基于51单片机的心率测量及预警系统设计

徐瑞雄 杨 博 王垚飞 李香坪 肖芳菲 郭建强西南交通大学物理科学与技术学院 四川成都 611756



基于51单片机的心率测量及预警系统设计

徐瑞雄 杨 博 王垚飞 李香坪 肖芳菲 郭建强
西南交通大学物理科学与技术学院 四川成都 611756

【文章摘要】

在生活中，心率作为反映人体健康的一个重要参数，出现异常后可能导致多种紧急情况。为了解决心率的便携式测量问题，考虑到51系列单片机广泛应用于数字电子产品领域，本文在研究设计中，将光电传感器与51单片机相结合，通过软硬件结合的方法，将人的心率精准测量及显示，并在超过人为设定范围时进行报警提示。通过实验研究结果及分析，文中设计的思路能有效便捷地实现对心率进行测量和预警的功能。

【关键词】

STC89C52；心率监测；LCD显示器；光电传感器

引言

心率测量有脉搏时光线被遮挡，无脉搏时透光强，本文所采用的传感器是光电传感器。通过观测脉搏信号，可以对人体的健康进行检查，可被用于保健中心和医院。系统可以供用户测量当时的脉搏次数，同时还可以设定上限次数和下限次数，记作人体正常情况下的脉搏范围，当测量的范围超过设定的合理范围时则驱动蜂鸣器报警提醒。

从脉搏波中提取人体的生理，病理等信息作为临床诊断和治疗的依据，一直都受到中外医学界的重视。本文设计的心率测量及预警系统以STC89C52单片机为核心，以光电反射式传感器ST188采集信号，再利用单片机系统内部定时器来计算时间，由光电传感器感应产生信号，单片机通过对信号累加得到脉搏跳动次数，时间由定时器定时而得。系统运行中可以通过观察指示灯闪烁，若均匀闪烁说明测量值准确。但是由于人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号， 脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号， 所以必须经过放大和滤波以满足采集的要求。

1　总体设计方案

总体设计流程如图1所示。

本设计采用单片机AT89C52为控制核心，实现心率监测系统的基本测量和预警功能。该系统的硬件框图如图2所示。

图1　系统设计流程图

图2　心率监测系统的工作原理

2　硬件模块电路设计

2.1硬件电路设计原理

主控模块模块在整个系统中起着控制的作用，需要检测键盘等各种参数，同时驱动液晶显示相关参数，在这里我们选用了51系列单片机中的STC89C52单片机作为系统的主控芯片。

图3为单片机最小系统电路图，单片机最小系统有单片机、时钟电路、复位电路组成，时钟电路选用了12MHz的晶振提供时钟，作用为给单片机提供一个时间基准，其中执行一条基本指令需要的时间为一个机器周期，单片机的复位电路，按下复位按键之后可以使单片机进入刚上电的起始状态。图中10k排阻为P0口的上拉电阻，由于P0口跟其他IO结构不一样，其为漏极开路的结构，因此要加上拉电阻才能正常使用。

2.2LCD液晶显示器简介

由于本设计中要求显示界面显示一些参数，因此这里选用了LCD1602作为界面显示，LCD1602的显示丰富，可以把一些相关的参数进行显示。

2.3信号采集电路设计

此部分电路的功能是由光电传感器将脉搏信号转换为电信号，一般为几十毫伏，必须加以放大，以达到整形电路所需的电压，一般为几伏。放大后的信号波形是不规则的脉冲信号，因此必须加以滤波整形，整形电路的输出电压应满足计数器的要求。选择电路：所选放大整形电路框图如图4所示，原理图如图5所示。

图3　单片机最小系统电路图

图4　放大整形电路框图

2.4光电传感器选择

传感器采用了红外光电传感器ST188，其作用是通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，把脉搏跳动转换为电信号，其原理电路如图6所示。

如图中，红外管采用188。用+5V电源供电，R1取150，R2取33，当人把手指放在ST188光电传感器上的时候，光电传感器接收到的信号会随人脉搏强度的变化而变化。

脉搏测量的时候人把手轻轻的按在光电传感器上面，由于人脉搏跳动的时候，血液的透光性不一样会导致接收器那边接收的信号强弱不一样，间接的把人脉搏信号传回，然后再通过运放对其进行放大、整形后连接到单片机的口，单片机利用外部中断对其进行计数，然后换算成人一分钟脉搏的跳动次数，最终显示在液晶屏上。

图5　放大整形电路原理图

图6　传感器信号调节原理电路图

3　软件设计

主程序流程图如图7所示，单片机上电后先进行初始化，设置参数的初值，然后等待用户按下对应的按键并进入对应的功能，当用户按下测量按键的时候，单片机通过定时15测量人体的脉搏次数，然后再换算出对应的真实的脉搏次数再在液晶屏幕上显示，当用户按下设置脉搏范围设定按键后，单片机根据用户按下的按键进行增加或减少范围。软件编程流程图如图7所示。

图7　单片机程序框图

4　仿真模拟结果

利用进行仿真，由于仿真软件中无反射式光电传感器，本文以按压式按键代替对单片机系统进行仿真测试，仿真图如下图8。

图8　仿真原理图

5　结果分析

本文对不同时间段，不同人测量出多组数据，然后利用标准仪器进行测量和本文设计系统测量对比结果如表1所示。

表1　心率测量值和单片机测量值对比表

本文设计出的心率测量仪的报警范围为小于50，和大于120，和标准仪器对比的测量误差在5%以内。

6　结束语

本文基于51单片机最小系统，采用灵敏度较高的光电传感器设计并实现了心率计功能。设计采用屏显示测量结果，并配置了上下阈值可调节功能，在较低的成本下，测量精度可以满足日常生活中的测量需求。并方便融合在其他地方，如方向盘，有效的做到了心率的实时监测以及预警。

【参考文献】

［1］陈权昌.李兴富.单片机原理及应用［M］.广州：华南理工大学出版社，2007.8.

［2］及力.Protel 99 SE原理图与PCB设计教程［M］.北京：电子工业出版社，2007.8.

［3］康华光.电子技术基础数字部分［M］.北京：高等教育出版社，2008

［4］李华，MCS-51系列单片机实用接口技术［M］，北京：北京航空航天大学出版社，1993.

［5］吴建平，传感器原理及应用［M］，北京：机械工业出版社，2009.

［6］邓奕、马双宝、谢龙汉，Protel 99 SE原理图与PCB设计［M］，北京：人民邮电出版社，2010.

［7］李华，MCS-51系列单片机实用接口技术［M］，北京：北京航空航天大学出版社，1993.

【作者简介】

徐瑞雄（1994.11.10），男，汉族，湖北随州人，学历：本科，研究方向：电子科学与技术。