【《基于51单片机心率脉搏计设计》8700字（论文）】

基于51单片机心率脉搏计设计摘要在心率脉搏计的使用范围内，在确保心率的高效准确测量的基础上，在检测心率情况是否存在异常的同时，尽可能地节约时间，本篇文章就是根据上述要求对心率脉搏计进行了设计，该设计简单易操作、系统稳定性较高、可靠性能好。本次设计中，经过多方对比最终选取了型号为STC89C51的单片机、光电传感器最终选用了型号ST188。这种型号从根本上来讲，主要是利用其中光电传感器的作用产生相应的脉冲，在对心跳的次数进行计算时主要通过对单片机的运用来完成的，其对应的时间根据定时器获取。本设计使用的时候可以展现脉搏心率次数当其终止使用的时候可以展示总的脉搏心率次数以及时间长短。由于一些现实状况的存在我们应当实施下述的相关内容：一是了解系统功能的同时可以进行需求分析；二是机体内部生物信号大都在充满噪音状况里，频率和信号很弱，应该放大并且进行滤波处理；三是所有的硬件设备以及对弱信号的处理都应整合在一起，这样能够让人体脉搏信号转化为电信号。还能够通过C语言这种方式进行编程，而且实现构建屏显等作用。相关结果能够说明，心率脉搏计设计在技术方面有一定的可行性，基本上符合精度标准。能够确保基础脉冲测量功能的同时又可以确保测量的精准度且使用单片机控制确保了系统准确稳定。传感器采用光电传感器，大大降低了外界干扰信号的干扰。显示器运用液晶显示器，显示效果更好，且易于操作。关键词：心率脉搏计STC89C51单片机红外反射式传感器目录TOC\o"1-3"\h\u26865摘要 引言身体是否健康，脉搏是一个较为重要的衡量指标，对其的研究可以追溯到公元3世纪，脉学的相关理论以及研究变得日益完备。脉搏为中医的发展增加了明媚的阳光，其不仅是中医治疗中相关精神以及理论的直接应用，更是为全世界人所重视的无创的诊断方式。科技的不断进步和革新，使得脉搏测量技术得到了前所未有的进步和发展，脉搏测量仪应用而生，各种不同类型的设备在因其测量精度有所偏差进而发展成不同类型的设备。今天的脉搏检测摆脱了听诊器方法以及人工检查到的束缚，借助精确度较高的电子仪器进行测量。一般来说，人体所发出的各种信号都能够借助脉搏的跳动情况进行反馈，也受到了越来越多临床医生的关注，使得测量脉搏获取的信息变得更加便捷以及拥有较高的准确性。但是考虑到脉搏诊断的时候会受到病人自身以及医生主观性的影响，可能会导致其准确度存在不足，这就使得中医里脉搏诊断这项技术变得十分难以推广到更大的范围，使得中医的发展受到了极大地限制。综上所述，为实现推广中医学知识，促进脉搏诊断的应用以及发展的目的，我们应该和一些新兴的科学技术相结合，这样才能进行更为准确高效的判断。心率脉搏检测系统设计系统方案设计以一个主控制器为系统的控制核心，连接各个应用模块，最终形成完整的心率脉搏检测系统，经过大量的前期准备工作以及数据分析对比，在本次所研究的系统中，可以使用的方式主要有两种，包括单片机控制以及DSP控制，其具体内容如下述：方案一：将单片机作为系统中最主要的控制芯片。通常情况下，单片机本质上来讲相当于一个较小又较完整的微处理器，其最大的特点是能够完成目前所需要的控制行为，是一种功能强大的集成电路芯片，其优势是在同一芯片上完成电路的输入输出、数据的读写、微处理器的简单操作。单片机作为主控芯片的系统结构图如图2.1所示，整个系统是采用单片机作为本设计的控制部分，该系统主要有单片机、传感器和显示器构成。在检测心率脉搏时，脉冲信号被传感器所采集，进行传输到达单片机，单片机经过一系列计算以后将数据输出，并借助显示电路模块完成显示操作。图2-1基于单片机的心率脉搏检测系统结构图方案二：主要使用的是DSP芯片，也就是数字信号处理器，在此芯片的作用下对信号进行处理、分析、转换、解调和高速算法分析信号的组件。其主要是完成模块之间的通信，例如键盘读取、音频编码芯片和屏幕初始化、通过屏幕显示数字编解码器芯片操作状态等。系统里最重要的三个模块就是DSP实时监测和处理系统、脉冲信号调理电路、光脉冲传感器。其系统流程所示如2.2，人体生理脉搏信号传输到传感器，信号在脉搏信号调理电路上传播最终到达DSP实时监测系统中进行处理，这样就完成了心率脉搏的一次监测。图2-2基于DSP的心率脉搏检测系统结构图综上，DSP的运行速度很快，但其控制算法相对复杂。而本次设计中选用单片机作为主控芯片，主要是因为单片机完全能够实现设计目标，加上单片机控制难度小，稳定性好，性价比高且耗能小，所以是最优选择。系统总体设计图2.3为系统的工作流程原理，以单片机为核心最终实现脉搏心率的测量。图2.3心率脉搏计工作原理红外发射二极管感知到手指时，心脏的跳动使得体内的血流量发生变化，所以必须将光强改变受到血液饱和度变化的影响考虑其中，同时红外接收二极管的电流会因红外二极管的变化产生较大的变化，两者具有一定的关联性，进而得到输出的脉冲信号，信号借助放大器处理后传送给单片机之后传送给显示屏上显示。硬件设计主控电路主控单片机选择单片机作为此次系统的关键，所以在选择时必须综合考虑其稳定性、性价比、损耗大小等因素，确保系统能够更加顺畅的运行。在整个设计中单片机相当于人体的心脏，是本设计的核心，基于此有以下两种方案可供选择：方案一：使用STC89C51单片机为主要的控制核心，该系列单片机一经推出就凭借性能优、功耗低受到较好的欢迎，该单片机具有Flash程序存储器模块，内含ISP闪存单元以及中央处理器，在系统里具有只读存储器，大小为4k。其兼容性也较强，与型号较为普通的单片机可以共同使用，该系列单片机其在能量损耗上也较为突出，并且其开发较为容易、可在线编程下载、成本低是非常不错的选择。方案二：16位的微处理器，型号为MC9S12DG8单片机也是较为优秀的控制芯片，在芯片不仅有单芯片微计算机还有CAN功能块部分，可专门用于计数，一般用于手机、便携式医疗器材等领域。但是开发难度相对比较大、价格昂贵。综上，与MC9S12DG8单片机相比，STC89C51单片机开发难度较低、稳定性高，并且价格低廉没有造成资源浪费，因此选择了方案一作为本设计的主控制器。STC89C51单片机引脚说明对于该类型的单片机而言，所用的封装形式共有2种，即四十四个引脚的PLCC以及四十个引脚的PDIP。具体见图3.1。本设计中采用的是直插式的PDIP封装形式。图3-1STC89C51封装形式管脚说明：STC89C51单片机外部有32个端口可供使用，具体所包含的引脚以及相应的使用说明如下表3.1所示：表3-1STC89C51单片机引脚功能STC89C51单片机最小系统在这类系统中，依据类型的不同可以分为晶振、复位以及电源三种电路，这些电路可以在该系统运行的过程中最大程度的发挥出自身所具备的作用。电源电路主要负责为单片机进行工作过程中所需要的电压以及电流进行提供。在本次设计中，我们将USB电源线作为了系统的电源电路，将其另外一端与电脑或是充电插头进行相连，通过这种方式来为电路提供所需要的电源。复位电路主要是对单片机进行初始化。在通电时，单片机处于复位的状态之下，当电源运行程序被开启而进入不稳定过程时，此类电路可避免发生故障或者是各类错误行为。在初始阶段，电源将会持续地升高，进而利用RST针脚电实现稳定的降低，由此单片机将正常地工作。在图3.2中，详细地展示了该电路图。图3-2复位电路电路图而晶振电路的功能为：使单片机的运行过程获得所需的标准时钟。它实际上就是电阻和电容以并联的方式进行相互连接，进而与电容进行串联，其中起到决定性作用的就是负载电容值。在该电路之中，其独立反向放大器数量共计2个，需将电容接到上述放大器上，且2个电容进行串联之后所得值应和负载电容值相等，它们均会振动频率产生一定的影响，由此可实现频率的有效调节。在图3.3中，给出了晶振电路图的相关信息。图3-3晶振电路电路图单片机最小系统主要包括晶振、复位以及电源等3种电路，它实际上就是使单片机能够顺利地工作同时通过数量最少的元器件来共同构成的一个系统。在图3.4中，详细地给出了与之相关的电路图。图3-4单片机最小系统驱动电路放大器的选择在当前的设计工作中，其脉搏信号并不强，所以当波形被过滤之后，还需对其予以运放。基于此本设计有两种方案可供选择。方案一：主要通过OPA237放大器来实现。该类放大器的生产商为德州仪器（TI）。它的主要特性包括小尺寸、低偏移电压、低静态电流、低偏移电流和大功率范围。但其采用单电源使用，电池供电空间有限，成本较高且应用难度较大。方案二：主要通过LM358放大器来实现。通过2个相互独立的高增益运算放大器来共同地构成1个LM358。这种构件可以同时在单电源以及双电源的形式下进行正常工作，电源电压及其功耗电流二者间没有关系，此外实用性强，价格合理。在图3.5中，详细地给出了LM358的具体引脚排列情况。图3-5LM358引脚排列由此可知，相较于OPA237，该类放大器的操作与运作方式较为理想，而且在当前的设计工作中会有较好的应用效果。因此，本工作选择LM358来进行设计。放大电路针对低通放大器来说，在实际进行工作时，在进行脉搏心率运动之后，可以在每分钟进行200次的跳动，我们以此为基础来对其进行具体的设计，相关信息见图3.6。通过C6和R6来共同地构成低通录波器，由此可使残留影响得以消除，同时对截止频率起到决定性的作用。运放LM358可适当地放大信号，且R12/R13对放大倍数起到决定性的影响，在进行了低通放大以后，相关的输出信号则为已经进行了噪声叠加的脉动正弦波，相关的信息见图3.7。图3-6低通放大电路图3-7低通放大波形图信号采集电路光电传感器一般情况下，脉搏心率主要是由于机体动脉发生收缩和舒张运动而出现的，通过分析我们可以发现，在人体的指尖组织中存在大量的动脉成分，同时，指尖的的厚度相对较小，基于这个原因，可以穿过手指的所得光强通常情况下会比较高，也正是由于这方面的特性，在进行光电式心率脉搏传感器研究时，往往会采用手指部位来作为其所测的具体部位。光电传感器可以划分为红外发光二极管以及红外接收三极管这几个部分。光考虑光接收的具体形式的区别，它又包括了反射式以及透射式等2种。而后者的发射光源与光敏接收器件具有大体相当的距离，此外可以较为均匀地分布，对透射光进行接收。对于前一类型，其光源则是和光敏感接收装置分布于同一边上，接收来自于脉搏信号测量的相关反射光。所以，在当前所研究的系统中，采取了反射光电传感器的形式。在图3.8以及图3.9中，分布展示了它的结构图和实物图。图3-8反射式光电传感器结构图图3-9反射式光电传感器实拍图其检测原理如下：在心脏发生搏动时，其机体组织的半透明度将出现变化：在血液送至机体组织的时候其半透明度会在一定程度上下降，在搏动血液继续流回搏动心脏的不同时候机体组织中的半透明度也是会在一定量的程度上有所上升;其在搏动机体的右手指尖以及耳垂等不同位置上所显示的最为显著。因此,在当前的设计中,将有机会通过照射由红外线的发光发射二极管所发射产生的一个红外线信号到达与机体的每个手指接触部位上,再通过利用机体手指的激光衰减和机体反射光的作用,经由光敏三极管来对透射光进行接收，进而使之被转变成相应的电信号。因为在血液循环的过程中，手指上的动脉血会出现周期波动的现象，所以光的衰减以及反射过程将会出相同的变化趋势。此时，在红外接收晶体管中相关输出信号所发生的波动则体现出了动脉血所发生的改变。信号采集电路对于ST188而言，设置了红外接收以及发射的相关装置，具体见图3.10，在R10中，可采用470Ω，主要是因为充分考虑了接收晶体管自身所具有的灵敏性。R10比较小，在通电之后将上升，而红外接收晶体管则不能确定有无脉搏心率及信号；反之，如R21非常大，通过电流则非常小，也无法准确判断。在检测过程中当手指处于测量位置时，会有两个时间段，一是无脉搏阶段。虽然手指已经接触到传感器并已经将由二极管所发出的红外光完全挡起来，然而因为在三极管之中形成了暗电流，相应地降低了输出电压；此外，则为有脉搏阶段。当三极管之中的暗电流降低之后，则将会提高输出电压，从而可检测到心率。由于ST188传感器的信号输出频率很低，因此信号首先由联合容量C4组合，随后依据R5、C5滤波来过滤高频干扰之后放于线性放大输入端。在已经完成了测量之后，可通过C4耦合电容来使其被阻止，这样如果干涉光线比较强，或者是手指和传感器分离所致在输入端上发生了较为严重的直流电压变化，可以很好地避免它被泄漏而进入LM358的输入端之中。图3-10信号采集电路图显示电路显示器模块的选择在这一系统中，需对脉搏心跳的时间以及次数等进行显示，所显示的内容涵盖了一些字母与数字，因此需起码二行的屏幕显示。显示器件可以有以下选择：方案一：采用LED动态显示屏。作为显示屏中的一种，数码管主要是针对各种类型的管脚将相应电流输入进去，由此发亮并实现显示。动态数字驱动器和行程连接所有多个数字计算机构的8个数字显示器与行程"a、b、c、d、e、f、g和DP"同名。而由于当用户连接本机主控器时采用LED两种动态电流扫描连接方法则会占用更多的主机I/0连接端口,主机微控制器每个端口的输出电流放大输出功能不足,因此还可能需要安装有电流驱动器而该模块可用来直接放大输出电流并直接控制一个数字信号电子管,如此一来会增加焊接难度，导致焊接错误。方案二：通过安装液晶电视显示屏(lcd1602)来实现。该类型的液晶电视显示屏为一个字符型的显示模块。所需要显示的文字内容主要包含有字母和数字,此外还三十二个字符，因其由大量点阵构成，导致字符每个位有间隔，所以采用控制器HD44780控制器来使显示效果更佳。此控制器电路简单可完成动态字符等功能。对比这2个方案可知，相较于LED动态显示屏而言，第二个方案有着比较适当的设备尺寸，具有良好的效果，而且便于控制，所以最终选择了第二种方案。LCD1602液晶显示器LCD1602液晶模块,也就是可直接简称其作为显示液晶模块lcd1602字符自动显示模块液晶,具有16×2标记,可以在不同的每一行中分别自动显示16个字符、数字、符号等。LCD1602具有11个特定显示命令,通过将这些命令发送到液晶屏，单芯片微型计算机可以执行特定功能，如打开、关闭和全屏等。控制LCD1602液晶显示器可以通过写数据，读数据，写状态以及读状态操作等的执行来实现某些操作的执行。在图3.11中，详细地给出了其有关的电路图信息。图3-11显示电路管脚功能：对于当前的工作而言，可采用图3.12所示的标准16脚的接口。在不同类型的引脚接口中，其功能也有所区别，具体可参考表3.2中的内容。图3-12LCD1602引脚表3-2LCD1602引脚说明对于LCD1602来说,其主要技术特点功能包括:电源可直接使用在+3.3v输出电压上、对比度较高可手动调节。其中含有多种屏幕控制电路命令,例如屏幕重置控制电路中的屏幕自动清理、字符屏幕闪烁、光标屏幕闪烁、显示屏幕移动等。总体电路图设计在当前的设计中，其控制核心为STC89C51单片机，则详细地列出了其设计电路图的相关信息。所含的主要模块包括：电源、显示、信号处理、检测以及主控等模块。本设计的工作过程是通过ST188来进行信号的采集，再由放大器来放大所得信号，然后进行滤波，之后当已经完成了整形之后，将会被输出到单片机上，由后者进行处理，进而使之被传至液晶显示屏来进行显示，最终得到结果。软件设计软件开发环境的介绍本设计采用KeilμVision4进行编程。作为一种非常重要的单片机C语言新型开发系统，KeilC51和51系列是相互兼容的。其库数据非常丰富，且具有很强大的功能，由于其集成环境具有很高的便捷性，且很适用于STC89C51单片机，因此最终确定了该软件来设计心率脉搏计。其运行的主界面信息可参考图4.1中的内容。图4-1KeilμVision4软件运行界面系统重要函数介绍系统主程序设计本课程设计的系统主程序主要是用于控制自动单片化整机系统在国家规定的软件操作系统模式下的运行,其为控制单片化整机系统的主程序的设计框架。其中一个重要的部分是设置采样6s和计时l00ms。系统使用计时器T1实现100毫秒的计时，而中断等待则为程序运行过程中的多数时间的死循环语句，只有当中断符合相关条件时，运行中断服务子程序求和。当已经进行了计数之后，若采样数不超过60，那么将会相应地回到6秒，再持续地进行采样，然后进行中断的等待，只有当等待的次数为60之后才停止下来，符合相关的要求之后，则会改变采样结果（从之前的二进制被改变成后来的十进制），然而向液晶显示进行。在图4.2中，详细地给出了有关的流程。图4-2主程序流程图中断程序设计对于自动中断测试服务程序而言,主要功能涵盖了1分钟的倒计时、有无自动测试中断信号、以及开关按键的自动检测等。当系统运行这一计时程序后,将系统会自动进行1分钟的自动计时,当完成了1秒钟的计时之后，将对后1秒进行检测，当已经达到1分钟后，该过程会停止，而且进行心率脉搏次数的测取。此外，它还可进行按键的检测，假如复位测试值便能够再次进行测试。在图4.3中，详细地给出了有关的流程图。图4-3定时器中断程序流程图显示程序设计在LCD1602进行显示的时候，需结合产品自身的时序要求来开展相应的编程。当中断程序实现结果的获取后，将会首先将上1次的心率脉搏次数显示出来，延时10微秒以后，则进行第2次心率脉搏次数的显示，在延时了10微秒后，会将其时间显示出来。在图4.4中，详细地展示了其相关的流程图。图4-4显示程序流程图系统调试系统硬件调试基于理论电路图来将有关的硬件电路设计出来并进行制作。在调试硬件电路方面，需检测的方面包括下述：短路、焊接、断线、焊料泄漏、接通移动电源后系统是否正常工作运行等。当整个板子全部焊好后首先你需要根据地下电路工程图仔细进行检查一下,看看板子有没有出现漏焊的异常情况,同时你还要仔细看一下需要正确连接的地下线路是否有没有都连上,特别是还要非常注意地下电源线和普通地下电线的正确连接。断线、焊接、短路等长时间均可通过自动化的数字万能专用电表和仪表功能进行实时检测,检查时一定记得需要细心和多加的注意和耐心,不要急躁。用2根不动数字检测表笔可以进行数字检测每个部件进行数字检测的部件和一条不动机电导线的接口连接两端,导通时不动导线上的蜂鸣器自动鸣响,断开时不鸣响。这样，可以根据我们所需要的检查情况，结合检查的现象，检查线路是否有问题。成功下载程序后，通电发现在LCD1602中没有进行内容的显示，而结合电路图来进行检查之后，发现在光电传感器上存在漏焊的问题；对其进行修改，则显示器可将之前读数显示出来。在图5.1中，详细地给出了实物进行通电之后的外观。图5-1实物展示图系统软件调试当前的设计主要是以单片机控制作为其基础，通过单片机自身的主程序来有效地控制心率脉搏计，当前选择了STC89C51单片机系列产品，它已经被大量地应用，编译语言以C语言为主。本次设计以KeilμVision4软件进行编写，如图5.2所示。图5-2KeilμVision4的编译环境KeilμVision4使用的基本编写方法,首先我们需要直接建立一个新的程序项目,选择需要使用的一种单片式主机软件类型,可以直接编写一个新的程序文件,编写生成完整个程序后需要进行二次编译,编译过程就是通过检测整个程序本身是否发现有任何错误和发出警告,警告错误不会直接影响整个程序的正常运行。在开始编译这个程序之后,生成.HEX文件。程序运行写入系统控制电路芯片STC89C51后,接通系统电源,电源电压指示灯亮,系统启动。当人的手指接触到光电传感器时，指示灯亮说明系统开始工作，记录一分钟心率脉搏次数，则心率脉搏计工作正常。STC-ISP是一种适用于控制STC系列微型单片机的一种将应用程序进行下载发送到其他单片机的应用软件。其主要工作原理过程主要是将一台单片机按照键盘方向键放置于一个烧录读写器中,安装好驱动程序之后连接好移动计算机,启动应用软件之后选择主机对应的COM口。选中事先进行编辑好的.HEX文件,确定后即可点击进行下载,此时安装软件系统会先对放在单片卡主机里的旧版原程序就