基于单片机的心率计设计

基于单片机的心率计设计【内容摘要】当今，随着人类的快速发展，人类的物质和精神生活都有了很大的改善，但与此同时，各种疾病也在不断地威胁着人类的生存；而心脏疾病是一种突然死亡，很难防范的病症，因此，人们对身体的健康也日益关注。该设计要解决的是一种能够测量心率，防止心脏病等心脏病的数字心率计。该仪器以AT89S52单片机为核心，以红外探测器为传感器，通过软硬件结合的方式，精确地测量出心跳的变化。通过按钮可以调整测试量程，同时还能发出语音警报，可以将传感器置于人体的脉搏上，将检测的数据以每分钟2次的精度进行数字化的显示。通过多次试验，该测速器基本上满足了所提出的各项条件。【关键词】心率计红外传感器单片机AT89S52第一章绪论1.1心率计的研究背景和意义随着世界科学技术和经济的迅速发展，人们对身体健康的注重已经成了人们的共识。心脑血管疾病严重威胁着人们的身体健康。我国心血管病患者占全球死因之首，其治疗成本高昂，对家庭及社会带来沉重的经济负担。随着生活节奏的加快和膳食结构的不合理，心血管病的发生率也在不断增加。怎样才能使心血管病的发生率与死亡率得到最大程度的减少，从而使其对整个社会及家庭造成的负担得到最大程度的缓解，这是一个非常严重的问题。随着人们对健康的生活习惯及疾病防治意识的提高，人们对居家、个体化的医疗保健与防治的要求也在不断提高。目前，对于脉冲波的研究，国内外已有很多新的研究成果，而以脉冲波为基础的非侵入式探测人类心血管疾病的新方法与新设备正层出不穷。目前的工作就是要深入研究脉冲波的探测分析及其在心血管健康监测中的应用，研发出一种可以无创伤地监测人类动脉粥样硬化的程度以及其它的心血管健康情况的设备，使更多的人可以及时地知道自己的心血管健康情况，从而可以尽早地发现并防止心血管疾病。从以上情况和大环境来看，开展新的心脏机能检测技术和方法研究，研制用于心脏健康监护的家庭型健康监护设备迫在眉睫。这既可以解决目前的卫生健康需求，又可以为国内的家庭数字化健康产业的持续发展作出有益的、长期的贡献。1.2心率计的研究现状及发展动态近年来，利用流体力学与弹性空腔原理建立的无损测量血管功能的新技术已成为国内外研究热点。在众多的科研人员和医学专家的共同努力下，研制出了多种实用的心跳感应器，有单片，三片，液体，单片，多点，气压，硅杯，柔性触点，刚性触点等。其中，压电晶体，单晶硅，陶瓷应变片，光敏元件，pvdf压电膜等组成了脉冲换能器的核心部件。其中，单件的单测点应变计应用最为广泛.到目前为止，有许多关于主动脉瓣膜的评价方法。有创的检测方法，例如动脉造影等，能对血管壁及其表面形貌进行精确的评价。此外，也有其它的无创性手段，它们以超声成像为基础，通过对影像、超声等信息的处理，来研究特定的血管轴线及部位，这种较为繁琐的检测手段，目前只有在特定的医学研究中才能实现。目前，利用超声心动图测量血流动力学参数，可以有效地评估血管管壁的膨胀性和硬化程度。由于其无创性、操作简便、结果准确、可重复性好等优点，已在大规模临床诊疗及人群流行病学调查等领域得到了广泛的使用，特别适用于居家及社区卫生保健。目前，目前，国内已经有一些研究单位对此进行了深入的研究，并在2007年相继发布了相应的产品。但是，现有的检测仪器大多在大型医院使用，费用高，检测费用高，且局限于检测，不能满足患者随时随地进行检测的需要。

第二章方案论证及元器件选择2.1研究内容及设计指标研究内容：便携式数字人体心率计运用AT89S52单片机为中心，以红外传感器为传感器，通过软硬件双过滤的方式，精确地测量出了人体心跳的数据，并将其结果以数字的方式出现在液晶屏幕上。本文研究了一种低功耗的便携式数字心率传感器。(1)对受试者的心率进行了实时的显示和显示；(2)通过键盘可以设定心跳的正常值，超出此值时会发出警报。2.2元器件功能介绍2.2.1传感器的选择(1)压电式采用压电式传感技术，将人体脉冲的震动信息转化为电信号。一般的压力换能器可以用目前已有的压电体来替代。由于压电式器件具有很大的内部电阻，所以一般都是使用两块完全相反的硅碳棒，以一块铜做一个电极。因此，中心电极是完全空白的，并且能够被绝缘性能好的电线拉出来。这种方式的优势在于采用了多种传感器，而普通的传感器则可以产生较大的信号，而无需对后续的放大器进行高精度的处理。低成本，取材容易，易于提高灵敏度的压电陶瓷。(2)声电式声波换能器是一种将气体，液体，固体等材料的机械震动转换成电信号的技术。因此，它也是一个机械度量单元。生产用的主要材料是非晶质无烟煤粉末、压电陶瓷。颗粒级超声波电传感器具有持久耐用、成本低廉、制作简单等优势，但存在颗粒间的机械磨擦与暂现电弧等因素引起颗粒逐渐衰减，从而引起噪声大、性能不稳定和非线性等问题。然而，利用压电超声换能器进行声波检测还存在一定的局限性。声电检测是利用微小的声学传感器，将人体振动所发出的声音转换成电信号。该模式的优点是可以利用现有的驻极体或电容式话筒，但其后面的电线必须经过滤波处理。(3)光电式光伏系统一般是一种对从紫外线到红外线中产生的光有灵敏感应，然后把它转化为电信号的装置。常用的光敏元件有光敏二极管和光敏三极管。光电传感器对微小位置的细微改变具有显著的影响，然而其对材料、电路控制以及器件性能都有很高的需求。1)在近红外区表现出很强的吸光；2)具有较小的介电常数，要求较高的输出电压。3)低的介质损失。光电式流动检测是利用血液流动过程中的光透过率及折射率的改变，将其转换成电信号。该技术可分成两大类：一是对射式，二是反射式。对射型是指在大小适宜的环形的两边，分别放置一根发射管和一根接受管，在进行测试时，将人的手指放在圆环上，因为指间的血液流量的改变，使得光电接收管的光电流也会发生改变，反射型是将光电发射和光电接受都对准同一方向，随着体内血液流动的改变，它的光线反射率也会发生改变，这样就可以测出心跳速度。该方案具有外部干扰少、灵敏度高等特点，但其最大困难在于所需的探测器输出信号很弱，需要后续的放大器。另外，当信号扰动较大时，应避免环路的调制，可见光导纤维的方向角度不同，光学轴线也不好掌握。综合考虑到制作工艺和材料的选择，外部干扰信号对前端的干扰，和制作过程中简化的前端电路，本文选用一对红外对射二极管作为实现方案。通过对红外传感器信号的检测，放大，滤波，整模，最后传输给MCU的工作流程见图1。图1信号检测处理工作流程图2.2.2信号处理方案选择(1)小型数位线路：使用小型数位线路也可以实现这种方式所需的基本功能，图2显示了该系统的电路框图。图2小规模数字电路心率计该方法利用二进位计数器，对经脉冲波形进行计数，并在一分钟之内将其数字显示出来。这种方法的缺点在于，它的电路结构比较复杂，需要使用大量的芯片来完成一个比较容易的处理控制功能。而且，数字电路的设备只有一种功能，如果将硬件电路固定下来，那就很难再进行修改了。特别是在题目的需求中，要想完成心跳测试和显示，以及超出极限警报之类的事情，就显得有些力不从心了。(2)PLD：可编程逻辑元件（PLD）突破了目前传统的单功能小的局限，可以按照设计人员的设计与分析得到的逻辑要求来对其进行程序设计与定义，便于应用，而且灵活度高。按照课题要求，该方案应该包含有传感电路、门电路、计数器电路、数字锁存、显示、数据储存、PC机接口等7个部分。在浇口信号允许的时间段内，所测得的信号用门宽度来表达。显然，这条线是很麻烦的，尤其是在要完成资料处理、资料分析、资料储存、资料传输等工作时，更是难以实现。

(3)单片机：微控制器的研制与应用，以其小巧、质、质、价、高可靠、低功率、高柔性等优点已为人们所接受。单片机应用于科学计算、资料处理与资讯管理、CAD、CAM、CAA、CAI、工艺控制与仪表智能、军工、多媒体、资讯高速公路、家庭及家庭自动化等诸多方面。单片机内部包含了CPU、RAM、ROM、I/O口、总线甚至A/D及D/A转换电路，功能十分强大。在计算机编程中，很多数字、模拟电路中难以攻克的问题，在编写单片机编程时，往往能够出人意料地获得意想不到的结果，只需对一些外围电路进行改动，就可以使整个设计系统的性能发生变化。大大提高了便携性和可维护性。在资料分析，处理，记忆，通信等方面都做得很好。从题中所提的需求来看，微控制器是最佳之选。它以单片机为外部器件，包括显示屏、键盘、通讯、印刷界面等，完成了对脉冲计数、数据运算、显示、通讯、储存等方面的工作。经过以上比较，我们决定采用红外线检测器，单片机为主控芯片，配合其它的硬件电路，完成资料处理、储存、显示、通讯等工作。2.2.3单片机系统选择以AT89C2051、AT89C51为核心，以8位微控制器为核心，以性能优良、功耗小、功耗小为特点。AT89C2051与MCS-51系列微处理器在命令体系、引脚等方面均达到了完美的兼容性，并赋予了该系统更多的新功能。采用AT89S52作为一种新型的微控制器，可以有效地提高系统的稳定性，减小系统的尺寸，减少系统的造价。此程式的长度不超过4k，有四个输入输出端口可供使用者使用。在操作过程中，只需存储少量的中间变量，无需额外增加内存。该系统选用了具有8KB内存的AT89S52微控制器。并配有三个计时器，可在多台机器通讯的情况下使用。通过对上述两种方案的对比，并从各个方面进行了分析，最终选择了AT89S52系列单片机。2.2.4显示模块选择(1)液晶显示由于液晶元件为电容加载，且其阻值几乎为零，所以正压与负压起到相同的作用。因为液晶显示器是通过交流电流进行的，因此必须采用交流电源，并且说明交流电源中的直流成分不得大于几十mv；当频率低于1000Hz时，其透射率的改变只与施加的电压有关。LCD大信息量大，使用寿命长，低电压驱动等优点。(2)LED动态显示数字式显示器是一种显示器，它通过向它的各个引脚处注入相应的电压，就可以让它发光，以显示各种可以显示的数据，如时间，日期，温度等。因为其价格低廉，操作简便，所以在各种电子产品尤其是家用电器中得到了广泛的运用，比如空调，热水器，冰箱等等。大部分的热水器都使用数字显像管，其它家用电器也使用LCD和屏幕。数码管的动态显示接口是当前最为普遍使用的一种显示方式，其原理是将所有数码管的八种笔划（a,b,c,d,e,f,g,dp"的相同名称连接到相应的数码管的公共电极COM上，从而每个数码管的相应的输入/输出线由相同的字形编码来控制。利用分时交替的方法来控制各个数码管的COM接口，使每个数码管都能进行持续、可控的显示。在进行动态演示时，各数码管的开启需要1~2ms，因为LED的余辉效应和人类的视觉暂留，所以即使数字管并不是在同一时刻亮起，但是如果快速地进行着扫描，那么就会产生一种平稳的信息，没有一种跳动的感觉，这种动态显示与静止显示差不多，可以节约很多的输入/输出接口，并且能耗也比较小。比较了两种方案，指出液晶显示在显示性能和操作方便等优点。所以采用液晶显示器来实现其显示功能。2.3元器件选择及功能介绍2.3.1单片机AT89S52(1)主要性能：(2)功能特性描述：AT89S52是CMOS8位微控制器，具有较小的功率消耗和较高的性能。由于使用了美国艾默尔的高密度存储技术，80C51具有非常完善的指令和引脚。本片采用Flash技术，既可以在计算机上编写程序，又可以应用到常规的编程器中。AT89S52在设计上充分利用了8位CPU的灵活性和Flash的可编程性，能够很好的适应不同类型的嵌入式系统。AT89S52的技术指标为：8Kb节的闪存，256字节的RAM,32位的I/O口线线，门狗定时器，2个数据指示器，3个16位的计时/定时器，6个矢量2级中断结构，全双工串行接口，片内晶体振荡器，以及时钟等等。另外，AT89S52还能实现工作在0Hz以下，并提供两种节能模式。在空闲的时候，CPU将停止工作，这样就可以让记忆体、定时器、串行和中断持续进行。当电源关闭时，将其存入内存，保持其“休眠”，直到另一个电源中断或重新启动后，该电路不会恢复工作。图3所示为AT89S52单片机的引脚结构。图3AT89S52的引脚结构2.3.2红外传感器红外探测是近年来兴起的一种新的探测手段。在科学技术、军事、工业、农业等多个领域有着广阔的用途，尤其在科研、军事、医药等领域发挥着不可替代的作用。比如红外制导火箭，红外成像，红外遥感等等。其中，红外探测器是实现红外探测的主要手段，在现代工业生产中起到了很大的作用。特别是在远程监控领域，由于具有优良的特性，能够很好地适应各种需求，因此成为了该领域中的一个重要研究方向。所以，它在未来的发展中有着巨大的潜力。该心跳计的传感器是由一对5毫米的红外对管和辅助几个电路构成的红外传感器，该红外对管是指将红外辐射管和光敏接受管、红外接受管、或红外接受头组合在一起使用的统称。在LED封装领域，红外辐射管有850NM,875NM,940NM三种常见频段。不同的波长所使用的不同型号的产品也不尽相同，850毫微米的是红外监测仪器，875毫微米的是医学仪器，940毫微米的是红外控制器。公司：红外远程控制、光电转换、光电点钞机等.光敏式受光元件为具有感光性的PN结元件，属于光电灵敏三极管，为一种必须施加反相电压的单向传导元件。没有光照时，很小的反向饱和泄漏（暗电流）。这时，光电导体不具有传导性。当受到光照时，就会立刻出现一个根据入射光强度增大的特定地区的光电流。2.3.3双运算放大器LM358NLM358采用了两个高增益，内置频率补偿的双运算放大器，适用于各种不同的电源，也适用于不同的工作条件下的双运算放大器。适合于读出放大器、DC增益模块和其他电源电源。特性:1低输入偏流2内部频率补偿3直流电压增益高(约100dB)4单位增益频带宽(约1MHz)5电源电压范围宽：单电源(3—30V)；双电源(±1.5一±15V)6低功耗电流，适合于电池供电7低输入失调电压和失调电流8共模输入电压范围宽，包括接地9差模输入电压范围宽，等于电源电压范围10输出电压摆幅大(0至Vcc-1.5V)11LM358的引脚结构如图4所示。图4LM358的引脚结构2.3.4LCD1602显示模块1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）如图5。图5LCD1602显示模块管脚功能1602采用标准的16脚接口，其中：第1支：VSS作为供电地线；第2支：VCC与5V供电的正电极连接；第3支：V0是LCD的反差调节端子，当与正电源相连时，其反差是最小的，而在与地供电的情况下，则是最大的（如果反差太大，会出现“鬼影”现象，可以用10K的电位器来调节）。第4支：选择寄存器的RS，在高电平1的情况下，选择数据寄存器，在0的情况下，选择命令寄存器。第5支脚：RW是读取和写入信号线，并且当（1）处于高电平时执行读取动作，并且当（0）处于低位时执行写入动作。第6条：E（或者EN）端子是允许端子，当高电平（1）时读出信息，并且当发生负跃迁时，则执行命令。第7支至第14支：D_D1-D7是8比特的二路资料终端。第15条至第16条为空载或背光供电。15引脚为正极，16引脚为背阴。第三章硬件系统设计3.1系统设计框图本文介绍了一种基于数字信号采集、信号放大、比较和单片机信号处理及液晶显示器的硬件电路。首先，采用红外检测装置获得与心跳一样的脉动信号，红外管Dl发射的光穿过机身内的弱光，阻止光电二极管导通，形成高电平；当通过红外线发射管Dl所发射的光变得更弱时，所述感光三极管开启，从而产生一个低电平的信号。在40下/分钟的情况下，所测出的频率为0.78赫兹，在40下的情况下，所测出的频率为3.33赫兹，从所述传感器传来的是一种低频率信号。利用RC振荡器对其进行滤波，去除了高频噪声，然后通过不带极直流电容C3和C5加到线性放大器的输出。该电路由运放100倍放大，并与R3,R4,C6构成的T形低通滤波器滤去残余的噪声。将所得到的正弦波进行差分，得到一个尖锐的脉冲，然后由一个单稳态的振荡器把这个尖锐的脉冲，转换成与这个相同的频率的长脉冲，然后再通过R12传送到一个单片机中，由一个软件对这个信号进行处理，最终将这个信号以数字的方式显示在一个液晶屏幕上。图6系统设计原理框图3.2信号采集电路在图7中显示了一个信号获取电路。5毫米的红外线对管D1和D3构成了一种红外线感应器。由于红外探测器产生的脉冲是极弱的，其频率极低（例如50下每min时为0.78赫，200下每min时为3.33赫），同时还存在着多种噪音干扰，所以对此信号进行低通滤波器处理，以消除高频干扰。在感应到强烈的扰动噪声时，其输出的直流电压将发生极大的改变。图7信号采集电路3.3信号放大电路从图8中可以看出，R3和R8的电阻的比值是放大器的放大率，通过算出，这个放大器的理论值是200倍，但是因为8号界面上的5V供电电压不够，以及材质的局限性以及一些人为原因，这个放大率只能达到20倍。图8信号放大电路3.4信号比较电路在电路的设计中，通常采用的是一种比较型的方法。本设计用于警报、自动控制、测试、V/F变换、A/D变换、快速取样、供电电压监测、振荡、压调节、过零点探测等功能。本文着重阐述其基本思想、工作原理和工作方式，电压比较器是通过两个模拟电压的幅值来判断谁是高的，若收到的信号电压小于此值为0V，大于此值为5V，如此形成0与5V的方波。在图9中可以看到。图9电压比较器3.5LCD1602显示电路LCD1602与单片机接口电路如图10：图10LCD1602与单片机接口电路3.6键盘电路由于输入输出端口已经够用，所以在键盘上进行了直线型的设计。三根针由键连接到地面上。对扫描进行编程。3个键连接到CPU的P30,P31,P32，用于设定普通心跳的频率，从而当超过极限时会发出警报。如图11。图11键盘电路HYPERLINK"); 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