基于单片机的心率计设计
摘要
心率是指单位时间内心脏搏动的次数，包含了许多重要的生理、病理信息，特别是与心脑血管相关的信息，是生物医学检测中一个重要的生理指标，也是临床常规诊断的生理指标；因此迅速准确地测量心率便显得尤为重要。随着医疗水平和人们生活水平的提高，快速、准确、便携式心率计便成为一种新的发展趋势，同时伴随着单片机技术的发展，基于单片机的便携式心率计便不失为一个好的选择。
本心率计共有三大部分，分别为：传感器部分、信号处理部分、单片机控制部分。传感器部分采用光电式传感器实现对信号采集；信号处理部分则采用放大、滤波、波形变换等方法实现信号的有效处理；而单片机部分则实现对心率的计数和显示功能。通过这三部分的有效组合初步实现对人体心率的一个有效计数。
信号采集采用光电式传感器通过对手指末端透光度的监测，实现信号的采集；信号放大则采用四运放运算放大器LM324，波形变换采用555定时器构成反向施密特触发器；单片机控制模块则采用AT89C51微处理器和相关元器件通过C语言编程实现计数和显示功能。
关键词：心率，光电式传感器，信号处理，AT89C51
DESIGN OF HEART RATE METER BASED ON MCU
ABSTRACT
Heart rate is refering to the number in unit time of the heart beating, contains many important physiological and pathological information, especially information associated with cardiovascular, biomedical detection an important physiological indexes, and routine clinical diagnosis of physiological indexes; so quickly and accurately measuring heart rate appears to be particularly important. With the improvement of medical level and people's living standards, rapid, accurate and portable heart rate meter has become a new trend, accompanied by the development of SCM technology, will not be regarded as a good choice of meter based on microcontroller portable heart rate.
Heart rate meter consists of three parts, respectively: sensor part, signal processing part, MCU control part. Part of the sensor using photoelectric sensor achieved the signal of the signal acquisition; signal processing part uses the amplification, filtering, waveform transform method to effectively d eal with; and part of SCM is to achieve counting on heart rate and display function. Through the effective combination of these three parts, an effective count of human heart rate is realized..
Signals were collected using photoelectric sensor through the monitoring of the degree of light at the end of a finger, to realize the signal acquisition; signal amplification four operational amplifier LM324 operational amplifier is used, the waveform transform the 555 timer constitute reverse Schmitt trigger; MCU control module is used AT89C51 microprocessor and related components by C language programming counting and display function.
KEY WORDS: heart rate, sensor photoelectric, signal processing, AT89C51
目录
前言 (1)
第一章系统设计的整体构思 (3)
第二章各元器件介绍 (4)
§2.1 LM324 (4)
§2.1.1 LM324简述 (4)
§2.1.2 LM324主要特点 (4)
§2.1.3 LM324引脚图 (5)
§2.2 555定时器 (5)
§2.3 单片机型号介绍 (6)
§2.3.1 单片机简介 (6)
§2.3.2 51子系列的主要功能 (7)
§2.3.3 AT89C51引脚 (7)
§2.4 74HC245 (9)
§2.4.1 74HC245简述 (9)
§2.4.2 74HC245的特点 (9)
§2.4.3 74HC245引脚 (10)
§2.5 74LS138 (10)
§2.5.1 74LS138简述 (10)
§2.5.2 74LS138主要特性 (10)
§2.5.3 74LS138引脚图 (11)
第三章软件介绍 (12)
§3.1 KeilC51高级语言集成开发环境—uVision4 IDE (12)
§3.1.1 KeilC51简介 (12)
§3.1.2 uVision4 IDE集成开发环境 (12)
§3.1.3 uVision4 IDE仿真过程 (13)
§3.2 Proteus (14)
§3.2.1 Proteus简述 (14)
§3.2.2 Proteus主界面 (15)
§3.2.3 电路图仿真 (15)
第四章电路原理及仿真电路 (17)
§4.1 光电式传感器 (17)
§4.2 前置放大器 (19)
§4.3 滤波电路 (19)
§4.4 后置放大电路 (20)
§4.5 波形变换 (21)
第五章软件的设计 (23)
§5.1 设计原理 (23)
§5.1.1 定时原理 (23)
§5.1.2 计数原理 (24)
§5.2 软件设计的流程图 (24)
§5.3 LED显示电路 (26)
第六章系统的检测 (28)
第七章误差分析 (29)
结论 (30)
参考文献 (32)
致谢 (34)
附录 (35)
前言
心率是指单位时间内心脏搏动的次数，与脉搏跳动频率基本是一致的。由于受年龄、性别及其它生理因素的影响，心率也有不同的衡量标准:3岁以下的小孩常在100次/分以上，初生儿的心率更快，可达130次/分以上；在成年人中正常的心率为60～100次/分，大多数为60～80次/分，而且这一年龄段女性的心率一般比男性稍快；老年人的心率偏慢。即使是同一个人，在安静或睡眠状态下心率较慢，而在运动或情绪激动时心率则会加快，另外在某些药物或神经体液因素的影响下，心率会出现短暂的加快或减慢的症状；而对于经常进行体力劳动和体育锻炼的人来说，平时心率则比较缓慢。
婴幼儿超过150次/分或成年人心率超过100次/分称为窦性心律过速。婴儿常出现症状为发热、休克、贫血、甲亢、心力衰竭等；而成年人除此之外还常见于运动、兴奋、激动、饮酒等。心率低于60次/分称为窦性心动过缓，常出现胸闷、气短等症状。心率过快超过160次/分或过慢低于40次/分，则多表现为心脏病病人，常有心悸、胸闷、心前区不适等症状。因此说心率作为临床测量的重要生理参数，其主要意义在于：
1、心率的变化直接反应人体的健康状况。对于老年人和病危的患者来说尤为重要，一单发生意外可以第一时间发现从而及时的进行救治，挽救病人的生命；特别对于心脑血管疾病的病人来说相当重要。由于心率包含着与人体心脑血管系统密切相关的信息，因此利用心率计及时的发现相关的病情状况，做到及时救治从而降低心脑血管疾病的发病率和死亡率，有效的减轻心脑血管疾病带来的社会和家庭负担[1]。近年来，伴随着快节奏、高压力的生活氛围，心脑血管疾病的发病率呈上升趋势，这对心率计的发展既是一个要求也是一个机遇。
2、心率与运动强度密切相关，通过心率监测及时的调整运动强度和运动方式，使运动更加系统化和科学化，从而达到运动的最佳效果。目前市场上比较流行的测心率的仪器是心率手环和心率手表，它们的出现，让我们远离了传统心率带产生的束缚、划伤、勒痕等诸多不适感，以及信号不稳造成的监测数据不准确等烦恼。例如MIO FUSE手环，它采用超级光电感应技术持续测量心率，内置加速传感器监测，可以精准测量步数，它卓越的数字滤波
技术和精准的监测技术，使其能够按照真实的心率及时的反应心率变化。
随着科学技术的发展，通过对脉搏波的检测来评价动脉壁的扩张性和软硬度已经得到广泛应用。凭借操作简单、无创伤等优势广泛应用于流行病学等方面的研究中，也正是由于这些原因，使得此法非常适合于向家庭和社区医疗服务机构推广。利用此法生产的仪器尽管在欧美等国得到普及，国内也引进并在此基础上不断发展，但是，由于这些仪器价格昂贵、功能局限，并不适合普通患者，因此这类产品在市场上并未普及，只存在于一些大型的医疗机构中。
基于单片机的心率计既能发挥单片机快速处理数据的能力，同时伴随着集成化技术的逐步提升，便携、快速准确、方便实用的心率计将不失为一个更好的选择，真正做到走入家庭、方便个人。
第一章 系统设计的整体构思
人体的各种生理参数如心电、脑电等生物电信号都属于强噪声背景下微弱的低频信号，是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号[2]。心率是指单位时间内心脏搏动的次数，与脉搏跳动频率基本是一致的，另外脉搏信号比较容易测得，因此本设计利用脉搏信号进行心率计数。与其他生物电信号相比，脉搏信号比较容易检测同时具有直观的规律性。经过光电式传感器后输出的幅值都在几毫伏左右。 心率计设计的步骤如下：
1、心率计设计的第一步就是要获得原始的脉搏信号，本设计采用光电式传感器[3]通过对手指末端透光度的监测，检测出脉搏信号进行心率计数。
2、由于信号是在强噪声背景下微弱的低频信号，在进行滤波处理前，先要进行信号的前置放大，由于夹杂着干扰信号和噪声，前置放大倍数一般较小[4]。
3、滤波处理。
4、进行滤波处理后的信号仍然比较微弱，需要进行后置放大处理，由于这时的信号是已经经过滤波处理得到的理想信号，去除了干扰信息，因此可以进行较大的信号放大。
5、进行波形变换将脉搏信号(近似正弦波)变换成方波信号。
6、由于单片机的中断分为低电平和下降沿两种触发方式[5]，因此在进行波形变换后，要进行关键的定时计数处理以及计数显示。
图1-1 总体流程图
光电式传感器，信号采集
前置放大电滤波电路
后置放大电
波形变换电
单片机定时
第二章各元器件介绍
§2.1 LM324
§2.1.1 LM324简述
脉搏信号是强噪声下微弱的低频信号，往往具有很大的共模干扰电压，需要用到仪表放大器，来对传感器信号进行精密的电压放大，同时，对共模干扰信号进行抑制，以提高信号质量。AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至1000，功耗较低(最大电源电流仅1.3 mA)。由于AD620具有高精度(最大非线性度40 ppm)、低失调电压(最大50 μV)和低失调漂移(最大0.6 μV/°C)特性，使其具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗等特性，非常适ECG的前置放大[6]。但由于AD620不常用在市场上买不到，网店中虽有卖的但由于元器件便宜，并且数量较少，整体上费用过高不划算，于是最终选择了四运放运算放大器LM324。
LM324系列器件属于四运算放大器，真正的差分输入，与单电源的运算放大器相比，它的优势在于：工作电压范围比较大，3.0V-32V均可；共模输入范围包括负电源，避免了采用外部偏置元件的繁琐。另外，此元件也可工作在单电源下，电压的范围为3.0V-32V或±16V。
§2.1.2 LM324主要特点
表2-1 LM324的特性表
序号功能
1 短路保护输出
2 真正的差分输入级
3 单电源供电:3.0V-32V
4 低输入偏置电流：最大值100nA
5 每个封装有4个放大器
6 高增益，内部补偿
§2.1.3 LM324引脚图
图2-1 LM324引脚图
LM324共有4组运算放大器，每一组运算放大器如下图表示，它有5个引出脚，分别为：+V i 、-V i 、+V 、-V 、V o 。其中+V i 、-V i 为信号的输入的正极和负极，+V 、-V 为电源的正负极，V o 为输出端。
图2-2 运算放大器
§2.2 555定时器
555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，内部电路由分压器、电压比较器1C 和2C ，简单SR 锁存器、放电三极管T 以及缓冲器G 组成，其内部结构如下：
图2-3 555定时器电路结构
CO V 为控制电压，5号引脚；1I v 是比较器1C 的信号输入端，称为阈值输入端，6号引脚；2I v 是比较器2C 的信号输入端,称为触发输入端，2号引脚；
'
o
v 为放电端，7号引脚；CC V 为电源，8号引脚；D R 为直接复位输入端，4号引脚；o v 为输出端，3号引脚。当D R 为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出端o v 即为低电平。当D R 为高电平时： 1、当1I v >32CC V ,2I v >3
CC V
时，1C v =0,2C v =1，放电三极管T 导通，输出o v 为低电平。
2、当1I v <32CC V ,2I v <3CC V
时1C v =1,2C v =0，放电三极管T 截止，输出o v 为高电平。
3、当1I v <
32CC V ,2I v >3CC V
时，1C v =1,2C v =1，锁存器状态不变，放电三极管T 状态不变，输出o v 保持不变。
§2.3 单片机型号介绍
§2.3.1 单片机简介
单片机又称MCU [7]是计算机的微型集成电路芯片，采用了超大规模集成电路技术，片内含有CPU 、ROM 、RAM 、多种I/O 口、中断系统、定时器/计数器等，是一个嵌入式系统。80C51系列单片机属于第三代单片机，包括Intel 公司和其他公司的51和52系列，本设计采用的是51系列。
§2.3.2 51子系列的主要功能
表2-2 51子系列单片机
序号功能
1 8位CPU
2 片内带振荡器及时钟电路
3 256B片内数据存储器
4 8KB的片内程序存储器
5 程序存储器的寻址范围64KB
6 片外数据存储器的寻址范围为64KB
7 26B的特殊功能寄存器
8 3个16位定时器/计数器
9 6个中断源
10 4×8根I/O线
11 111条指令，含乘法指令和除法指令
12 布尔处理器
13 使用单+5V电源
§2.3.3 AT89C51引脚
图2-4 AT89C51引脚图
1、RST
复位引脚。用于电路的初始化操作。有自动上电复位和人工按键复位两种。
2、XTAL1和XTAL2
片内振荡电路引脚。这两个端口外接石英晶体和电容，用来连接8051片内OSC的定时反馈回路。
3、
V
CC
电源引脚。对于不同的单片机型号需接入对应的电源电压，一般为+5V，最低为为+3.3V[8]。
4、GND
接地引脚。
5、P0.0～P0.7
这组引脚共有8条，每个口可以单独控制使用，由于P0口内部没有上拉电阻，因此在使用时，需要外接上拉电阻[9]。常作为通用I/O口使用，用于传送用户的输入/输出数据；当P0口带外部存储器时，P0.0～P0.7在CPU 访问片外存储器时先传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读/写数据。
6、P1.0～P1.7
这组引脚共有8条，每个口可以单独控制使用。与P0口的第一功能相同，常作为通用I/O口使用时，用于传送用户的输入/输出数据，该口内部有上拉电阻，使用时无需外接上拉电阻。
7、P2.0～P2.7
这组引脚共有两个功能：第一功能作为通用的I/O口使用，第二功能与P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但并不能像P0口那样传送存储器的读/写数据。每个口同样可以单独控制使用，使用时无需外接上拉电阻。
8、P3.0～P3.7
这组引脚的第一功能作为通用的I/O口使用，每个口可以单独控制使用，使用时无需外接上拉电阻。第二功能为控制功能，每个引脚并不完全相同，如下表所示：
表2-3 P3口的第二功能
引脚号功能
P3.0 RXD(串行口输入）
P3.1 TXD（串行口输出）
P3.2 INT0（外部中断0）
P3.3 INT1(外部中断1）
P3.4 T0（定时器/计数器0的外部输入）
P3.5 T1（定时器/计数器1的外部输入）
P3.6 WR（片外数据存储器写允许）
P3.7 RD(片外数据存储器读允许）
§2.4 74HC245
§2.4.1 74HC245简述
74HC245为总线收发器(bus transceiver)。由于单片机或CPU的数据/地址/控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载过重，一般应加驱动器，从而增强I/O口的驱动能力。
§2.4.2 74HC245的特点
表2-4 74HC245特性表
序号功能
1 采用CMOS工艺
2 宽电压工作范围：3V-5V
3 同相三态门输出
4 8位双向收发器
5 封装形式：SOP20
图2-5 74HC245引脚图
表2-5 74HC245特性表
符号引脚名称引脚号说明
A0-A7 数据输入/输出2-9
B0-B7 数据输入/输出18-11
OE输出使能19
A→;
DIR 方向控制 1 DIR=1，B
B→。
DIR=0，A
GND 逻辑地20 逻辑地
VCC 逻辑电源10 电源端
§2.5 74LS138
§2.5.1 74LS138简述
74LS138是3线-8线译码器，作为位驱动器与74HC245配合使用实现对LED数码管的控制。
§2.5.2 74LS138主要特性
表2-6 74LS138特性表
序号功能
1 电压：4.75～5.25V
2 驱动电流：-0.4/8mA
3 最大传输延迟：41ns
4 封装形式：SOP16
图2-6 74LS138引脚图 表2-7 74LS138引脚
名称
引脚名称 引脚号 说明 Y7,Y6Y0
数据输出 15-9,7 A0,A1,A2
数据输入
1,2,3
3S ,2S ,1S
使能控制
6,4,5
3S =0,2S =0,1S =1
时，使能控制有效
VCC 逻辑电源 16 电源端 GND
逻辑地
8
逻辑地
毕业设计(论文) 题目：基于单片机的脉搏测量仪的研究与设计
摘要 在传统的医疗检测中，脉象检测一直都起着非常重要的作用，人体的脉象包含着大量的人体的生理和病理方面的信息。脉诊一直是医生诊断疾病的重要手段之一，但受人为因素的影响很大。经医学观察研究表明，人体手指末端含有丰富的毛细血管和小动脉，这些动脉和人体其他地方的动脉一样，含有丰富的生理信息。由于光电脉搏检测技术具有很高的绝缘性，且抗电磁等干扰能力强，可以对人体进行无损伤检测。本文设计通过光电法对人体指尖的脉搏进行测量，并将测量信息送入单片机进行处理，最后通过数码管将测量结果显示出来。将对脉搏信号的检测模块，脉搏信息的处理模块，单片机，数码管显示模块等电路集成在一块电路板上，形成一个简易的脉搏测量仪。这种测量仪具有精确度高，体积小，价格便宜，易于操作等特点，特别适合于个人使用和家庭使用，给我们的生活带来极大方便，让我们第一时间对自己的身体状况有进一步的了解。 关键词：脉搏；光电传感器；单片机；数码管
Abstract In the traditional medical testing，the pulse condition detection has been playing a very important role．The pulse condition of the human body contains a large number of physiology information and pathology information，the pulse examination has been being one of the important means for the doctor to diagnosis the illness．But the man-made factors influence it very much，the medical observation research shows．The end of the finger contains rich capillaries and small arteries．These arteries and the other arteries of the body hold rich physiologic information．The Photoelectric pulse detecting technology can test the body without damage owing to its high insulation and strong ability to resist the electromagnetic interference．This design in the text can survey the pulse of the finger tip through photoelectric method and transport the information to the microcontroller to do with it．At last，the result is showed by the digital tube．When the electric circuit such as the detection module of the pulse signal，the processing module of the pulse information，SCM，digital tube are integrated in the board of electric circuit，it formed an simple pulse measuring instrument，this instrument has high accuracy，small, cheap，and easy to operate．It is especially suitable for personal use and family use．It brings great convenience to our life，so we can have a further understanding of our body condition． Key words: Pulse；Photoelectric transducer；SCM；Digital tube
目录 摘要 (3) 英文摘要 (3) 1 引言 (4) 1.1 心率计的研究背景和意义 (4) 1.2 心率计的研究现状及发展动态 (4) 2 方案论证及元器件选择 (5) 2.1 研究内容及设计指标 (5) 2.2 方案设计与论证 (5) 2.2.1 传感器的选择与论证 (5) 2.2.2 信号处理方案选择和论证 (7) 2.2.3 单片机系统选择和论证 (8) 2.2.4 显示模块选择和论证 (9) 2.3元器件选择及其功能介绍 (9) 2.3.1单片机AT89S52 (9) 2.3.2红外传感器 (11) 2.3.3双运算放大器LM358N (11) 2.3.4 LCD12864 (12) 3 硬件系统设计 (13) 3.1 系统设计框图 (13) 3.2 信号采集电路 (14) 3.3 信号放大电路 (15) 3.3.1一级信号放大电路 (15) 3.3.2 电源模块设计 (16) 3.4 信号比较电路 (17) 3.5 LCD显示电路 (18) 3.6 记忆电路 (18) 3.7 键盘电路 (19) 4 软件设计 (19) 4.1 测量计算原理 (20) 4.2 主程序流程图 (20)
4.3 中断程序流程图 (21) 4.4 定时器T0，T1的中断服务程序 (21) 5 系统测试与结果分析 (22) 5.1 测试方法和仪器 (22) 5.2 仿真与焊接阶段 (23) 5.2.1 仿真阶段 (23) 5.2.2 焊接与完成阶段 (23) 5.3 测试数据与结果分析 (25) 5.3.1测量结果与分析 (25) 5.3.2几种主要系统干扰和影响 (27) 结束语 (28) 参考文献 (29) 附录一：心率计电路图 附录二：部分程序
摘要 接口实验报告 题目：脉搏波体温自动采集系统院（系）：电子工程与自动化学院 专业：仪器仪表工程 学生姓名： 学号： 指导老师：李智 职称：教授 20 年8月28日 I
摘要 本文介绍了一种基于51单片机的心率体温采集系统。首先介绍了51系列单片机的内部相关配置、工作原理以及编程方法，其次介绍了温度传感器PT100的相关测温方法以及通过红外光电传感器TCRT5000对射的方法来抓取人体脉搏信号。此次设计的电路部分主要包括：传感测量电路、放大电路、滤波整形电路、AD转换电路、控制电路、电源供电电路等。上位机为通过VC编程界面。通过上位机按键控制，将PT100及TCRT5000输入的微弱信号进行放大整形，最后AD采集转换传送给单片机，在上位机界面上显示相关体温及心率信息。 本次硬件设计基于比较稳定可行、低成本的设计思想，软件设计采用模块化的设计方法，并且详细分析了红外传感器TCRT5000应用于心率测量上以及PT100应用于温度测量上的原理及优点，阐述了其他各配合电路的组成与工作特点，并且通过仿真进行电路的可行性验证，最后完成实物电路的设计，使得本次课题的预期结果得以实现。 关键词：51单片机；传感器；仿真；AD转换
Abstract Abstract This paper introduced a heart rate and body temperature acquisition system that based on 51 single chip microcomputer. First the internal configurations of 51 single chip microcomputer are introduced. And the paper also tell how 51 single chip microcomputer works and how can we program on it. Then the method of using temperature sensor PT100 to get body temperature is introduced, and we use infrared photoelectric sensor TCRT5000 to get the pulse signal of human body.The design of the circuit mainly comprises sensing circuit, amplifying circuit, filtering and shaping circuit, AD converting circuit, counting and displaying circuit, controlling circuit, power supplying circuit and so on. When the keyboard is pressed, the system starts to get signal. The small signal from PT100 and TCRT5000 will be amplified and shaped. Then ad converter will change the analog signal into digital signal and send to 51 single chip microcomputer. At last LCD1602 will display the information of body temperature and heart rate. Keywords: Piezoelectric sensors；control circuit；counters；Multisim2001 simulation software control circuit. III
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本科毕业设计 （ 论文） 开题报告 题目： 基于单片机的脉搏测量仪 的设计 课 题 类 型：设计丁实验研究□论文口 学 生 姓 名： 学 号： 专 业 班 级： 学 院： 信息工程学院 指 导 教 师： 开 题 时 间 年月日 开题报告内容与要求 一、毕业设计（论文）内容及研究意义（价值） 随着科技发展的不断提高， 生命科学和信息科学的结合越来越紧密， 出现了各种新 颖 的脉搏测量仪器，特别是电子脉搏仪的出现，使脉搏测量变得非常方便。 脉诊在我 国已具有
2600 多年临床实践，是我国传统中医的精髓，但祖国传统医学采用“望、闻、问、切”的手段进行病情诊断，受人为的影响因素较大，测量精度不高。科技的创新，脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法，脉搏测量可利用电子仪器测量出精度更就的数据。人体脉搏信号中包含丰富的生理信息，也逐渐引起了临床医生的很大兴趣，达到了方便、快捷、准确的测量脉搏的目的。随着电子测量技术的迅速发展，现代电子测量仪器以极快的速度向数字化、自动化的方向发展。制成的脉搏测量仪器性能良好，结构简单，有较好的应用和推广价值。 脉搏测量仪的设计，必须是通过采集人体脉搏变化引起的一些生物信号，然后把生物信号转化为物理信号，使得这些变化的物理信号能够表达人体的脉搏变化，最后要得出每分钟的脉搏次数，就需要通过相应的硬件电路及芯片来处理物理变化并存储脉搏次数。在硬件设计中一般的物理信号就是电压变化。本系统的组成包括传感器、信号处理、单片机电路、显示电路、键盘输入等部分。 二、毕业设计（论文）研究现状和发展趋势（文献综述） 随着科学技术的发展，脉搏测量技术也越来越先进，对脉搏的测量精度也越来越高，国内外先后研制了不同类型的脉搏测量仪，脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法，脉搏测量可利用电子仪器测量出精度更就的数据。人体脉搏信号中包含丰富的生理信息，也逐渐引起了临床医生的很大兴趣，达到了方便、快捷、准确在测量脉搏的目的。随着电子测量技术的迅速发展，现代电子测量仪器以极快的速度向数字化、自动化的方向发展。制成的脉搏测量仪器性能良好，结构简单，有较好的应用和推广价值。而其中关键是对脉搏传感器的研究。起初用于体育测量的脉搏测试集中在对接触式传感器的研究，利用此类传感器所研制的指脉、耳脉等测量仪各有其优缺点。指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降：耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确。过去在医院临床监护和日常中老年保健中出现的日常监护仪器，如便携式电子血压计，可以完成脉搏的测量,但是这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每次测量都需要一个加压和减压的过程，存在体积庞大、加减压过程会有不适、脉搏检测的精确度低等缺点。 脉搏测量仪的发展主要向以下几个趋势发展： （1）自动测量脉搏并且对所得到的脉搏进行自动分析。目前很多脉搏测量仪都具有检测
选题的目的和意义： 在中医四诊(望、闻、问、切)中，脉诊具有非常重要的位置。它是我国传统医学中最具特色的一项诊断方法，历史悠久，内容丰富，是中医“整体观念”、“辨证论证”基本精神的体现与应用。医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟心跳数，方法是用听诊器放在胸口处，根据心脏的跳动进行计数。为了节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测量10秒内的心跳数，再把结果乘以6得到每分钟的心跳数，这样做还是比较费时，而且精度也不高。为了更方便以及更精确地反应出心率地正常与否，人类发明出了脉搏计。大大的翻遍了人类对于心脏类疾病的预防和治疗。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。 国内外对本课题涉及问题的研究现状： 脉搏测量仪日常生活中已经得到了非常广泛的应用。早在1860年Vierordt 创建了第一台杠杆式脉搏描记仪，五十年代末，有人研制出以酒石酸钾钠压电晶片为换能器的脉搏描在我们的记器，将中医寸、关、尺的脉搏，通过换能器转换为电能加以放大描记，初步确定了中医弦脉、滑脉、平脉等的特征图形，1959年，进行高血压弦脉及其机制的研究。 六十年代初研制的“20型三线脉象仪”，首次实现了寸、关、尺三部切脉国内20世纪50年代初朱颜将脉搏仪引用到中医脉诊的客观化研究方面。此后随着机械及电子技术的发展，国内外在研制中医脉象仪方面进展很快，尤其是70年代中期，国内天津、上海、江西等地相继成立了跨学科的脉象研究协作组，多学科共同合作促使中医脉象研究工作进入了一个新的境界。脉象探头式样很多，有单部、三部、单点、多点、刚性接触式、软性接触式、气压式、硅杯式、液态汞、液态水等多种形式。目前脉搏测量仪在多个领域被广泛应用，除了应用于医学领域，如无创心血管功能检测、妊高症检测、中医脉象、脉率检测等等，商业应用也不断拓展，如运动、健身器材中的心率测试都用到了技术先进的脉搏测量仪。压力的任意调节和客观定量测定，以及与指感基本一致的压力脉象波型的描记。该仪器在临床试用取得大量的实验数据。之后，全国各地陆续研制出各种不同换能器（如半导体硅应变片换能器，电感式压力换能器，电阻抗式换能器）的脉象仪，不断提高换能器的灵敏度，精确度，并改进探头的造型。近年来有些单位还将声像图仪、频谱分析应用于中医脉象研究。七十年代初，中国医学科学院分院利用电子学的新进展，研制出性能较好的脉搏图机，所描记的脉搏图能反映出十余种脉象。为用脉搏图形识别这些脉搏打下了初步基础。七十年代末北京中医学院采用测量脉搏图参数，进行系统分析，来描述弦、滑、细、平等脉象的脉搏图特征，从定性推进到定量。八十年代初魏韧提出多因素脉图识别法，将切脉时医师的应指感觉分解为八种成分，其不同组合构成各种脉象。还研制出MTY-A型脉图仪，在传统的波形图外尚可描记各种取脉压力下的脉搏幅度趋势图及脉管粗细图，认为可综合上述八种指感成分，因而能反映出所有各种脉象。几乎世界上所有的民族都用过"摸脉"作为诊断疾病的手段。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波
目录 1.引言 (2) 2.系统基本方案 (2) 2.1.系统总结构 (3) 2.2.各个部分电路的方案选择及分析 (3) 2.2.1.脉搏传感器部分 (3) 2.2.2.单片机选择 (3) 2.2.3.显示部分 (4) 2.3.系统各模块的最终方案 (4) 3.系统硬件设计 (5) 3.1.单片机处理电路 (5) 3.1.1.STC89C51系列单片机的主要性能特点： (5) 3.1.2 .C51系列单片机的基本组成： (6) 3.2.复位电路 (9) 3.2.1.单片机复位电路 (9) 3.3.振荡电路 (10) 3.4.脉搏传感器部分 (10) 3.4.1.HK-2000A 集成化脉搏传感器 (10) 3.4.2.脉搏传感器接收电路 (12) 3.4.3 .电源电路 (12) 3.5显示报警部分 (13) 3.5.1.数码管显示电路 (13) 4.系统软件设计 (14) 4.1 主程序流程的设计 (14) 4.2 定时器/计数器中断程序流程的设计 (15) 4.3 显示程序流程的设计 (16) 5.总结 (18) 参考文献 (19)
1.引言 心率是最为常见的临床检查与生理研究的生理现象,且包含两个人类生命的重要信息，那就是血管和心脏的生理状态。人体各器官的健康状况、疾病等信息将以某种方式出现在脉冲的脉冲条件。许多有诊断价值的信息，比如有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息，我们可以通过对脉搏波检测脉冲图包含大量的诊断价值信息,也可以用来预测一些身体器官结构和功能的转变趋势, 通过对脉搏的检测可以对如高血压和糖尿病等引起的血管病变进行评估。同时脉搏测量还为血压测量，血流测量及其他某些生理检测技术提供了一种生理参考信号[1]。 在医院临床护理和日常的中老年保健中,脉搏是一个基本的生活指数,因此脉搏测量是最常见的生活特征提取。近年来在日常监护测仪器,如便携式电子血压计,可以完成脉冲测量。但是这种便携式电子血压计利用微型气泵压力橡胶气球,每次测量都需要一个压缩和解压缩的过程,有体积庞大、脉搏检测的精确度低、加减压过程会有不适等等的不足。 人类心室周期性的收缩和舒张，导致主动脉收缩压和舒张压，使血流压力可以能够以波的形式从主动脉根部，就开始沿着人体整个动脉系统流动，这种波称为脉搏波。脉搏波所呈现出的不同强度、各种形态、速率不一和跳动节律等方面的综合信息,在很大程度上反映出人体心血管系统血液流动在许多生理和病理特点。 本设计使用系统使用HK - 2000集成传感器转换电压脉冲信号,脉冲信号调节使用后AT89S51单片机对信号采集和处理,在很短的时间内,测量人体每分钟的脉搏数,和心率实时显示,便于携带。达到的目的, 快速、方便、准确地测量心率。脉搏测量系统性能好,结构简单,性价比高,稳定的输出显示,更适应流行,适合家庭每天自我反省和医院护士的临床记录。 2.系统基本方案 心率检测系统的设计，一定要通过收集脉搏的跳动变化反映出人体的生物的信号，然后生物信号转变成物理的信号，能使物理信号表达人体的心率变化，最后要的出每分钟的心跳频率，就一定需要相应的硬件电路及芯片来处理物理变化
#include "STC12C5A.h" #include "SMG.h" #define FSOC 24000000L #define T1MS (65536-FSOC/12/1000) sbit LED0 = P0^0; unsigned int count=0;计时标志数 unsigned int xinlv=0;心率计算器 unsigned char seg[10] = {0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6}; sbit HC595_RST = P0^6; sbit HC595_SCK = P0^4; sbit HC595_RCK = P0^5; sbit HC595_DAT = P0^7;
外部中断代码void Exti0_Init() { IT0 = 1; //下降沿触发 TCON.0=1 EX0 = 1; //开外部中断0 IE.0=1 EA = 1; //开总中断 } void Exit0_ISR() interrupt 0 { Xinlv++; LED0=0; delay_ms(2); LED0=1; } 定时器代码void Timer0_Init() { TMOD = 0x01; TR0 = 1; //16位定时器工作方式 TH0 = T1MS>>8; TL0 = T1MS; ET0 = 1; //打开定时器0中断 EA = 1; //打开总中断 } void Timer0_ISR() interrupt 1 { unsigned int temp; count++; TH0 = T1MS>>8; TL0 = T1MS; if(count=5000) temp=Xinlv; for{} SMG_Display(temp); }
基于51单片机的数字频率计 目录 第1节引言 (2) 1.1数字频率计概述 (2) 1.2频率测量仪的设计思路与频率的计算 (2) 1.3基本设计原理 (3) 第2节数字频率计（低频）的硬件结构设计 (4) 2.1系统硬件的构成 (4) 2.2系统工作原理图 (4) 2.3AT89C51单片机及其引脚说明 (5) 2.4信号调理及放大整形模块 (7) 2.5时基信号产生电路 (7) 2.6显示模块 (8) 第3节软件设计 (12) 3.1 定时计数 (12) 3.2 量程转换 (12) 3.3 BCD转换 (12) 3.4 LCD显示 (12) 第4节结束语 (13) 参考文献 (14) 附录汇编源程序代码 (15)
基于51单片机的数字频率计 第1节引言 本应用系统设计的目的是通过在“单片机原理及应用”课堂上学习的知识，以及查阅资料，培养一种自学的能力。并且引导一种创新的思维，把学到的知识应用到日常生活当中。在设计的过程中，不断的学习，思考和同学间的相互讨论，运用科学的分析问题的方法解决遇到的困难，掌握单片机系统一般的开发流程，学会对常见问题的处理方法，积累设计系统的经验，充分发挥教学与实践的结合。全能提高个人系统开发的综合能力，开拓了思维，为今后能在相应工作岗位上的工作打下了坚实的基础。 1.1数字频率计概述 数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号，方波信号及其他各种单位时间变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，经常要用到频率计。 本数字频率计将采用定时、计数的方法测量频率，采用一个1602A LCD显示器动态显示6位数。测量围从1Hz—10kHz的正弦波、方波、三角波，时基宽度为1us,10us,100us,1ms。用单片机实现自动测量功能。 基本设计原理是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置。它以测量周期的方法对正弦波、方波、三角波的频率进行自动的测量。 1.2频率测量仪的设计思路与频率的计算 频率测量仪的设计思路主要是：对信号分频，测量一个或几个被测量信号周期中已知标准频率信号的周期个数，进而测量出该信号频率的大小，其原理如右图1所示。 1 图可知： T=NT o 为标准信号的周期，所以T为分频后信号的周期，则可以算出被测量信（注：T o
摘要 在社会飞速发展的今天，人们的物质文化生活得到了极大的提高，但同时多种疾病威胁着人们的生命；而心脏病的发作又是人们难以预防的突发致命疾病，所以健康也被越来越多的人所重视。本设计要解决的问题就是可以测量心率、预防心脏病等心脏方面疾病的数字心率计。 本设计采用以AT89S52单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示心率计的硬件电路和软件设计方法。整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、信号采集子程序、信号放大处理子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现心率测量的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。该心率计的原理是用红外光电传感器OPT101接收到人体信号，因人体信号很微弱，所以在电路中设置了双重放大电路（主要芯片：OP07、LM324N）。该信号经放大整形处理后传给A/D转换器实现模拟信号转为数字信号，经过以上处理后，再传给单片机AT89S52计算，计算完后由四位数码管显示出来。 该心率计可以简单的测量出人的心跳和人体体温，基本实现了预定的目标，这将大大减少病人测量心跳和体温的时间。 关键字：心率；测量；单片机AT89S52；转换器
Abstract Today in the rapid development of society, people's material and cultural life has been greatly improved, but also a variety of diseases threatening people's lives; and heart attack is it difficult to prevent sudden fatal disease, so health is also valued by more and more people. The design problem to be solved is that you can measure heart rate, cardiac disease, heart disease and other digital heart rate meter. This design uses to A T89S52 microcontroller core, low-cost, high accuracy, digital display of heart rate meter miniaturization of hardware and software design. The probe by the single chip integrated analysis of signal processing functions to achieve heart rate measurement. On this basis, the overall design of the system program, and finally achieved through various hardware and software modules. With the relevant parts of the hardware circuit, the program flow chart. The principle of the heart rate meter is used to receive infrared photoelectric sensor OPT101 to human signals, the signal is very weak because of the human body, so the circuit is set in the dual amplifier (main chip: OP07, LM324N). The signal passed through enlarged plastic treated A / D converter for analog signals into digital signals, with the above treatment, and then passed to microcontroller AT89S52 calculated, finished up by four digital displayds heart rate, The heart rate meter can easily measure the person's heart rate and body temperature, essentially achieving its stated goals, which will greatly reduce the patients of heart rate and body temperature of the time. Keywords: heart rate；measurement；microcontroller AT89S52；converter
基于单片机的心率设计设计
毕业设计（论文）题目心率监测系统设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日
基于单片机的心率计设计 摘要 心率是指单位时间内心脏搏动的次数，包含了许多重要的生理、病理信息，特别是与心脑血管相关的信息，是生物医学检测中一个重要的生理指标，也是临床常规诊断的生理指标；因此迅速准确地测量心率便显得尤为重要。随着医疗水平和人们生活水平的提高，快速、准确、便携式心率计便成为一种新的发展趋势，同时伴随着单片机技术的发展，基于单片机的便携式心率计便不失为一个好的选择。 本心率计共有三大部分，分别为：传感器部分、信号处理部分、单片机控制部分。传感器部分采用光电式传感器实现对信号采集；信号处理部分则采用放大、滤波、波形变换等方法实现信号的有效处理；而单片机部分则实现对心率的计数和显示功能。通过这三部分的有效组合初步实现对人体心率的一个有效计数。 信号采集采用光电式传感器通过对手指末端透光度的监测，实现信号的采集；信号放大则采用四运放运算放大器LM324，波形变换采用555定时器构成反向施密特触发器；单片机控制模块则采用AT89C51微处理器和相关元器件通过C语言编程实现计数和显示功能。 关键词：心率，光电式传感器，信号处理，AT89C51
DESIGN OF HEART RATE METER BASED ON MCU ABSTRACT Heart rate is refering to the number in unit time of the heart beating, contains many important physiological and pathological information, especially information associated with cardiovascular, biomedical detection an important physiological indexes, and routine clinical diagnosis of physiological indexes; so quickly and accurately measuring heart rate appears to be particularly important. With the improvement of medical level and people's living standards, rapid, accurate and portable heart rate meter has become a new trend, accompanied by the development of SCM technology, will not be regarded as a good choice of meter based on microcontroller portable heart rate. Heart rate meter consists of three parts, respectively: sensor part, signal processing part, MCU control part. Part of the sensor using photoelectric sensor achieved the signal of the signal acquisition; signal processing part uses the amplification, filtering, waveform transform method to effectively d eal with; and part of SCM is to achieve counting on heart rate and display function. Through the effective combination of these three parts, an effective count of human heart rate is realized.. Signals were collected using photoelectric sensor through the monitoring of the degree of light at the end of a finger, to realize the signal acquisition; signal amplification four operational amplifier LM324 operational amplifier is used, the waveform transform the 555 timer constitute reverse Schmitt trigger; MCU control module is used AT89C51 microprocessor and related components by C language programming counting and display function. KEY WORDS: heart rate, sensor photoelectric, signal processing, AT89C51
1 前言 频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。由于频率信号抗干扰性强，易于传输，因此可以获得较高的测量精度。随着数字电子技术的发展，频率测量成为一项越来越普遍的工作，测频原理和测频方法的研究正受到越来越多的关注。 1.1频率计概述 数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号、方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，经常要用到频率计。传统的频率计采用测频法测量频率，通常由组合电路和时序电路等大量的硬件电路组成，产品不但体积大，运行速度慢而且测量低频信号不准确。本次采用单片机技术设计一种数字显示的频率计，测量准确度高，响应速度快，体积小等优点。 1.2频率计发展与应用 在我国，单片机已不是一个陌生的名词，它的出现是近代计算机技术的里程碑事件。单片机作为最为典型的嵌入式系统，它的成功应用推动了嵌入式系统的发展。单片机已成为电子系统的中最普遍的应用。单片机作为微型计算机的一个重要分支，其应用范围很广，发展也很快，它已成为在现代电子技术、计算机应用、网络、通信、自动控制与计量测试、数据采集与信号处理等技术中日益普及的一项新兴技术，应用范围十分广泛。其中以AT89S52为内核的单片机系列目前在世界上生产量最大，派生产品最多，基本可以满足大多数用户的需要。
2 系统总体设计 2.1测频的原理 测频的原理归结成一句话，就是“在单位时间内对被测信号进行计数”。被测信号， 通过输入通道的放大器放大后，进入整形器加以整形变为矩形波，并送入主门的输入端。由晶体振荡器产生的基频，按十进制分频得出的分频脉冲，经过基选通门去触发主控电路，再通过主控电路以适当的编码逻辑便得到相应的控制指令，用以控制主门电路选通被测信号所产生的矩形波，至十进制计数电路进行直接计数和显示。若在一定的时间间隔T内累 计周期性的重复变化次数N，则频率的表达式为式： N fx= T 频率计数器严格地按照 N f= T 公式进行测频。由于数字测量的离散性，被测频率在计数 器中所记进的脉冲数可有正一个或负一个脉冲的1 ±量化误差，在不计其他误差影响的情况下，测量精度将为： 1 () fA N δ= 应当指出，测量频率时所产生的误差是由N和T俩个参数所决定的，一方面是单位时间内计数脉冲个数越多时，精度越高，另一方面T越稳定时，精度越高。为了增加单位时间内计数脉冲的个数，一方面可在输入端将被测信号倍频，另一方面可增加T来满足，为了增加T的稳定度，只需提高晶体振荡器的稳定度和分频电路的可靠性就能达到。 上述表明，在频率测量时，被测信号频率越高，测量精度越高。 2.2总体思路 频率计是我们经常会用到的实验仪器之一，频率的测量实际上就是在单位时间内对信号进行计数,计数值就是信号频率。本文介绍了一种基于单片机AT89S52 制作的频率计的设计方法,所制作的频率计测量比较高的频率采用外部十分频，测量较低频率值时采用单片机直接计数，不进行外部分频。该频率计实现10HZ~2MHZ的频率测量,而且可以实现量程自动切换功能，四位共阳极动态显示测量结果，可以测量正弦波、三角波及方波等各种波形的频率值。 2.3具体模块 根据上述系统分析，频率计系统设计共包括五大模块：单片机控制模块、电源模块、放大整形模块、分频模块及显示模块。各模块作用如下：
心率计毕业设计论文 目录 摘要.......................................................... I Abstract..................................................... I I 1绪论 (1) 1.1课题的来源 (1) 1.2课题设计的目的及功能实现的方法 (1) 1.3论文结构 (2) 2总体方案设计 (4) 2.1心率计原理 (4) 2.2总体电路框图设计 (4) 3元器件选择及其功能介绍 (6) 3.1单片机AT89S52 (6) 3.2传感器OPT101 (7) 3.2.1OPT101的技术性能 (7) 3.2.2OPT101的典型应用 (8) 3.3集成运算放大器OP07 (10) 3.4低功率运算放大器LM324N (11) 3.5A/D转换器ADC0809 (12) 4系统硬件结构设计与仿真 (14) 4.1单片机最小系统 (14) 4.2信号采集电路 (15) 4.3信号放大电路与仿真 (16) 4.3.1信号放大电路与仿真 (16) 4.3.2电源模块设计 (17) 4.4信号比较电路 (18)
4.5A/D转换电路 (19) 4.6显示电路 (19) 4.7系统总体设计原理图 (20) 5系统软件设计 (22) 5.1测量计算原理 (22) 5.2主程序流程图 (22) 5.3中断程序流程图 (23) 5.4定时器T0和T1的中断服务程序 (24) 6系统硬件调试 (25) 6.1系统各部分电路模块测试与仿真 (25) 6.1.1一级放大电路 (25) 6.1.2比较电路 (27) 6.2试验与焊接阶段 (28) 6.2.1试验阶段 (28) 6.2.2焊接与完成阶段 (29) 6.3整机调试 (31) 6.3.1心跳的测量过程 (31) 6.3.2几种主要系统干扰与影响 (31) 6.4试验结果分析 (32) 7总结和展望 (33) 致谢 (35) 参考文献 (36) 附录一： (38)