基于單片機的人體脈搏測量系統設計

吳猛

摘要：為了滿足根據人體健康監測的需要，本文設計一套以STC89C51RC單片機為控制核心的脈搏測量儀。系統采用光電傳感器采集人體脈搏信息，經輸入通道處轉換成同頻率的脈沖信號送往單片機，利用單片機內部的定時/計數功能對采集的脈搏進行核心處理，在短時間內，測出人體的脈搏數，并將按照指令將心率進行顯示或者通過無線模塊進行傳輸，采用GSM SIM900A通信模塊發送到監控人員的移動設備。系統具有功耗低、體積小、測量準確等特點。

關鍵詞：STC89C51RC單片機 脈搏 無線通信 監控

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0168-02

隨著科學技術的飛速發展，帶動了各行業的進步，生命科學與信息科學技術的緊密相連，為人類的健康監測提供了更便利的條件。脈搏值是人體健康的一個重要參數，它承載著豐富的人體健康狀況信息，脈診是中醫學中最具特色的診斷方法，早在中國古代就已經出現了通過判斷脈搏的跳動來診斷患者病情的先例。結合實踐，為了讓醫生或其他監測人員能夠實時的掌握患者的脈搏信息，了解患者心率狀況，及時探測到病因、病位，使患者得到及時的救治，設計一套便于攜帶、測量精準并能快速上傳給監測人員的人體脈搏監測系統具有一定的臨床意義。

1 系統總體結構

脈搏測量儀是通過采集人體脈搏的變化而引起的一些生物信號，然后將信號的生物信號轉換為物理信號，用這些變化的物理信號來表達人體的脈搏變化，最后要得到每分鐘的脈搏次數，就需要通過相應的硬件電路和芯片來處理物理變化并存儲脈搏數。本系統主要由光電傳感器、信號處理電路、單片機處理單元、顯示單元、SIM900A無線通信模塊、報警電路、按鍵控制電路和手機終端組成。人體脈搏測量儀的系統結構框圖如圖1所示。

系統采用單片機STC89C51RC作為核心部件，通過其內部定時/計數器對脈搏進行計算，轉換成心率進行顯示，通過通信模塊上傳到移動設備，實現人體心率監控。

光電傳感器采集人體脈搏信號，經過程通道放大、變換處理，傳送至單片機，單片機將脈搏信號進行實時處理之后，通過SIM900A無線通信模塊將所采集到的脈搏信息傳送至監測人員的移動設備上，從而使監測人員可以非常及時、準確的掌握測試者的脈搏的基本信息，給出相應的治療方案。

2 硬件設計

2.1 脈搏信號采集電路設計

本系統中脈搏信號采集使用單光束反射式紅外光電傳感器ST188，ST188采用高發射功率紅外發光二極管和高靈敏度雙光電晶體管，是一種非接觸式測量方式元件。其檢測距離在4～13mm范圍內可調，在紅外檢測方面應用非常廣泛。具有體積小、價格低、使用方便、質量可靠的優點。ST188內含一個反射模塊和一個接收模塊共A、K、C、E四個引腳。通過發射紅外信號，由接收到的信號變化情況判斷檢測物體狀態的變化。A、K之間是發光二極管，C、E之間是光敏三極管。該傳感器使用+5V電源供電，光源和光敏原件被至于被測指尖的下方，接收的是漫反射回來的光，此信號可以精確地測得血管內容積變化。ST188光電傳感器的發光二極管發射出光線，光敏三極管對血壓變化所引起的通光率變化做出相應，從而采集到脈搏信號并將所采集到的脈搏信號輸出。脈搏信號采集電路如圖2所示。

2.2 信號的調理及轉換

光電傳感器采集的脈搏信號比較微弱，通常只有幾個毫伏，并伴隨很大的噪聲干擾，不能直接進入單片機，需要經過信號處理環節調理成單片機識別和易于接受的信號。信號調理單元可以實現脈搏信號放大、濾波及信號模式的轉換。

本設計中濾波電路由高通濾波和二階低通濾波兩部分組成，主要濾去市電干擾及肌電干擾。人體脈搏信號為0.5～25HZ，正常人的脈搏信號在1.33HZ左右，低通濾波截至頻率設定為25HZ；為了過濾患者呼吸引起的基線漂移信號，高通濾波下限截至頻率設定為0.5HZ左右；選用低漂移、高輸入阻抗運放LM358對脈搏信號放大。

經過濾波電路處理的信號經放大后送至比較器，由于滯回比較器相對于單限比較器具有一定的抗干擾能力，所以選用滯回比較器。采用LM358作為比較器，將采集到的模擬信號變為同頻率的方波或矩形波。比較器的原理是當放大后的電壓大于基準電壓時輸出低電平，否則輸出高電平，這樣就會產生一個直流方波信號并傳送到單片機。單片機進行計數后將之轉換為一分鐘的脈搏數，之后進行顯示。

2.3 SIM900A無線通信模塊

為了能及時有效掌握患者心率狀況，本測量儀采用了SIM900A無線通信模塊，該模塊具有語音通話、短信收發、GPRS網絡數據收發、彩信收發功能。 SIM900A采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，采用功能強大的處理器ARM9216EJ-S內核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發要求。當單片機處理完脈搏采集電路采集到的脈搏信號后，如果測量結果超過系統設定的結果，單片機就會開啟SIM900A無線通信模塊，將使用者的脈搏信息傳送至監測人員的移動設備上。由于本次設計采用的是GSM無線傳輸，所以受距離影響較小，只要有GSM無線通訊網絡即可實現傳輸功能。使用時上電接地后，只需將SIM900A無線通信模塊的TXD、RXD分別連接單片機的P3.1、P3.0口即可。

3 軟件設計

軟件程序包括主程序和子程序。主程序是整個單片機系統的靈魂。系統上電復位后，啟動主程序，系統按照預定的方式進行運行，單片機會自動對系統各個模塊進行初始化，按照功能要求，開中斷、調用功能子程序，計算心率，送到LED顯示，或上傳給監測人員。脈搏采集電路進行脈搏數據得采集，當脈搏數據采集成功后傳送至單片機，單片機處理成功后會按照指令將采集到的數據進行顯示或者通過無線模塊進行傳輸，主程序流程如圖3所示。

脈搏采集子程序完成脈搏信號的采集、處理。當執行脈搏采集子程序時，系統通過ST188光電傳感器進行脈搏的數據采集，當數據采集成功之后，采集到的脈搏信號經過濾波、放大、比較等一系列處理后將所采集到的信號發送至單片機，單片機將收到的脈搏數據進行處理后發送至顯示模塊及通信模塊。

4 結語

本文設計了一款基于STC89C51RC的便攜式脈搏測量系統，該系統可實現人體的脈搏參數的快速測量，并可以實現異常報警。本系統具有小巧、便攜等特點，誤差范圍±2次/分鐘左右，完全可以滿足個人或醫院等場所的日常使用，具有一定的應用價值。

參考文獻

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