸣器为输出部分。 系统总框图如图 3-1 所示。 红外发射管发射红外线，经过手指的血液吸收，由光敏二极管接收。手指血 管的血液浓度随着心脏的跳动周期性的变化,光敏接收管的输出信号也是周期性的。 经过 LM358 运算放大器放大得到周期性变化的脉搏信号,在将其整形成脉冲信号送 入单片机 STC89C51 中处理。 红外传感器采集到的信号是与心跳频率相同的，它的波形是类似于正弦的波 形。红外传感器采集的信号是低频信号，这个信号要经过 RC 振荡器滤波消除高频 干扰送到运算放大器 LM358，LM358 会对此信号进行放大和整形，然后送到单片机， 单片机对信号进行处理送到液晶上显示。 图 3-1 系统设计框图 3.2 单片机最小系统部分 单片机 stc89c51 最小系统包括单片机、晶振电路、复位电路。 复位电路，单片机的复位就像普通电脑的重启一样，当系统在运行中不正常 的时候按下复位按键，复位会初始化单片机的内部电路。STC89C51 复位只需要在 9 引脚接一个持续 5ms 的高电平即可。但是不能让 RST 持续为高电平，不然单片机 就处于循环复位状态，而无法执行程序，因此要求复位后能马上脱离复位状态。 当按下复位按键的时候，电容 c1 被短路，9 引脚接收到高电平，复位成功。 晶振电路为单片机提供时钟信号，它由电容和石英晶体组成，它有内部震荡 和外部震荡两种方式，本次设计采用内部震荡方式，即在 STC89C51 引脚 XTAL1 和 引脚 XTAL2 外接电容和石英晶体，晶振为 12Mhz，电容大小选取 30pf。 单片机的最小系统电路图如图 3-2 所示 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 RST 9 P3.0(RX D ) 10 P3.1(TX D ) 11 P3.2(IN T0) 12 P3.3(IN T1) 13 P3.4(T0) 14 P3.5(T1) 15 P3.6(WR) 16 P3.7(RD ) 17 X TA L2 18 X TA L1 19 G ND 20 (A 8)P2.0 21 (A 9)P2.1 22 (A 10)P2.2 23 (A 11)P2.3 24 (A 12)P2.4 25 (A 13)P2.5 26 (A 14)P2.6 27 (A 15)P2.7 28 PSEN 29 A LE/PRO G 30 EA/VPP 31 (A D 7)P0.7 32 (A D 6)P0.6 33 (A D 5)P0.5 34 (A D 4)P0.4 35 (A D 3)P0.3 36 (A D 2)P0.2 37 (A D 1)P0.1 38 (A D 0)P0.0 39 V CC 40 U 3 89C51/C52 12MHz C2230 C23 30 R27 10K +C1 10uF 12 34 K S RESET V CCV CC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 J? CON 9 图 3-2 单片机的最小系统电路图 3.3 输入部分 3.3.1 信号采集电路 这部分电路实现信号采集的功能，5MM 红外对管 D1 与 D2 组成红外传感器用来 采集信号。当心脏跳动的时候，血液会在体内流动，当血液送到人体组织时，透 过组织的光照强度比较小，光敏二极管截止，输出低电平。当血液回流心脏的时 候，透过组织的光照强度比较大，光敏二极管导通，输出高电平。R5 选择 220 欧 姆是基于红外接收二极管感应红外光灵敏度考虑的，R5 过大，通过红外发射二极 管的电流过小，红外接收二极管无法区别有心跳和无心跳时的信号。R5 过小，通 过红外发射管的电流过大，红外接收二极管也不能准确地辨别有心跳和无心跳时 的信号。 红外传感器输出的是伴有各种噪声干扰的电信号，信号非常微弱，频率很低， 所以将该信号经过 R8、R9、C4 滤波，去除高频干扰，输出电信号，然后接入 LM358 的 5 引脚进行放大和整形，输出脉冲电压信号。信号采集电路如图 3-3 所示。 R5 220 R7 10k R6 10k R8 30k R9 30k D1 LED D2 LED C4 1uF 图 3-3 信号采集电路 3.3.2 信号放大整形电路 这部分电路实现了信号放大和整形的功能。信号放大和整形采用 LM358 放大 器。LM358 是一款双运放，它的有两个运算放大器，这两个运算放大器是相互独 立的，也是相同的。LM358 有 8 个引脚， 1、2、3 脚是一个运放通道，5、6、7 脚 为另一运放通道，3 引脚和 5 引脚是两个同相输入端，2 引脚和 6 引脚是两个反相 输入端，1 引脚和 7 引脚是两个输出端。8 引脚接正电源；4 引脚接负电源或地。 LM358 引脚图如图 3-4 所示。 图 3-4 LM358 引脚图 LM358 的第一个运算放大器实现信号放大的功能，放大倍数为(RT1+R10) /RT1， 。RT1 是 103 可调电位器。调节电位器就能调节放大倍数。经过放大之后的 信号还有残留的干扰。使用 R10 和 C6 组成低通滤波器来消除。 C5 是 1uf 的耦合 电容，它的作用是隔直流通交流。 使用LM358的另一个运算放大器作为电压比较器，放大的信号从7引脚输入 LM358的3引脚。最后从1引脚输出。顾名思义，电压比较器的作用就是对两个电压 信号的大小进行比较，电压比较器只能输出高电平或低电平，当模拟电压信号高 于固定电压时，电压比较器输出高电平；当模拟电压信号低于固定电压时，电压 比较器输出为电平。R11和R12是分压电阻，给2引脚提供一个固定的电压，当3引 脚的输入电压大于2引脚的电压时，1引脚输出5V，当3引脚的输入电压小于2引脚 的电压时，1引脚输出0V。D3是红色发光二极管，每当1引脚输出一个高电平时， D3就会亮一次，就表示脉搏跳动了一次，1引脚连接到单片机你的P1.0口。信号放 大比较电路如图3-5所示。 3 2 1 84 U1:A LM358 5 6 7 84 U1:B LM358 RT1 103 1k C5 1nF R10 200k R12 10k R11 10k C6 331 图3-5 信号放大整形电路 3.3.3 键盘电路 键盘电路实现了设置心率上下限的功能。键盘设计采用线性键盘。一共有 3 个键，第一个是设置键，第二个是加键，第三个是减键，用于正常心率范围的设 置，超出设置的范围时会有报警提示。P3.0,p3.1,p3.2 三个引脚通过按键来接地。 有程序控制扫描。这三个按键接到单片机的 P3.0、P3.1、P3.2 上面。按一次设置 键进入设置上限模式，再按一下进入设置下限模式，再按就返回测量模式。加减 键用于调节报警上下限的值。键盘如图 3-6 所示。 图 3-6 键盘电路 3.4 输出模块 输出模块包含LCD显示电路和蜂鸣器报警电路。 3.4.1 LCD1602显示电路 显示电路实现了实时显示心率的功能。它的1引脚 VSS 接地。2引脚脚 VCC 接5V 电源正极。3引脚 V0是调整液晶显示器亮度的，3引脚与地之间的之间的阻值为选 取1.5k，3引脚与电源之间的阻值选取10k。4引脚是数据指令选择，高电平时输入 数据、低电平时输入指令。5引脚是读写选择，高电平的时候从 LCD 读取信息，低 电平的时候向 LCD 写入指令。6引脚 E 端是使能端,高电平的时候读取数据，下降 沿的时候执行命令。7引脚到14引脚是双向数据端，连接单片机的 P0.0到 P0.7。15引脚是背光正极，16引脚是背光负极。 LCD1602接口电路如图3-7所示。 D7 14 D6 13 D5 12 D4 11 D3 10 D2 9 D1 8 D0 7 E 6 RW 5 RS 4 VSS 1 VDD 2 VEE 3 LCD1 LM016L R4 10k R5 1.5k 图3-7 LCD1602接口电路 3.4.2 蜂鸣器 蜂鸣器电路部分实现了心率超出设置范围报警的功能。因为单片机的I/O的输 出电流很小，基本上不能驱动蜂鸣器，所以本次设计没有直接使用单片机的I/O口 驱动蜂鸣器，而是采用了9012PNP型三极管Q1和一个限流电阻R4来控制蜂鸣器的发 声与关闭。蜂鸣器的正极接到+5V的电源，负极接到三极管Q1的发射极，Q1的集电 极接地，基极通过限流电阻R4接到STC89C51的P2.4引脚。原理就是利用三极管的 开关作用。当P2.4输出低电平的时候，三极管Q1导通，电源流过蜂鸣器和三极管 到地，蜂鸣器电路形成回路，蜂鸣器发声，当P2.4输出高电平的时候，三极管Q1 截止，电流不能通过三极管，蜂鸣器电路不能形成回路，蜂鸣器不发声。所以， 可以通过STC89C51的P2.4引脚的高低电平控制蜂鸣器是否发声。 P2.4 Q1 9012 R4 2.2k BUZ1 BUZZER 图 3-8 蜂鸣器电路 4 系统软件设计 4.1 测量计算原理 相对汇编语言，C语言易于编写，可读性好，可移植性好，故本次设计的程序 采用C语言编写， 。程序中对测量的脉搏数据进行了计算，并且用液晶显示。程序 的编写使用了keil c51软件， Keil C51集成开发环境功能非常强大，是单片机开 发最优秀的软件之一。Keil C51能够方便地完成编译、汇编、链接程序等操作， 还能模拟仿真调试，让开发者清晰地了解各个变量的变化。 心率计原理为检测两次脉冲间隔时间计算心率，假设两次脉搏间隔时间为t秒， 则心率为60/t 4.2 程序流程图 4.2.1 主流程图 按下复位按键，系统初始化，进入while循环，系统会判断哪个键按下，按设 置键会切换模式，按加键会加报警值，按减键会减报警值，液晶上会显示设置的 报警心率值。然后判断当前模式，如果是测量模式，把手指放在红外传感器之间 就会正常显示心率，设置上限模式液晶显示设置的上限值，设置下限模式液晶显 示设置的下限值。主流程图如图4-1所示。 图 4-1 主流程图 4.2.2 心率计数流程图 stc89c51 的定时/计数器 T1 由寄存器 TH1，TL1 组成，它们都是 8 位寄存器。 定义变量 Xintiao_Con 初始值为 0，定时器 T1 定时 10ms，每当定时时间到，就会 进入中断，检测一下信号是否还存在，存在 Xintiao_Con 就加一，如果不存在了， 检测时间很短，说明检测到的不是脉搏信号，可能是其他干扰，将变量清零，跳 出此次检测，中断四次，信号还在，信号持续了 40ms，说明是心率信号。然后检 测这个心跳是不是第一个心跳，如果是，继续检测第二次心跳，如果不是，计算 出两次心跳的时间间隔， 就能得出一分钟的心率了。心率计数流程图如图 4-2 所 示 图 4-2 心率计数流程图 5 系统测试 5.1 仿真 程序编写完成后可能会有许多错误，可以使用仿真来测试程序是否可行，这 就可以避免频繁使用硬件下载调试的麻烦。在焊接硬件之前也需要在 proteus 中 仿真通过，确保方案是可行的再做实物。首先启动 proteus 软件，新建一个工程， 然后根据原理图调用相应元器件，根据实际要求调整它们的属性，按照原理图的 连接方式把它们连接起来，最后然后把程序加载到单片机中，开始仿真。仿真图 如图 5-1 所示 图 5.1 系统仿真图 5.2 测试数据 由于仿真中没有红外，手指也模拟不了，就用单片机的 IO 口检测脉冲信号， 用个方波信号模拟。用信号发生器作信号源，产生一个 30120 次/分的方波，观 测信号发生器输出的频率和心率计读数是否一致。表 5-1 为测试的结果。 表 5-1 测量结果 序号信号发生器心率计所示 13040（低限报警） 28080 39090 4120120（高限报警） 通过结果可以看出心率计读数与信号发生器产生的信号一致。而且超出范围有报 警。 5.3 实物效果图 仿真成功之后就要实物焊接了，焊接之前要仔细看原理图，想好焊接的先后 顺序，不要这里焊一个，那里焊一个，这样容易打乱布局，线都交错在一起容易 连错，还很容易漏焊。焊接前要对电烙铁通电预热。元器件焊到焊点上之