第四届“含弘杯”学生课外学术科技作品竞赛
心率监控及反馈系统
作品类别：科技发明制作信息技术类
二〇一四年十月
目录
目录 (1)
摘要 (1)
关键词 (1)
一、前言 (1)
二、工作原理 (1)
1、硬件部分 (1)
1.1 信号采集模块 (2)
1.2数据处理模块 (3)
1.3 人机交互模块 (3)
1.4 数据传输模块 (3)
1.5 数据存储模块 (4)
1.6 报警模块 (4)
1.7 数据接收模块 (5)
2、软件设计部分 (5)
2.1 心率采集算法原理及相关C语言程序 (5)
2.1.1 心率采集算法原理 (5)
2.1.2 心率采集算法相关C语言程序 (9)
2.2 程序代码（见附录） (11)
三、测试方法与误差分析 (11)
1、测试方法 (11)
2、误差分析 (11)
四、市场应用及价值 (13)
五、作品实际图片 (14)
参考文献 (14)
附录： (15)
摘要：心率一项能够比较准确反映人体身体状况的生理指标，通过对心率数值的连续测量来获得准确而客观的数据分析，同时通过模块化的设计将相关的数据进行智能化分析存入SD卡中，同时通过NRF2401A模块或GSM 模块进行数据的传输，有效地提高了心率测量仪器的应用范围和分析的准确性。
关键词：心率测定 MSP430单片机 NRF2401A模块 GSM模块
一、前言
随着人们生活水平的提高，人们对于健康的关注程度也在逐渐上升。我国的医疗设备市场存在着很大的发展空间，拥有巨大的市场潜力。心率是指心脏每分钟跳动的次数，是一项能够比较准确的反映出一个人身体状况的生理指标。通过心率的测量和连续心率数据的处理发掘，可以较客观的获得个体的身体状况分析。根据模块化设计的思想，可以依照用户的需求进行差异化的定制，从而得到相应所需的产品，极大的扩展了产品的使用范围。同时通过程序的设计使其能够对于数据进行优化处理，使设备更加智能化，操作更加简便快捷。
二、工作原理
1、硬件部分
硬件部分采用了模块化的设计方案，通过不同的模块与基础测量部分的搭配，从而达到扩展功能的目的。硬件部分分为信号采集模块、数据处理模块、人机交互模块、数据传输模块、数据存储模块、报警模块、数据接收模块七个部分。信号采集模块将采集到的信号输入到MSP430单片机中，然后经过单片机的处理，显示在屏幕上，同时将数据存储进SD卡中。在安装数据传输模块后可以选择将数据通过NRF2401A模块或GSM模块进行传输，一旦心率超出正常范围，报警模
块将开始工作，同时将报警信息通过数据传送模块发送到数据接收端。系统框图如图一所示：
图一系统框图
1.1 信号采集模块
信号采集模块采用的是PulseSensor生物传感器。该传感器采用光电容积法来测量。当光束透过人体外周血管，由于动脉搏动充血容积变化导致这束光的透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。其价格低廉，精度高，体积较小，工作状态稳定性好，可以使用微处理器进行数据分析处理，用以分析脉搏变化以及实时自我调节心率，维持较为稳定的健康的心率状态。工作电压在+3～+5V，作品采用+5V供电。
图二传感器波形图
1.2数据处理模块
数据处理模块选择的是德州仪器生产的MSP430单片机，其工作速度快，片内存储空间大，同时具备64个通用IO口，具备优良的数据处理和控制性能。将PulseSensor传感器采集到的数据进行处理后再传输给下一级硬件部分。下图为MSP430单片机：
图三 MSP430单片机
1.3 人机交互模块
人机交互模块采用的了10.1英寸的TFT触摸彩屏，同时对控制部分进行优化。通过运用工业化集成屏幕，使用触摸进行操作，使系统操作更加便捷。大屏幕增强了图形显示的效果，使人机交互的功能得到增强。
1.4 数据传输模块
为了适应不同的数据传输需求，数据传输模块采用了两种方式。
近距离的数据传输采用NRF2401A无线传输模块。该模块能够工作在2.4~2.5GHZ的公共频段，工作晶振为16MHZ，采用3.3V电压供电，分
为配置模式，直接发送模式，突发模式等多种模式，该模块选择的是突发模式，在该模式下无线通信模块可以直接将从单片机获得的8位二进制数据传送给同一频段的接收端，空旷地区实测传输距离可达400米，接收端再将8位数据校验完成后输出。
图四 NRF2401A无线传输模块原理图
远距离的数据传输采用华为的GTM900 GSM\GPRS通信模块，其能够在接收到MSP430传递的数据后通过2G网络将数据以短信的形式发送到绑定的手机，工作性能稳定。
1.5 数据存储模块
在数据存储模块部分采用的是大容量SD卡存储设备。其通过SPI 总线与MSP430单片机相连，在数据采集后能够迅速完成数据的存入和读取，同时体积较小，具备极高的兼容性，方便数据的转移。同时扩大了数据的存储空间和存储效果。
1.6 报警模块
报警模块采用了蜂鸣器和屏幕共同工作的方式。当报警模块工作时，蜂鸣器开始工作同时屏幕开始间歇性点亮熄灭，从而起到发出警
报的效果。
1.7 数据接收模块
在远距离数据传输中，采用手机作为数据接收端；在近距离的数据传输中，由于使用了NRF2401A无线通信模块，所以接收端采用了相同的通信模块和STC89C52RC单片机来构成，其能够将接收到的数据显示在LCD1602的屏幕上，同时在发送端发出警报信号时，在接收端的蜂鸣器工作进行报警。下图为接收端LCD1602的电路原理图：
图五 LCD1602显示部分原理图
2、软件设计部分
2.1 心率采集算法原理及相关C语言程序
2.1.1 心率采集算法原理
