基于单片机的心率计设计论文

1、基于单片机的心率计设计摘要心率是指单位时间心脏搏动的次数，包含了许多重要的生理、病理信息， 特别是与心脑血管相关的信息，是生物医学检测中一个重要的生理指标，也 是临床常规诊断的生理指标；因此迅速准确地测量心率便显得尤为重要。随 着医疗水平和人们生活水平的提高，快速、准确、便携式心率计便成为一种 新的发展趋势，同时伴随着单片机技术的发展，基于单片机的便携式心率计 便不失为一个好的选择。本心率计共有三大部分，分别为：传感器部分、信号处理部分、单片机 控制部分。传感器部分采用光电式传感器实现对信号采集；信号处理部分则 采用放大、滤波、波形变换等方法实现信号的有效处理；而单片机部分则实 现对心率的计数

2、和显示功能。通过这三部分的有效组合初步实现对人体心率 的一个有效计数。信号采集采用光电式传感器通过对手指末端透光度的监测，实现信号的 采集；信号放大则采用四运放运算放大器LM324,波形变换采用555定时器 构成反向施密特触发器；单片机控制模块则采用AT89C51微处理器和相关元 器件通过C语言编程实现计数和显示功能。关键词：心率，光电式传感器，信号处理，AT89C51DESIGN OF HEART RATE METER BASED ON MCUABSTRACTHeart rate i s refer i ng to the number i n un i t t i me of the he

3、art beat i ng, conta i ns many i mportant phys i oIog i caI and pathological i nformat i on, espec i a I Iy i nformat i on assoc i ated with card i ovascu I ar, b i omed i ca I detect i on an i mportant phys i oIog i ca I i ndexes, and rout i ne cli n i caI d i agnos i s of phys i oIog i caI i ndexe

4、s; so qu i ckIy and accurate Iy measur i ng heart rate appears to be particularly i mportant. W i th the i mprovement of med i caI I eve I and peopIe's I i v i ng standards, rapid, accurate and portabIe heart rate meter has become a new trend, accompan i ed by the deve I opment of SCM techno I o

5、gy, wi I I not be regarded as a good cho i ce of meter based on mi crocontro I I er portab I e heart rate.Heart rate meter cons i sts of three parts, respect i veIy: sensor part, s i gnaI process i ng part, MCU controI part. Part of the sensor us i ng photoe Iectr i c sensor ach i eved the s i gnaI

6、of the s i gnaI acqu i s i t i on; s i gnaI process i ng part uses the amp I i f i cat i on, filtering, v/aveform transform method to effect i ve I y dea I with; and part of SCM i s to ach i eve count i ng on heart rate and display funct i on. Through the effect i ve combi nat ion of these three par

7、ts, an effect i ve count of human heart rate i s reaIi zed.S i gnaIs were co I Iected us i ng photoe Iectr i c sensor through the mon i tor i ng of the degree of I i ght at the end of a f i nger, to rea I i ze the s i gnaI acqu i s i t i on; s i gna I amp I i f i cat i on four operat i ona I amp Ii

8、f i er LM324 operat i onaI amp I i f i er i s used, the waveform transform the 555 timer const i tute reverse Schm i tt tr i gger; MCU controI moduIe i s used AT89C51 mi croprocessor and re Iated components by C Ianguage programmi ng count i ng and display funct i on.KEY WORDS: heart rate, sensor ph

9、otoe Iectr i c, s i gnaI process i ng,AT89C51前言1第一章系统设计的整体构思3第二章各元器件介绍4§ 2. 1 LM3244§ 2. 1. 1 LM324 简述4§2.1.2 LM324 主要特点4§ 2. 1.3 LM324 引脚图5§ 2.2 555定时器5§ 2.3单片机型号介绍6§ 2. 3. 1单片机简介6§2.3.2 51子系列的主要功能7§ 2. 3. 3 AT89C51 引脚7§ 2 4 74HC2459§ 2.4 1 74H

10、C245 简述9§ 2.5 2 74HC245的特点9§ 2.6 3 74HC245引脚10§ 2 5 74LS13810§ 2.1.1 5. 1 74LS138简述10§ 2.1.2 74LS138主要特性10§ 2.1.3 74LS138引脚图11第三章软件介绍12§ 3 1 Kei IC51高级语言集成开发环境一uVision4 IDE . . . 12§ 3. 1. 1 Kei IC51简介12§ 3.1.2uVision4 IDE集成开发环境12§ 3.1.3uVision4 IDE仿

11、真过程13 3 3.2 Proteus14§ 3 2. 1Proteus 简述14§ 4 2. 2Proteus 主界面15§ 5 .3电路图仿真15第四章电路原理及仿真电路17 4 . 1光电式传感器17§4.2前置放大器19§4 . 3滤波电路19§4.4 后置放大电路20§4.5 波形变换21第五章软件的设计23§5 . 1设计原理23§5 . 1. 1定时原理23§6 .1.2计数原理24§5.2软件设计的流程图24§5. 3 LED显示电路26第六章系统的检测28第

12、七章误差分析29结论30参考文献32致34附录35心率是指单位时间心脏搏动的次数，与脉搏跳动频率基本是一致的。由 于受年龄、性别及其它生理因素的影响，心率也有不同的衡量标准：3岁以下 的小孩常在100次/分以上，初生儿的心率更快，可达130次/分以上；在成 年人中正常的心率为60100次/分，大多数为6080次/分，而且这一年龄 段女性的心率一般比男性稍快；老年人的心率偏慢。即使是同一个人，在安 静或睡眠状态下心率较慢，而在运动或情绪激动时心率则会加快，另外在某 些药物或神经体液因素的影响下，心率会出现短暂的加快或减慢的症状；而 对于经常进行体力劳动和体育锻炼的人来说，平时心率则比较缓慢。婴幼

13、儿超过150次/分或成年人心率超过100次/分称为窦性心律过速。 婴儿常出现症状为发热、休克、贫血、甲亢、心力衰竭等；而成年人除此之 外还常见于运动、兴奋、激动、饮酒等。心率低于60次/分称为窦性心动过 缓，常出现胸闷、气短等症状。心率过快超过160次/分或过慢低于40次/ 分，则多表现为心脏病病人，常有心悸、胸闷、心前区不适等症状。因此说 心率作为临床测量的重要生理参数，其主要意义在于：1、心率的变化直接反应人体的健康状况。对于老年人和病危的患者来说 尤为重要，一单发生意外可以第一时间发现从而及时的进行救治，挽救病人 的生命；特别对于心脑血管疾病的病人来说相当重要。由于心率包含着与人 体心脑

14、血管系统密切相关的信息，因此利用心率计及时的发现相关的病情状 况，做到及时救治从而降低心脑血管疾病的发病率和死亡率，有效的减轻心 脑血管疾病带来的社会和家庭负担。近年来，伴随着快节奏、高压力的生 活氛围，心脑血管疾病的发病率呈上升趋势，这对心率计的发展既是一个要 求也是一个机遇。2、心率与运动强度密切相关，通过心率监测及时的调整运动强度和运动 方式，使运动更加系统化和科学化，从而达到运动的最佳效果。目前市场上 比较流行的测心率的仪器是心率手环和心率手表，它们的出现，让我们远离 了传统心率带产生的束缚、划伤、勒痕等诸多不适感，以及信号不稳造成的 监测数据不准确等烦恼。例如MIO FUSE手环，它

15、采用超级光电感应技术持续 测量心率，置加速传感器监测，可以精准测量步数，它卓越的数字滤波技术 和精准的监测技术，使其能够按照真实的心率及时的反应心率变化。随着科学技术的发展，通过对脉搏波的检测来评价动脉壁的扩性和软硬 度已经得到广泛应用。凭借操作简单、无创伤等优势广泛应用于流行病学等 方面的研究中，也正是由于这些原因，使得此法非常适合于向家庭和社区医 疗服务机构推广。利用此法生产的仪器尽管在欧美等国得到普及，国也引进 并在此基础上不断发展，但是，由于这些仪器价格昂贵、功能局限，并不适 合普通患者，因此这类产品在市场上并未普及，只存在于一些大型的医疗机 构中。基于单片机的心率计既能发挥单片机快速

16、处理数据的能力，同时伴随着 集成化技术的逐步提升，便携、快速准确、方便实用的心率计将不失为一个 更好的选择，真正做到走入家庭、方便个人。第一章 系统设计的整体构思人体的各种生理参数如心电、脑电等生物电信号都属于强噪声背景下微 弱的低频信号，是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号。心率是指单 位时间心脏将动的次数，与脉搏跳动频率基本是一致的，另外脉搏信号比较 容易测得，因此本设计利用脉搏信号进行心率计数。与其他生物电信号相比， 脉搏信号比较容易检测同时具有直观的规律性。经过光电式传感器后输出的 幅值都在几毫伏左右。心率计设计的步骤如下：1、心率计设计的第一步就是要获得原始的脉搏信号，本设计采用光

17、电式 传感器通过对手指末端透光度的监测，检测出脉搏信号进行心率计数。2、由于信号是在强噪声背景下微弱的低频信号，在进行滤波处理前，先 要进行信号的前置放大，由于夹杂着干扰信号和噪声，前置放大倍数一般较 小。3、滤波处理。4、进行滤波处理后的信号仍然比较微弱，需要进行后置放大处理，由于 这时的信号是已经经过滤波处理得到的理想信号，去除了干扰信息，因此可 以进行较大的信号放大。5、进行波形变换将脉搏信号（近似正弦波）变换成方波信号。6、由于单片机的中断分为低电平和下降沿两种触发方式，因此在进行 波形变换后，要进行关键的定时计数处理以及计数显示。图17总体流程图第二章各元器件介绍§ 2.1

18、 LM324§ 2. 1. 1 LM324 简述脉搏信号是强噪声下微弱的低频信号，往往具有很大的共模干扰电压， 需要用到仪表放大器，来对传感器信号进行精密的电压放大，同时，对共模 干扰信号进行抑制，以提高信号质量。AD620是一款低成本、高精度仪表放 大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益国为1至1000,功耗较低（最 大电源电流仅1. 3 mA）。由于AD620具有高精度（最大非线性度40 ppm）,低 失调电压（最大50 nV）和低失调漂移（最大0.6 u V/° C）特性，使其具有低 噪声、低输入偏置电流和低功耗等特性，非常适ECG的前置放大。但由于 AD620不常

19、用在市场上买不到，网店中虽有卖的但由于元器件便宜，并且数 量较少，整体上费用过高不划算，于是最终选择了四运放运算放大器LM324。LM324系列器件属于四运算放大器，真正的差分输入，与单电源的运算 放大器相比，它的优势在于：工作电压国比较大，3. 0V-32V均可；共模输入 国包括负电源，避免了采用外部偏置元件的繁琐。另外，此元件也可工作在 单电源下，电压的固为3.0V-32V或±16V。§2. 1.2 LM324主要特点表2-1 LM324的特性表序号功能1短路保护输出2真正的差分输入级3单电源供电：3.0V-32V4低输入偏流也流：最大值100nA5每个封装有4个放大器

20、6高增益，部补偿§2.1.3 LM324 引脚图图2-1 LM324引脚图LM324共有4组运算放大器，每一组运算放大器如下图表示，它有5个 引出脚，分别为：Vi +、Vi、V+、V-、Vo o其中Vi+、Vi为信号的 输入的正极和负极，V+、V-为电源的正负极，V。为输出端。图2-2运算放大器§ 2. 2 555定时器555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，部电路由分 压器、电压比较器G和C、，简单SR锁存器、放电三极管T以及缓冲器G组 成，其部结构如下：图2-3 555定时器也路结构Vg为控制电压，5号引脚；为是比较器C1的信号输入端，称为阈值榆 入端，6

21、号引脚；V/2是比较器G的信号输入端，称为触发输入端，2号引脚; 以为放电端，7号引脚；Vg为电源，8号引脚；正；为直接复位榆入端，4 号引脚；v。为揄出端，3号引脚。当记；为低电平时，不管其他输入端的状态 如何，输出端心即为低电平。当记7为高电平时：2VV1、当人二时，产°，i小=1，放电三极管T导通，揄出5为 33一低电平。2、当勺丝竺，叫乂二时小=1,七二0，放电三极管T截止，揄出以为高电平。3、当勺*,匕2乂二时，vcl=1, vc2=1,锁存器状态不变，放电三极管T状态不变，输出匕保持不变。§ 2. 3单片机型号介绍§2. 3. 1单片机简介单片机又称M

22、CU是计算机的微型集成电路芯片，采用了超大规模集成 电路技术，片含有CPU、ROM、RAM、多种I/O 口、中断系统、定时器/计数器 等，是一个嵌入式系统。80C51系列单片机属于第三代单片机，包括Intel 公司和其他公司的51和52系列，本设计采用的是51系列。§2.3.2 51子系列的主要功能表2-2 51子系列单片机序号功能1 8 位 CPU2 片带振荡器及时钟电路3 256B片数据存储器4 8KB的片程序存储器5 程序存储器的寻址围64KB6 片外数据存储器的寻址国为64KB726B的特殊功能寄存器83个16位定时器/计数器96个中断源104X8根I/O线11111条指令，

23、含乘法指令和除法指令12布尔处理器13使用单+5V电源§ 2. 3. 3 AT89C51 引脚T2/P1. 0 匚11 VccT2EX/F1, 1 C239 P0. 0 /ALOP1. 2 匚338J P0. 1ZAD1P1. 3 c437 F0. 2/AD2P1.4 匚5361 P0. 3/AD3MOSI/P1. 5 匚635J P0.4/AD4MIS0/P1.G 匚734J P0. 5/AD5SCKPl. 7 匚833 F0.6/AD6RST匚3323 P0. 7/AD7EKD/P3. 0 匚1031 EA/VPPTKD/P3. 1 匚1130J ALEZPRO&INT0

24、/P3. 2 匚12293 PESNIHT1/P3. 3 匚13281 P2. 7/A15T0/P3.4 匚1427J P2.6/A14T1/P3. 5 匚1526J P2. 5/A13忖R/P3.E匚16253 P2 4/A12RD?P3. 7 匚17241 P2. 3/AUXTAL2 匚1S 23J P2. 2ZA10XTAL1 匚1S 22J P2. 1/A9PDIF GKD 匚20211 P2. 0/A8图2-4 AT89C51引脚图1、RST复位引脚。用于电路的初始化操作。有自动上电复位和人工按键复位两 种。2、 XTAL1 和 XTAL2片振荡电路引脚。这两个端口外接石英晶体和电容

25、，用来连接8051片 0SC的定时反馈回路。3、%电源引脚。对于不同的单片机型号需接入对应的电源电压，一般为+5V,最低为为+3. 3V。4、GND接地引脚。5、P0. 0P0. 7这组引脚共有8条，每个口可以单独控制使用，由于P0 口部没有上拉电 阻，因此在使用时，需要外接上拉电阻。常作为通用I/O 口使用，用于传 送用户的榆入/揄出数据；当P0 口带外部存储器时，P0. 0P0. 7在CPU访问 片外存储器时先传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器 的读/写数据。6、P1.0 P1.7这组引脚共有8条，每个口可以单独控制使用。与P0 口的第一功能相同， 常作为通用I/O 口

26、使用时，用于传送用户的输入/揄出数据，该口部有上拉电 阻，使用时无需外接上拉电阻。7、P2.0P2.7这组引脚共有两个功能：第一功能作为通用的I/O 口使用，第二功能与 P0 口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中 片外存储器单元，但并不能像P0 口那样传送存储器的读/写数据。每个口同 样可以单独控制使用，使用时无需外接上拉电阻。8、P3. 0P3. 7这组引脚的第一功能作为通用的I/O 口使用，每个口可以单独控制使用， 使用时无需外接上拉电阻。第二功能为控制功能，每个引脚并不完全相同， 如下表所示：表2-3 P3 口的第二功能引脚号功能P3. 0RXD（串行口输入）

27、P3. 1TXD （串行口输出）P3. 2INTO （外部中断0）P3. 3INT1 （外部中断1）P3.4T0 （定时器/计数器0的外部揄入）P3.5T1 （定时器/计数器1的外部输入）P3. 6WR （片外数据存储器写允许）P3. 7RD （片外数据存储器读允许）§ 2.4 74HC245§ 2.4.1 74HC245 简述74HC245为总线收发器（bus transceiver） o由于单片机或CPU的数据/ 地址/控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载过重，一般应加驱动器, 从而增强I/O 口的驱动能力。§ 2.4.2 74HC245 的特点表2-4

28、74HC245特性表序号功能1采用CMOS X艺2宽电压工作围：3V-5V3同相三态门揄出48位双向收发器5封装形式：S0P20§ 2.4. 3 74HC245 弓I 朕F5O匚Q区区叵区Q区LJ巨笛，图2-5 74HC245引脚图表2-5 74HC245特性表符号引脚名称引脚号说明A0-A7数据输入/榆出2-9B0-B7数据输入/输出18-110E榆出使能19DIR方向控制1DIR=1, Af B;DIR=0, B-> AoGND逻辑地20逻辑地VCC逻辑电源10电源端§ 2.5 74LS138§ 2. 5. 1 74LS138 简述74LS138是3线-

29、8线译码器，作为位驱动器与74HC245配合使用实现对 LED数码管的控制。§ 2.5.2 74LS138 主要特性表2-6 74LS138特性表序号功能1电压：4. 755. 25V2驱动电流：-0. 4/8mA3最大传榆延迟：41 ns4封装形式：S0P16§ 2.5. 3 74LS138 弓I 脚图图2-6 74LS138引脚图表 2-7 74LS138 引脚名称引脚名称引脚号说明YO-Y6,Y7数据输出15-9,7AO, A1, A2数据揄入1,2,3司，耳，s】使能控制6,4,5瓦;0,手0, S尸1时，使能控制有效VCC逻辑电源16电源端GND逻辑地8逻辑地第三

30、章软件介绍§ 3 1 Kei IC51高级语言集成开发环境一uVision4 IDE§ 3.1 1 Kei IC51 简介单片机的编程语言共有三种，分别为：BASIC语言、PL/M语言和C语言。 BASIC语言和PL/M语言在单片机的发展过程中，由于自身存在的劣势并未得 到广泛的应用，相比之下，C语言凭借其很强的数据处理能力、开发效率高、 可移植性强等优点得到了广泛的应用。Kei IC51是单片机程序常用的编译软件，该软件提供了包括C语言编辑 器、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等，通过一个集成开发环 境(uV i s i on4 I DE)将这些部分组合在一起。u

31、V i s i on4 I DE基于Wi ndows系统， 嵌多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成工程建立、管理、软件仿真、 硬件仿真等开发流程”§ 3. 1. 2 uVision4 IDE集成开发环境安装完成后，双击桌面上的“ uVision4”图标进入IDE环境，uVision4 IDE软件有菜单栏、可以快速选择命令按钮的工具栏、一些源代码文件窗口、 对话框、信息显示窗口。uVision4 IDE界面如下图所示：图 3-1 uVision4 IDE 主界面§ 3. 1. 3 uVision4 IDE 仿真过程1、在 Project 工具栏中选中 New Projec

32、t,在弹出的 Create New Project 对话框中选择保存路径，在“文件名”文本框中揄入项目名称，并保存。完 成新建工程的步骤。2、接着会弹出一个对话框如下图所示，选择所需要的单片机型号，选定 型号后单击“0K” ,在新弹出的对话框中点击“是”即完成相关的操作。图3-2单片机的型号选择3、在Fi Ie工具栏中选择New建立源程序文件，在弹出的程序文本框中， 输入目标程序，然后在Fi Ie工具栏中选择Save As选项进行保存。在弹出的 对话框中保存为：如果是C语言程序文件，扩展名为“.C” ；如果是汇编文 件，扩展名为“ .asm ”或“.51”。并单击保存。如下图所示：图3-3 S

33、ave As对话框4、将源程序文件添加到项目中。方法：选中左边项目窗口中的Source Groupl ,然后单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择Add Files To Group " Source Groupl",选择刚才保存的后缀名为“ C ”（此处以C源程 序文件为例），点击“Add”按钮完成文件的添加。5,接下来对目标进行一些设置。选择Project t Opt i ons for Target "Target 1”弹出的对话框如下图所示：)ptions for Target Target 1,Don caTarget I Output | L: ztiz.g

34、 UserASI I BLS Locotc BLS1 11: zc Debug UtiLiti”所 HATSSC52UOnchp FOM(h(Hk1FFF)(MHz): 2EOperating systemMemory Model:Code Roe SizeOKCoLftcelDefxL 12Kelp图3-4 Target选项卡在“Output”选项卡中选择“Create HEX Fi Ie"，在Debug选项卡中的 “Use”选项中选择“Proteus VSM Simulator"单击“OK”。然后对目标程 序进行"Trans I ate （组建）7Bu I i

35、 d （编译）f Rebu I id （执行）"（这个过程需 要不断的修改程序，直到源程序完全正确），生成可执行的源文件（后缀名为 .hex） o§ 3.2 Proteus§ 3. 2. 1 Proteus 简述Proteus可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起进行 仿真调试皿，可以与uVision4 IDE工具软件结合进行编程仿真调试。Proteus VSM包含了大量的虚拟仪器，可以为仿真调试提供强有力的支持。§ 3. 2. 2 Proteus 主界面安装完Proteus后，运行ISIS 7Prof ess i ona I,出现如下的界面

36、：图3-5 Proteus ISIS 7的编辑环境§3.2.3电路图仿真1、添加元器件。单击对象选择器按钮，在弹出的Pick Devices窗口中， 使用搜索引擎，在Keywords栏中输入所要寻找的元器件，找到元器件，并将 其添加到对象选择器窗口，然后在原理图编辑窗口添加该元器件。如下图所 示：图3-6添加元器件窗口2、进行元器件的连接。当线路出现交叉点时，若出现实心小黑圆点，表 明导线连同。利用主界面左侧的模型选择元器件栏完成线路的连接和标注。3、添加程序文件到所选择的单片机型号中。此处以AT89C52为例，双击AT89C52打开Edit Component对话框，如下图所示，在

37、Program File中选 择uVision4 IDE所生成的后缀为力ex的文件，单击“0K”。然后单击仿真运 行开始按钮，进行调试运行。图3-7 加载程序文件第四章电路原理及仿真电路§4.1 光电式传感器本设计采用的光电式传感器通过对手指末端透光度的监测，检测出脉搏 信号。所采用的主要元器件有光电三极管皿和光敏二极管1。整个装置具有 结构简单、无创、可重复等优点。当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织吸收、反射衰减后 测量到的光强将在一定程度上反映被照射部位组织的结构特征”3。因此，利 用光电传感器检测人体血液流动时对光的透过率或反射率的不同而将其转换 成电信号。此种方法

38、有两种方式：一种是对射式，另一种是反射式1。由于 人体的血流发生变化时其对光的反射率也随之变化，反射式便是利用此方法： 当光照射在手指上时，通过手指的反射在同一侧接收信号。此法外界干扰信 号小，但传感器输出信号小，对后面的放大电路要求较高。而对射式是光通 过手指时在另一侧接收通过手指的光信号，由于手指中的血流量的变化而使 光电接收管的光电流也随之变化。通过比较，最终本设计采用对射式光电传 感器。心率主要由人体动脉舒和收缩产生的，在人体指尖，组织中的动脉成分 含量高，而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄，透过手指后检测到的 光强相对较大，因此光电式传感器的测量部位通常在人体指尖。为有利于 指端

39、信号的检测，应当保证肢体末端的血液循环良好；为提高检测的灵敏度， 应当注意让手指与光电三极管和光软二极管紧密接触，但不要有压迫感，以 免妨碍血液循环。同时要注意尽可能选择背景较暗的环境，在测试中要注意 保持手指的位置稳定，以便尽可能获得稳定的人体信号。仿真图如下：图4-2实物图图4-1信号采集系统实物图如下:§4.2 前置放大器由于脉搏信号属于强噪声下微弱的低频信号，所以要求前竞放大器应具 有高揄入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、具有一定的电压放大能力 等特点，结合这些因素采用仪表放大器AD620便能满足要求，但由于种种原 因，在实际的电路连接中采用LM324四运放运算当大器。电

40、路图如下：电路采用同相比例放大器：R=& = TKd & =200KC, & = 前置放大电路的放大倍数：(4-1)A(1+含x能§4.3 4. 3滤波电路脉搏信号属于强噪声背景下微弱的低频信号，在对信号进行前置放大后 需要对信号进行滤波处理，滤波处理主要滤除的是基线漂移、工频干扰等等。 理论上当脉搏为60次/分钟为1Hz, 90次/分钟为1.5Hz,100次/分为 1.66Hz, 120次/分为2. 0Hz,因此，滤波电路采用二阶压控有源低通滤波器, 同时滤除50Hz工频干扰。滤波电路如下：图4-4二阶压控有源低通滤波器传递函数为：A（S）= = （4-2）

41、匕（S）1 + （3-前）久内+（久内）一放大倍数：A2 = F = 1 + = 2（4-3）R3Ri=R?=10KQ, /?4=&=30KC, Ct=C2 = lOz/F o 3 4/=l>0, 满足滤波器稳定工作的条件。 低通滤波器的截止频率：f = !1.591549 Hz（4-4）2成©设定的截止频率，可以满足大多数人的心率检测。同时由于该低通滤波 器的截止频率较低，可以滤除50Hz的工频干扰以及其他的电磁波。§ 4. 4后置放大电路滤波处理后的信号尽管已经去除了噪声等外部干扰，但是信号仍旧比较 微弱，需要进行后竟放大处理。后置放大电路如下图所示:图4

42、-5后置放大电路后置放大电路仍然采用同相比例放大器，片=% = 1长。，&=200KQ, &=50KQ, C, = OuF o后置放大倍数：4 =4=(1 + /%51(4-5)K3 + Aj则总的放大倍数为：A, = xA2xA3 « 1122(4-6)则信号的最大值在4V-5V左右，以便利用555定时器实现波形变换。§4.5波形变换放大后的信号近似于正弦波，需要将其变换为脉冲波形才能进行定时计 数的运算处理。本设计采用555定时器组成反相施密特触发器实现波形变换 ,7o求F 555定时器的2号引脚和6号引脚连在一起作为触发端匕；4号引脚 和8号引脚连在一

43、起接在电源端；1号引脚接地；5号引脚连接一个电容然后 接地；3号引脚仍作为输出端/。如下图所示：图4-6 555定时器组成的施密特触发器当输入端电压匕由0V开始逐渐增加，当匕时，根据555定时器功能表可知，揄出为高电平；匕继续增加，如果上匕?"，输出维持32V高电平不变；匕再增加，一旦匕 二上，就将由高电平跳变为低电平；之后匕再增加，仍是匕二，电路输出端保持低电平不变。如果输入的波形三角波，其波形变化如下：a电路连接b输入输出波形图4-7施密特触发器的工作波形及电压传梳特性曲线第五章软件的设计§ 5. 1设计原理§ 5. 1. 1定时原理本设计利用单片机的外部中断

44、和部定时功能实现对心率的计数功能。单 片机的外部中断由外部中断。和1,分别由引脚INTO (P3. 2)和INTI (P3. 3),; 定时器/计数器由定时器/计数器。和1,工作方式有以下四种：1、方式0:方式。共有13位计数位数，由THO的8位和TLO寄存器的 低5位组成，而TLO的低3位处于闲置状态。最大计数2”=8192。2、方式1: 16位的定时器/计数器，由THO的8位和TLO的8位组成。作 为计数器使用时，最大计数26=65536；作为定时器使用时，定时时间为：7；=冲 一ew)xl2x7；p(5-1)为定时时长，count为定时器的初值设置。7；为时钟周期也称为机器 周期，为时钟

45、脉冲频率(/曲)的倒数，是计算机中最基本、最小的时间单 位。3、方式2: 8位可自动装载的定时器/计数器。此方式下16位计数器被 分为两个8位寄存器THO和TLO： TLO为计数器，THO作为计数器TLO的初值 预置寄存器，并始终保持为初值常数。作为计数器时，最大计数值2'=256: 作为定时器使用时，定时时间为：Td = (2s - count)x2xTep(5-2)心为定时时长，count为定时器的初值设置，4为时钟周期。4、方式3:在该工作方式下，THO和TLO作为两个独立的8位计数器， 分别构成了一个定时器/计数器和一个定时器。这种工作方式比较复杂，一般 不用。本设计采用的外部

46、中断0,定时器/计数器0,工作方式1。§1.1 1.2计数原理设检测到K个连续的脉冲所用时间为t （秒），则在时间t平均值为（N次/ 分），则：(5-3)本设计利用单片机的定时器/计数器实现定时50ms记一次数，当检测到1 个脉冲时关闭所有中断，记录下50ms的定时次数M计算出一个周期的所用的时 间,则一分钟心率值为：K=1,、60x11200(5-4)N ="0.05M - hT§1.2 软件设计的流程图图57主程序流程图用C语言编程”8实现定时器/计数器0定时50ms,然后中断计数，当检 测到第一个脉冲式，说明产生了一个心率周期，由于人的心率是有规律的跳 动，

47、因此。可以利用公式很容易的算出一分钟的心率次数。软件设计的重点 便是中断定时计数，因此先要了解中断以及定时计数。图5-2中断服务流程图中断系统由中断源、中断标识、中断允许控制、中断优先级控制、中断 查询硬件及相应的特殊寄存器组成，相应的特殊功能寄存器TC0N和SC0N用 来存储来自中断源的中断请求标识，IE为中断允许控制寄存器，IP为中断优 先级控制寄存器。该系统有5个中断源、2个中断优先级，能够实现2级中 断嵌套，通过IP控制中断响应的先后顺序，每个中断响应都有各自的中断入 口地址（向量地址）。中断的相关数据如下：表57 80C51中断号、中断源、中断向量中断号N中断源中断向量0外部中断00

48、003H1定时器0OOOBH2外部中断10013H3定时器1001BH4串行口0023H单片机集成定时电路，被称为定时器/计数器，定时器通过对系统的时钟 脉冲进行计数实现定时功能，计数器对单片机外部引脚揄人的脉冲进行计数。 单片机的定时类别有三种：软件定时、硬件定时、可编程定时器定时。其中最常用的就是软件定时，在计算机高级语言编程中经常应用，这种方式 是通过循环程序U”实现延时，无需添加任何硬件，但该方式长期占用CPU。§1.3 LED显示电路LED显示屏分为共阴极和共阳极，本设的采用的是共阴极数码管，74HC245和74LS138作为段驱动和位驱动来驱动LED动态显示心率计数结果。

49、ilTffd 引脚图共阴极9 KJ3 -_W共阳极图5-3 LED数码显示器共阴极数码管部将8个发光的二极管的阴极全部连在一起，称之为“阴 极”，而它们的阳极是独立的。当给数码管的任一个阳极添加高电平，对应 的发光二极管点亮。例如，对于共阴极LED显示器，公共阴极接地（为零电平）， 而阳极dpgfedcba各段为00111111时，这样显示器便可实现字符“0”的显7JT oLED显示器的显示方法有静态显示和动态显示两种方式，其中动态显示 应用的较为广泛，本设计采用的便是动态显示。所谓的动态扫描显示，简言之就是轮流的向数码管的段选端和位选端传 送指令，通过控制轮流扫描的速度可以实现依次显示每个位

50、上字型码，又可 以实现“同时”显示所有位上字形码。本设计采用“同时”显示字形码的方 法：利用发光管的余晖效应和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码 管同时显示，而实际上多位数码管是一位一位轮流显示的，只是将轮流扫描 的速度设定的足够快，这样给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会出现 闪烁的感觉。基于单片机的定时计数仿真电路如下:ac0心&石色的后6君珞XIAL1XIAL2RSTNUAXH P： tADt »皿 pjyjun Pl 4 aim Pll-AIB PJt-AlKP，3J本奉玉P1OT2 Pl 1.1XX PI?P13 P14 PIS PU PI/«1*

51、5W 1*7 P2KAY3 以"Ml P2 4AQ WS.AO P2fA54PJORO PJVTX> PJ MITO pjwnP34WP32.1tra&WRng图5-4定时计数电路第六章系统的检测利用Proteus进行电路仿真后，开始进行元器件的购买，由于设计时没 考虑过多的因素，在实际的购买过程中，不得不用某些元器件进行代换，之 后进行了电路的修改，一切敲定后便进行了电路的焊接，由于经过实习期间 的锻炼对锡焊具有一定的了解和对焊接技术的掌握，电路的焊接过程非常顺 利。之后便进行电路的整体测试，在测试的过程中一面用设计的心率计进行 测量，一面用听诊器进行测量。焊接的实物

52、图如下：图6-1心率计实物图测量的结果如下：表6-1测试结果测量序号心率计值听诊器测量值沃差163612266660370691475723580755685841第七章误差分析在系统测试中我们发现，制作的光电式传感器很不稳定，极易受到周围 环境的干扰，这给测试带来了极大的干扰，另外在测试中，手指容易发生抖 动导致检测到的人体信号很不稳定，于是要对光电三极管和光敏二极管的距 离进行适当的调整。而心率计的设计要求快速有效的进行心率检测，因此本 设计采用的是计数第一个脉冲便关闭中断，依据记录脉冲时间周期极性1分 钟心率的测算，因此该心率计并不能实时的反映人体的心率变化，另外由于 系统通过下降沿触发

53、计数，所测得心率周期并不准确，导致测算的结果不准 确，综上的因素导致最终的结果存在一定的误差。本设计对采集到的信号进行一系列的信号处理和基于单片机的定时计 数，从而测出人体的心率，并在数码管上显示出来。设计一共分为六大模块：一、传感器模块利用光电三极管发出红外光，透过人体手指指尖，在另 一侧利用光敏二极管接收人体信号，它是近似于正弦波形。二、前置放大电路模块利用同相输入运算放大器实现对源信号的一个低 倍放大功能，方便对信号的后续处理。三、滤波电路模块利用二阶压控有源滤波器设计一个低通滤波器实现对 微弱低频信号的滤波处理，去除其它高频率的噪声干扰，特别是50Hz的工频 市电干扰。四、后置放大电路

54、模块则对滤波处理得到的有用信号进行放大。虽然前 置放大电路已经将信号进行放大，但信号仍然比较微弱，因此需要进行放大。 后置放大的倍数一般较大。五、555定时器模块则是利用555定时器构成反向施密特放大器实现正弦 波信号到方波信号的转换。六、单片机模块则利用P3.2（外部中断0）输入转换后的方波信号，利用C 编程实现定时器/计数器的定时功能，利用外部中断函数实现计数外部脉冲， 利用动态扫描的方式实现计数的显示。仿真电路设计完成之后便开始进行元器件的购买，由于实际应用的不同， 一些元器件无法获得，不得不进行元器件的替换和电路的修改，这个过程中 就不得不舍弃一些合理的设计。在进行电路板焊接时。首先要

55、进行元器件的布局，这个过程非常的繁琐， 需要考虑各个方面的因素，经常是焊接了很多元器件后发现某个元器件的位 置不适合，需要卸下调整位置重新焊接。整个焊接过程非常的繁琐耗时。焊接完成后需要进行硬件调试.以确认硬件部分是否存在问题，这个过 程花费了大量的时间，不仅要对连接电路的焊接点进行虚焊、焊接点连接与 否等进行逐个检查，还要对不同的电路模块进行测量分析，不断改进，这个 过程很锻炼人的动手能力和耐心，同时，也考察了对理论知识的掌握程度， 以及理论与实际应用之间的差别等等。在进行心率的测量过程，由于手指抖动、周围环境等的影响使得测量的 心率值并不准确，另外通过仔细的研究和讨论，设计的算法还存在一定的问 题。总之，设计的心率计可以实现心率的检测与显示，但存在一些误差，系 统也很不稳定，有待于进一步改进。A