基于单片机的便携式心率测试仪的设计
系部名称：电气与信息工程学院
专业班级：测控技术与仪器082班
学生姓名：李强国
指导教师：胡文静
职称：教授
哈尔滨理工大学
二○一三年七月
摘要
心率测量仪在我们的日常生活中已经得到了非常广泛的应用。为了提高心率测量仪的简便性和精确度，本设计计了一种基于51单片机的心率测量仪。系统以AT89S51单片机为核心，以红外发光二极管和光敏三极管为传感器，并利用单片机系统内部定时器来计算时间，由光敏三极管感应产生脉冲，单片机通过对脉冲累加得到脉搏跳动次数，时间由定时器定时而得。系统运行中能显示脉搏次数和时间，系统停止运行时，能够显示总的脉搏次数和时间,在脉搏数超过设定上下限时蜂鸣器报警。经测试，系统工作正常，达到设计要求。
关键词：心率测量仪；AT89S51单片机；红外发光二极管；光敏三极管；蜂鸣器。
ABSTRACT
Heart rate measuring instrument in our daily lives has been widely used. In order to improve the pulse measuring instrument is simple and accurate, the design method based on 51 single chip Heart rate measuring instrument. System based on the AT89S51 single-chip microcomputer as the core, with the infrared emitting diode and a photosensitive triode sensor three, and the use of MCU internal timer to calculate time, a photosensitive triode induction pulse three, single chip microcomputer based on pulse accumulation by pulse number, and time by the timer timer. System can display the pulse frequency and duration, the system stops running, can display the total pulse frequency and duration, the pulse number exceeds the set upper and lower limit alarm buzzer. After testing, the system is working properly, achieves the design requirements.
Key words:Heart rate measuring instrument;AT89S51 single chip microcomputer;Infrared emitting diode;A three transistor;Buzzer.
目录
摘要.............................................................................................................. I ABSTRACT ....................................................................................................... II 第1章引言.. (3)
1.1概述 (3)
1.2基于单片机的心率测试仪的发展与应用 (4)
1.3设计说明书内容 (5)
第2章整体方案分析 (6)
2.1任务 (6)
2.2要求 (6)
2.3设计时要考虑的问题 (6)
2.3.1环境光对脉搏传感器测量的影响 (6)
2.3.2电磁干扰对脉搏传感器的影响 (7)
2.3.3测量过程中运动噪声的影响 (7)
2.4系统基本方案 (7)
2.4.1脉搏传感器部分 (7)
2.4.3显示部分 (9)
2.5整体方案 (9)
第3章硬件电路设计分析 (11)
3.1控制器 (11)
3.1.3AT89C51的结构 (12)
3.2脉搏信号采集 (15)
3.2.1光电传感器的结构及原理 (15)
图3.2 透射式光电传感器图 (15)
3.2.2 信号采集电路 (15)
3.3信号放大 (16)
3.4波形整形电路 (17)
3.5单片机处理电路 (18)
3.6显示电路 (19)
3.6.1 LED 的综述 (20)
3.6.2 LED 的结构 (20)
3.6.3LED数码管的显示方法 (20)
3.7 本章总结 (21)
第四章软件系统 (22)
4.1主程序流程： (22)
4.2定时器中断程序流程： (22)
4.3 INT中断程序流程： (23)
4.4显示程序流程： (23)
4.5软件说明 (24)
结束语 (25)
参考文献 (26)
致谢 (28)
附录 (29)
附录A STATEFLOW原理图 (29)
附录B SIMULINK原理图 (30)
附录C BOILER P LANT MODEL SIMULINK图 (31)
附录D STATEFLOW子状态仿真图 (32)
附录E STATEFLOW的模型查看器 (34)
附录F STATEFLOW 的仿真结果及生成的源代码 (35)
附录G英文文献翻译 (42)
第1章引言
1.1 概述
心脑血管疾病是当今全球死亡率最高的疾病，是21世纪人类健康的头号杀手。多年来，心率测试仪在心脑血管疾病的研究和诊断方面发挥出显著的作用，它记录的心脏活动时的生物电信号，已称为临床诊断的重要依据。临床上使用的心电监护仪虽然功能强大，测量精度高，但因为价格高昂，不利于家庭的普及。就算是在医院，护士每天监控病人病情而进行的心率测试也是用手测。正常人的心率和脉搏跳动的次数是一样的，因此可以用测脉搏的方法来测心率。医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，从而达到测试心率的目的，他们一般的方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。为了节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测量10秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以6即得到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高。
脉搏波所呈现出来的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，能反映出人体心血管系统中许多生理疾病的血流特征。本系统采用AT89S51单片机为核心而制作的一种实用型脉搏测量仪。采用光电脉搏传感器作为传感器对人体的脉搏心率警醒数据采集。得到的信号送入AT89S51单片机进行处理。单片机将采集到的脉搏心率在数码管上实时显示出来，同时还设置了脉搏测量仪的上下限报警电路。本文首先描述本设计的整体思路，然后介绍各个部分设计中的细节问题，最后提出一些完善本设计的改进意见。
从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。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。
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。本文介绍一种用单片机制作的脉搏测量仪，只要人把手指放在传感器内2秒钟就可以精确测量出每分钟脉搏数，测量结果用三位数字显示。本系统以单片机为核心的便携式心率测试仪，通过脉搏传感器采集信号，并经过后续的信号处理电路，最终实现心率的测量。
便携式心率测试仪携带方便并且能准确快速地测试心率，这是我们在家中就可以测试心率从而能检测是否患有一些心血管疾病，做到早发现。他还可以供运动员使用以检测身体状态，当能护士使用它可以节省大量的时间并大大的提高了测试心率的准确性。
1.2 基于单片机的心率测试仪的发展与应用
人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，是血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波成为脉搏波。从脉搏波中提取人体的心理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。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。
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，而其中关键是对脉搏传感器的研究。而由于脉搏传感器的不同，现今市场上的脉搏测试仪的脉率采集主要有三种方法：采用一对红色发光二极管实现、采用反射式的红外管实现和采用压电陶瓷芯片实现。近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器，这类传感器的重要特征是测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，能够自动消除仪表自身系统的误差，测量精度高，通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。本设计采用的光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器。它是采用一对红色发光二极管进行脉率的采集，而它的测量位置一般是耳垂或手指。通过对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号。具有结构简单、无损伤、精度高、可重复使用等优点。虽然手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降，但只要注意清理，测量的准确性还是非常高的；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。
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血氧等其他的功能，但是对这些信号的分析和诊断还需要一些有经验的医生观察，进行分析后才能确认结果，浪费大量的人力，且由人为引入的误差较大。因此，未来脉搏自动检测的内容将更加详细，自动分析诊断功能也更强大。
(2) 数字化技术等先进技术的应用。
随着数字科学技术的发展，脉搏测量仪集成度将更高，更便于携带。数字信号处理的运用将使干扰更小，测量更为准确。
（3）多功能化越来越明显
目前的脉搏测量仪，一般都具有测试血氧，心电图等等功能，单纯的脉搏测量仪已经很少见。随着电子技术的发展，脉搏测量仪必然可以实现更多的功能。
本设计所使用的系统利用光电传感器将脉博转换为电压信号，经过信号调理后利用AT89S51单片机进行信号采集和处理，在短时间内，测量出人体一分钟的脉搏数，并将心率进行实时显示，便于携带。达到了方便、快速、准确地测量心率的目的。这样的脉搏测量系统性能良好，结构简单，性价比高，输出显示稳定，比较适应大众化，适合家庭进行自我检查以及医院护士进行每日的临床记录。1.3 设计说明书内容
本设计以单片机为核心，由光电传感器采集脉搏信号。经过前置放大电路、滤波电路、积分和比较电路后得到与脉搏相关的脉冲信号。该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行买长周期的计算。然后得到每分钟的脉搏搏动次数（即心率），并在数码管上显示心率。
本文的工作是围绕着光电传感器检测脉搏波而单片机进行控制进行的。本文的设计内容安排如下：
第一章为绪论。简要介绍了心率测试仪的现状和应用，并指出了本文的技术内容，即心率的测试。
第二章主要介绍设计方案前需注意的一些干扰的问题和方案的对比论证以及最终方案的确定。
第三章是本文的核心。在这里给出了整体的硬件电路设计思路，并且对电路的各个部分进行分析与解释。
第四章叙述程序的编程方案，给出程序的框架结构图并对全文进行总结，并对以后的设计工作进行展望。
第2章整体方案分析
2.1 任务
基于单片机的便携式心率测试仪的设计。本设计以单片机为核心，由光电传感器采集脉搏信号。经过前置放大电路、滤波电路、积分和比较电路后得到与脉搏相关的脉冲信号。该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行买长周期的计算。然后得到每分钟的脉搏搏动次数（即心率），并在数码管上显示心率，并且在超出设定的正常脉搏跳动范围时，驱动蜂鸣器报警。
2.2 要求
（1）通过脉搏传感器采样脉搏信号，设计脉搏波检测电路，通过译码管来显数脉搏次数。
(2)将脉冲波送入单片机，采用单片机构成脉搏波检测仪，要求实现脉搏波次数超出设定时限时驱动蜂鸣器报警。
2.3 设计时要考虑的问题
2.3.1 环境光对脉搏传感器测量的影响
在光电式脉搏传感器中，光敏器件接收到的光信号不仅包含脉搏信息的透射光的信号，而且包含测量环境下的背景光信号，由于动脉波动引起的光强变化比背景光的变化微弱得多，因此在测量过程当中要保持测量背景光的恒定，减少背景光的干扰。
测量环境下的背景光包含环境光和在测量过程中引起的二次反射光。为了减少环境光对脉搏信号测量的影响，同时考虑到传感器使用的方便性，采用密封的指套式包装方式，整个外壳采用不透光的介质和颜色，尽量减小外界环境光的影响，为了避免测量过程中的二次反射光的影响，在指套式传感器的内层表面涂上一层吸光材料，这样能有效减少二次反射光的干扰。
加上指套式外壳后的脉搏传感器测量到的脉搏波形比较平滑。这是因为加指套式的脉搏传感器中环境光在测量过程中基本不受外界环境光的影响，而且能够有效减少二次反射光，使照射到手指上的光波长单一，所以得到的脉搏信号较为稳定，没有明显的重叠杂波信号，能够很好的体现出脉搏波形的特征。
2.3.2 电磁干扰对脉搏传感器的影响
通过光电转换得到的包含脉搏信息的电信号一般比较微弱，容易受到外界电磁信号的干扰，在传统的光电式脉搏传感器电路中，由于光敏器件和放大电路是分离的，那么在信号的传递过程就很容易受到外界电磁干扰，通常在一级放大电路采用电磁屏蔽的方式来消除电磁干扰。本系统采用了新型的光敏器件，在芯片内部集成光敏器和一级放大电路，有效地抑制了外界电磁信号对原始脉搏信号的干扰。
工频干扰是电路中最常见的干扰，脉搏信号变化缓慢，特别容易受到工频信号的干扰，因此对工频信号干扰的抑制是保证脉搏信号测量精度的主要措施之一。通常脉搏信号的频率范围在0.3－30Hz之间，小于工频50Hz，因此通过低通滤波器可以有效滤除工频干扰，这在信号调理电路中容易实现；同时可以在控制电路中对光源进行脉冲调制，这样不但能够降低系统的功耗，而且能够在一定程度上减小外界的电磁干扰，在脉搏信号数据采集后，可以通过数据处理法方法进一步滤除工频信号的干扰。
2.3.3 测量过程中运动噪声的影响
测量过程当中，通常情况下手指和光电式脉搏传感器可能产生相对的运动，这样对脉搏测量产生误差，可以通过2个方面减少运动噪声误差：一是改善指套式传感器的机械抗运动性，比如说使指套能够更紧的套在手指上，不易松动；二是从脉搏信号处理的角度，通过算法来减小误差。对于传感器的设计，现在采用的主要是第一个途径。
2.4 系统基本方案
根据题目的要求系统模块可以基本划分为：脉搏传感器部分、单片机处理电路部分、显示电路部分和报警电路。为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案病进行了论证。
2.4.1脉搏传感器部分
传感器又称为换能器、变换器等。脉搏传感器是脉搏检测系统中重要的组成部分。
（1）光电式传感器
血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍，据此特点，采用光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号。反向偏压的光敏
二极管，它的反向电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性，在一定光强范围内，光敏二极管的反向电流与光强呈线性关系。指端血管的容积和透光度随心搏改变时，将使光电三极管极管收到不同的光强，并由此产生的光电流均随之作相应变化。常用检测脉搏的光电传感器分为红外对管和红外放射管。
采用红外对管。将对管夹于手指端部，通过手指的血液浓度会随着心脏的跳动发生变化，红外对管对应的信号便会发生相应的变化，采集此信号经过放大，滤波，比较等处理便可以得到理想的信号。。
采用反射式的红外管。现在市场上的心率计普遍采用这种传感器来采集信号，因为此红外管接收和发射都在手指的同一侧，因此便不用考虑每个人手指情况不同所造成的麻烦。接收的是血液漫反射回来的光，此信号可以精确地测得血管内容积变化。
（2）压电式传感器
目前常用的是一次性心电电极,它是用印刷方法制得的Ag/ Agcl传感器。这种传感器采用接扣与敏感区分离的方法,能明显的减少由于人体运动产生的干扰。电极的好坏对采集到的心电信号质量起着至关重要的作用,采用的电极应有贴力强,能紧附在人体表面,柔软、吸汗、极化电压低、导电性良好等特点。当选用电极传感器时,需要3个电极分别置于左右手和左腿,构成标准导联。临床上为了统一和便于比较所获得的脉搏信号,在检测脉搏信号时,对电极的位置,引线与放大器的连接方式都有严格的统一规定。
目前市场上有一种采用新型高分子压电材料聚偏氟乙烯研制的压电传感器,其灵敏度高,频带范围好,结构简单,便于使用。当手指前端受到轻微的压力时，可以感觉到手指前端在血压的作用下有一张一弛的感觉，将这个信号用传感器提取出来，转变为电信号，通过指脉的波形检测，就可以获得人体的脉搏信号。
（3）集成传感器
当前,市面上有很多类型的集成心电传感器,其灵敏度高,集成度高,直接就可以反映出心率的变化,且已包含了滤波等抗干扰电路,波形经过放大可以直接处理使用。缺点是价格非常昂贵，一般均在五百元以上，就本次设计来说，考虑到经费以及锻炼自己的目的，不选择使用该型传感器。
（4）三种方案的优缺点比较
1）光电式
优点：灵敏度高，易于操作,响应速度快，结构简单。
缺点：外部光源的变化对测量结果的影响较大；
2）压电式
优点：结构简单，实时性好，工作频带宽，应用电路简单，且价格低廉。
缺点：直接与人体相接触，容易因为人体肌肉的颤动等而产生干扰。并且容易受到外界其他信号的干扰。
3）集成式
优点:集成度高,包含了滤波,放大电路,可以直接输出信号,便于操作,有效的减少了各种干扰。
缺点:降低了本任务的难度,如果采用该传感器，只需将其直接接上单片机即可实现功能，且价格非常昂贵。
考虑到种种情况，结合本系统的设计要求以及经费的考虑，采用光电式传感器。
2.4.2单片机选择
AT89S51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
2.4.3 显示部分
根据题目要求，设计出来的系统是可以设定报警的范围的。对显示部分采用以下方案：采用数码管。数码管具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，简单方便等特点。
2.5 整体方案
检测的基本原理：随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变。当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小；当血液流回心脏，组织的半透明度增大。这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。因此，本脉率计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的上述部位，并用装在该部位另一侧或旁边的红外光电管来检测机体组织的透明程度并把它转换成电信号。由于此信号的频率与人体每分钟的脉搏次数成正比，故只要把它转换成脉冲并进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目的。
本设计的结构如图2.1所示
图2.1 硬件框图
2.5 本章小结
本章主要介绍了常见的用于脉搏检测的三种传感器，并对这三种感器的优缺点进行了比较。本设计采用的单片机芯片的型号是AT89S52，在本章主要介绍了它的一些特点。最后，给出了最终的设计方案和硬件框图。
第3章硬件电路设计分析
3.1 控制器
经过第2章的叙述已经确定了完成本设计所需要的主要元器件，所以本章开始讲述基于单片机的便携式心率测试仪的设计的硬件电路的设计。
在这里，单片机要实现对脉搏信号的处理。为了能够在不到10s的时间内，测量出一分钟的脉搏，可以使用单片机的定时器来实现。在检测到第一个脉冲到达时，开启定时器，然后在下一个脉冲到达时，关闭计时器，如此就可以求得一次心跳所需要的时间，然后由该周期就可以得到一分钟的脉搏数。考虑到单片机要实现以上功能，选择使用AT89S51来构成电路。
3.1.1 AT89S51 简介
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
3.1.2 AT89S51 的特点
·兼容标准MCS-51指令系统及80S51引脚结构
·4k字节可重擦写Flash闪速存储器
·128 bytes的随机存取数据存储器(RAM)
·32个外部双向输入/输出（I/O）口
·5个中断优先级、2层中断嵌套中断
·2个全双工串行通信口
·片内振荡器和时钟电路
·2个16位定时／计数器
·6个中断源
·看门狗（WDT ）电路
·全静态工作：0Hz-33MHz
·三级程序存储器保密锁定
·可编程串行通道
·低功耗空闲和掉电模式
3.1.3 AT89C51 的结构
此次设计所使用的AT89S51 的封装形式是PDIP 。如图3.1 所示。
图3.1DIP 管脚图
AT89C51与51系列中各种型号芯片的引脚互相兼容。目前多采用40只引脚双列直插，如图3.1所示。
引脚按其功能可分为如下3类：
①电源及时钟引脚—－VCC 、VSS ；XTAL1、XTAL2；
②控制引脚—－/RST VPD 、/ALE PROG 、PSEN 、和/EA VPP ； ③I/O 口引脚——P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O 口。