基于單片機的心率監測和分析系統設計

周宇陽，酒衷豪

（東南大學吳健雄學院，江蘇 南京 210096）

0 引言

脈搏是由心臟搏動而引起的，經動脈和血流傳至遠端的橈動脈處，它攜帶著人體豐富的健康狀況及信息。中醫一直是靠手指加經驗獲取脈搏信息，這種切脈技巧普通人很難掌握。基于此，本文擬通過單片機與傳感器對脈搏心率信號進行檢測、采集和處理，對脈搏信號進一步分析將是一項重要且有意義的基礎工作，它是對心臟及動脈血管系統疾病預報和診斷的前提[1]。

1 系統總體設計方案

本文設計的心率監測與分析系統能夠實現人體心率信號的采集和保存，能夠實時顯示心率波形，并且實時更新心率值，并對心率信號進行時域和頻域的分析。整個系統由STC12C5A60S2單片機采集PusleSensor的模擬信號，并數據信號通過串口送入上位機LabVIEW進行分析、顯示等[2-3]。

2 下位機硬件設計

2.1 STC12C5A60S2的最小系統部分

2.1.1 電源電路

電源電路如圖1所示，USB電源線輸出的5V直流電J1，經過switch開關K_PW1選擇通斷電，再經過電容C2，C3濾波后送給單片機40引腳電源端，其中LED1為供電指示燈。通過人為控制K_PW1，當電源接通時，LED1發光，斷開時，則熄滅。

2.1.2 復位電路

單片機在上電瞬間會自動復位，以便中央處理器CPU及其他功能部件處于一個確定的初始狀態，并從這個狀態開始工作。RST引腳是復位信號的輸入端，高電平實現復位且高電平的持續時間需要兩個機器周期以上[4]。復位電路一般是RC構成的微分電路，只要保證微分脈沖寬度足夠大，即RC時間常數大于2個機器周期。一般取10uF電容、10K歐姆電阻。另外也可通過在電容兩端并聯一個外接按鍵實現手動復位。如本設計中復位電路采用的上電復位和按鍵復位兩種方式，當給單片機上電時，電容與電阻組合構成上電復位，當單片機運行的過程中出現故障或程序跑飛時，則可人為控制，按鍵開關與電阻組合則構成按鍵復位。

圖1 電源電路

2.1.3 晶振電路

STC12C5A60S2單片機內有一增益反相放大器，振蕩頻率取決于石英晶體的振蕩頻率。一般取用11.059 2 M 和12 M（有串口通信，建議采用11.059 2 M；如需要精準時間定時，建議采用12 M）。與晶振并聯到GND的30 pF小電容是為了穩定晶振頻率，也可以微調晶振頻率。一般取值在20～33 pF范圍內，都可以正常工作[5]。

由于使用串口通信，為了減少通信誤差，晶振頻率未選擇12 MHz，而選擇11.059 2 MHz，C4，C5，Y1組合構成晶振電路，XTAL1，XTAL2分別接單片機的19，18引腳。

2.2 傳感器與單片機的接口電路

主控芯片STC12C5A60S2 芯片內用8路10bit ADC，本文主要利用ADC0來采集PulseSensor傳感器的模擬值，只需要將PulseSensor的1引腳接單片機的P1.0引腳，PulseSensor的2引腳和3引腳分別接5V電源和地，單片機將10bit數位信號通過串口傳送給上位機。串口電路如圖2所示，其中R4電阻起上拉作用。

圖2 串口電路

本節中介紹的硬件電路連同上述的STC12C5A60S2最小系統電路，構成了下位機系統的硬件電路總圖。

3 上位機功能設計

上位機總共有四大模塊，由4個按鈕組成，除退出按鈕以外，其余3個按鈕可以分別調用3個子模塊。采用動態調用，每個功能模塊是獨立的，方便日后擴展新的模塊。

心率信號采集和保存模塊界面如圖3所示，一個波形圖表顯示心率信號，另一個波形圖顯示脈沖尖峰之間的時間差，也就是RR interval。通過函數運算，可以計算出脈沖個數，以及脈沖峰值差的平均值，以及脈沖個數。同時本模塊程序還可以讀出已經保存好的心率文件，進行同樣的分析。HRV心率變異分析本模塊先讀取心率波形數據，通過波形圖表顯示出來，然后計算出RR interval，將RR interval數組通過函數運算，可以進行心率變異分析。ECG特征值提取統計模塊先讀取心率波形數據，通過波形圖表顯示出來，然后調用庫函數，進行統計分析，可以提取ECG特征值的結果，此結果可以作為心率分析的一個重要依據。

4 下位機軟件設計

給單片機上電后，程序從初始地址0000H單元開始運行，首先進行初始化：定時器0初始化，串口初始化，及ADC初始化。接著延時一段時間以使得單片機的外圍模塊上電穩定。開啟總中斷后進入下位機的核心部分—while死循環，里面包含了ADC采樣和串口接收服務等程序。

圖3 心率信號采集和保存模塊

5 結語

本文設計的一款實用的人體心率脈搏測量顯示裝置，下位機通過單片機采集心率傳感器發出的脈搏信號，上位機利用LabVIEW設計脈搏信號的采集和分析系統，對心率的測定提供精準、形象的畫面，可為醫生分析人體健康情況提供重要的參考。