基于51單片機的心率測量及預警系統設計

徐瑞雄 楊 博 王垚飛 李香坪 肖芳菲 郭建強西南交通大學物理科學與技術學院 四川成都 611756

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基于51單片機的心率測量及預警系統設計

徐瑞雄 楊 博 王垚飛 李香坪 肖芳菲 郭建強
西南交通大學物理科學與技術學院 四川成都 611756

【文章摘要】

在生活中，心率作為反映人體健康的一個重要參數，出現異常后可能導致多種緊急情況。為了解決心率的便攜式測量問題，考慮到51系列單片機廣泛應用于數字電子產品領域，本文在研究設計中，將光電傳感器與51單片機相結合，通過軟硬件結合的方法，將人的心率精準測量及顯示，并在超過人為設定范圍時進行報警提示。通過實驗研究結果及分析，文中設計的思路能有效便捷地實現對心率進行測量和預警的功能。

【關鍵詞】

STC89C52；心率監測；LCD顯示器；光電傳感器

引言

心率測量有脈搏時光線被遮擋，無脈搏時透光強，本文所采用的傳感器是光電傳感器。通過觀測脈搏信號，可以對人體的健康進行檢查，可被用于保健中心和醫院。系統可以供用戶測量當時的脈搏次數，同時還可以設定上限次數和下限次數，記作人體正常情況下的脈搏范圍，當測量的范圍超過設定的合理范圍時則驅動蜂鳴器報警提醒。

從脈搏波中提取人體的生理，病理等信息作為臨床診斷和治療的依據，一直都受到中外醫學界的重視。本文設計的心率測量及預警系統以STC89C52單片機為核心，以光電反射式傳感器ST188采集信號，再利用單片機系統內部定時器來計算時間，由光電傳感器感應產生信號，單片機通過對信號累加得到脈搏跳動次數，時間由定時器定時而得。系統運行中可以通過觀察指示燈閃爍，若均勻閃爍說明測量值準確。但是由于人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號， 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號， 所以必須經過放大和濾波以滿足采集的要求。

1　總體設計方案

總體設計流程如圖1所示。

本設計采用單片機AT89C52為控制核心，實現心率監測系統的基本測量和預警功能。該系統的硬件框圖如圖2所示。

圖1　系統設計流程圖

圖2　心率監測系統的工作原理

2　硬件模塊電路設計

2.1硬件電路設計原理

主控模塊模塊在整個系統中起著控制的作用，需要檢測鍵盤等各種參數，同時驅動液晶顯示相關參數，在這里我們選用了51系列單片機中的STC89C52單片機作為系統的主控芯片。

圖3為單片機最小系統電路圖，單片機最小系統有單片機、時鐘電路、復位電路組成，時鐘電路選用了12MHz的晶振提供時鐘，作用為給單片機提供一個時間基準，其中執行一條基本指令需要的時間為一個機器周期，單片機的復位電路，按下復位按鍵之后可以使單片機進入剛上電的起始狀態。圖中10k排阻為P0口的上拉電阻，由于P0口跟其他IO結構不一樣，其為漏極開路的結構，因此要加上拉電阻才能正常使用。

2.2LCD液晶顯示器簡介

由于本設計中要求顯示界面顯示一些參數，因此這里選用了LCD1602作為界面顯示，LCD1602的顯示豐富，可以把一些相關的參數進行顯示。

2.3信號采集電路設計

此部分電路的功能是由光電傳感器將脈搏信號轉換為電信號，一般為幾十毫伏，必須加以放大，以達到整形電路所需的電壓，一般為幾伏。放大后的信號波形是不規則的脈沖信號，因此必須加以濾波整形，整形電路的輸出電壓應滿足計數器的要求。選擇電路：所選放大整形電路框圖如圖4所示，原理圖如圖5所示。

圖3　單片機最小系統電路圖

圖4　放大整形電路框圖

2.4光電傳感器選擇

傳感器采用了紅外光電傳感器ST188，其作用是通過紅外光照射人的手指的血脈流動情況，把脈搏跳動轉換為電信號，其原理電路如圖6所示。

如圖中，紅外管采用188。用+5V電源供電，R1取150，R2取33，當人把手指放在ST188光電傳感器上的時候，光電傳感器接收到的信號會隨人脈搏強度的變化而變化。

脈搏測量的時候人把手輕輕的按在光電傳感器上面，由于人脈搏跳動的時候，血液的透光性不一樣會導致接收器那邊接收的信號強弱不一樣，間接的把人脈搏信號傳回，然后再通過運放對其進行放大、整形后連接到單片機的口，單片機利用外部中斷對其進行計數，然后換算成人一分鐘脈搏的跳動次數，最終顯示在液晶屏上。

圖5　放大整形電路原理圖

圖6　傳感器信號調節原理電路圖

3　軟件設計

主程序流程圖如圖7所示，單片機上電后先進行初始化，設置參數的初值，然后等待用戶按下對應的按鍵并進入對應的功能，當用戶按下測量按鍵的時候，單片機通過定時15測量人體的脈搏次數，然后再換算出對應的真實的脈搏次數再在液晶屏幕上顯示，當用戶按下設置脈搏范圍設定按鍵后，單片機根據用戶按下的按鍵進行增加或減少范圍。軟件編程流程圖如圖7所示。

圖7　單片機程序框圖

4　仿真模擬結果

利用進行仿真，由于仿真軟件中無反射式光電傳感器，本文以按壓式按鍵代替對單片機系統進行仿真測試，仿真圖如下圖8。

圖8　仿真原理圖

5　結果分析

本文對不同時間段，不同人測量出多組數據，然后利用標準儀器進行測量和本文設計系統測量對比結果如表1所示。

表1　心率測量值和單片機測量值對比表

本文設計出的心率測量儀的報警范圍為小于50，和大于120，和標準儀器對比的測量誤差在5%以內。

6　結束語

本文基于51單片機最小系統，采用靈敏度較高的光電傳感器設計并實現了心率計功能。設計采用屏顯示測量結果，并配置了上下閾值可調節功能，在較低的成本下，測量精度可以滿足日常生活中的測量需求。并方便融合在其他地方，如方向盤，有效的做到了心率的實時監測以及預警。

【參考文獻】

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［7］李華，MCS-51系列單片機實用接口技術［M］，北京：北京航空航天大學出版社，1993.

【作者簡介】

徐瑞雄（1994.11.10），男，漢族，湖北隨州人，學歷：本科，研究方向：電子科學與技術。