人体脉搏监测系统设计

陈亚环，王艳荣

（内蒙古工业大学 信息工程学院，内蒙古 呼和浩特 010080）

人体脉搏监测系统设计

陈亚环，王艳荣

（内蒙古工业大学 信息工程学院，内蒙古 呼和浩特 010080）

基于实现人体心血管健康信息自主实时监测的目的，采用以单片机为核心控制器并利用光电传感器采集食指前端的脉搏信息的方法，提出了人体脉搏监测系统设计方案，并完成系统的软硬件设计。通过实际对人体脉搏监测试验，得出该系统可实现脉搏数的实时显示，手动设置阈值，脉搏数超出阈值报警，同时可手动设置时间和闹钟定时等功能。通过人体脉搏监测数据与传统诊脉数据的对比试验，得出在误差允许范围内所设计的人体脉搏监测系统数据正确可靠。

光电传感器；脉搏监测系统；STC89C52；DS1302时钟

自20世纪60年代以来，随着生物传感器的制造工艺和技术水平的不断改进和完善，使得其在国内外医疗领域得到了广泛的应用[1-2]。随着电子、计算机技术的快速发展，经济水平的逐步提高，各种电子智能脉搏监测系统在医护中心、家庭以及户外运动中扮演着越来越重要的角色，其不仅仅是身体健康信息表现的一种重要载体，而且已然成为现代医疗中自主实施监测健康信息化、数字化和简易化的标志。

由于计算机以及相关的微创技术、信息处理等技术的迅猛发展，使得脉搏监测系统的应用日趋广泛，而且更加平民化，与传统的人为脉诊或听诊方法相比优势明显。首先，脉搏监测系统不受人身因素的影响，测量数据精度高，检测数据实时显示，直观易读。其次，脉搏监测系统可以用传感器和可控制芯片及显示屏简单搭建，具有成本低廉、拓展性好、耗电量低、易操作、实用性强等优点。最后，脉搏监测系统对空间大小的限制要求不大，可以随身携带，阶段性检测或始终监测，是实现远程、智能医疗实时监测的基础。基于以上三点，近年来脉搏计的市场飞速发展，已经广泛的应用在如医院、家庭、健身所、保健中心、学校、体育场等。脉搏监测系统也可融合血压、血浓度等其他生命体征信息与无线技术、现代通信技术拓展为远程医疗监测系统，在医学领域将是巨大的突破和挑战，有着巨大的社会效益。

文中通过调查研究人体脉搏监测系统功能要求，确定人体脉搏监测系统控制器应具备的功能，从而设计出一款体积小易操作的人体脉搏监测系统。此监测系统利用光电传感器，采集人的食指前端因心跳变化引起食指透光率的变化信息，此变化信息经过处理后作为脉搏电信号成为控制芯片的输入信号，对控制芯片编程生成脉搏数并驱动液晶显示器显示，同时具有脉搏异常报警功能，此系统也可与物联网技术结合形成医疗设备网络体系的一个模块[3-5]。

1 系统硬件设计

该控制系统总设计框图如1图所示。本系统以单片机为控制核心，对系统进行初始化，主要完成对键盘的响应、液晶显示、时间读取、测脉搏率等功能的控制，起到总控和协调各模块之间工作的作用。单片机通过驱动蜂鸣器发响声。

图1 系统硬件结构图

在本系统电路中， 主控芯片选择单片机STC89C52，内存储器系统由4 K的程序存储器（掩膜ROM）和128 B的数据存储器（RAM）组成。 STC89 C52有40个引脚，4个8位并行I/O口，1个全双工异步串行口，同时内部包含了5个中断源，2个优先级，3个16位定时/计数器，其功能可满足本系统的信息处理要求。信号调理电路由两部分功能电路构成，其一为运放LM358构成的低通滤波放大电路，可实现对传感器采集的脉搏信号进行滤波放大；其二为施密特触发器74HC14构成的整形电路，可实现对信号的整形[6-7]。键盘模块使用的是4位独立按键，分别接单片机的P3.0、P3.1、P3.2、P3.3口。通过键盘设置数据，独立按键程序要实现这样的功能：功能控制按键key1每次按下都会执行不同的功能；key2用来实现两个功能：监测停止和数值增加；key3同样实现两个功能：监测开始和数值递减；key4是时间功能键，用来选择时、分、秒位和时间复位。DS1302时钟电路采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，也可以关闭充电功能，芯片采用32.768 KHz晶振。 单片机通过时序可以读出时钟芯片内部的相关时间信息。LCD1602[8-9]液晶显示电路是将LCD1602相应端口与单片机IO连接，用STC89C52的P0口作为数据线，用P1.2、P1.1、P1.0分别作为LCD的EN、R/W、RS。其中EN是下降沿触发的片选信号，R/W是读写信号，RS是寄存器选择信号。蜂鸣器报警电路由蜂鸣器，电阻和三极管组成。5 V蜂鸣器需要较大的驱动电流，所以要利用三极管开关电路来驱动。电路中采用的8550是PNP型管，为了防止单片机输出低电平时击穿管子的发射极，在放大电路输入回路接了一个1K的限流分压电阻。

2 系统软件设计

系统的软件部分主要分为计数器/定时器中断、扫描按键控制、时钟数据处理、驱动液晶显示效果[10-12]。系统软件设计流程图如图2所示。首先系统初始化，单片机上电后先进行初始化，然后等待用户按下对应的按键并进入对应的功能。如果功能键按下则进入设置闹钟和时间以及脉搏上下限等参数，否则判断测量按键是否按下，按下则开启定时器测量脉搏信号，在测量过程中时刻判断用户是否按下停止按键，按下的停止计数，否则继续测量，测量完成后计数出等效一分钟的脉搏次数，并显示出来，然后判断是否超过用户设定的上限次数和下限次数，有则驱动蜂鸣器报警，没有则取消报警。脉搏率的计算是利用计数器T0在定时器T2定时15 s内对脉冲计数，然后乘以4得到一分钟的脉搏数。LCD1602是2*16的液晶显示，根据本系统的功能，其应该显示脉搏的上、下限值和每分钟脉搏数，考虑附加功能要带有时钟，则还应显示实时时间、闹钟设置、时间复位等内容。首先先调用液晶自定义的字库，设置好DDRAM地址后在第一行显示，然后根据程序中的数据设置显示数据的首地址并设置循环量，在循环过程中不断的取字符代码直到终止，第二行的显示过程同一行的显示过程一样，两行显示完毕后便结束初始化程序。 时钟数据处理过程是这样的，开始时单片机先给时钟芯片复位端置1，这时可以对时钟进行数据传送，写入一位命令后给SCLK输入时钟信号，进入循环，直到8次循环结束，表示命令字节发送完；接着给时钟芯片写入数据，同写命令过程一样，直至数据全部写入后复位引脚置0。扫描按键控制中设置了两个变量，分别是gFC和gTC，作为功能键标志和时间移位标志。功能键每次按下gFC加1，对应值下会有相应的执行功能；gTC是时间功能按键按下的计数，用来实现关于时间的设置。本系统使用C语言编程，在Keil下编译，下载到单片机中进行硬件测试[13-14]。

3 硬件系统测试结果

图3为脉搏信号采集放大整形后的波形图，图4为系统硬件电路测试图，显示内容分别为时间、每分钟脉搏数和脉搏上下限。在测试中，将食指前端放在传感器上即可测出脉搏数。

图2 系统软件设计流程图

图3 整形后的波形图

图4 人体脉搏监测系统

4 结束语

文中完成了基于单片机控制的脉搏监测系统软硬件设计和硬件电路焊接调试。调试结果表明系统电路板的显示效果良好，电路拓展性高。由于本系统利用人的食指采集脉搏信息，使用方便，因此可广泛运用于实际生活中的各种场合，如健身所、保健中心、学校医务室以及家中等，实现对脉搏的自主实时监测，在此设计的基础上，与物联网技术结合可以形成医疗设备网络体系[15-16]。

[1]潘佚.基于C8051F040单片机的动态血糖监测系统的低功耗设计[J].电子设计工程，2013，21（10）: 155-157.

[2]张玲娜，魏娜，马艳.生物传感器在现代医学模式中的应用[J].现代电子技术，2013，36（20）:131-135.

[3]李瑞昌，廖璠.基于体域网的医疗监测系统研究[J].现代电子技术，2013，36（17）:49-51.

[4]缪鹏程，孙凤飞.无线远程医疗监护系统的设计[J].电子设计工程，2013，21（6）:27-30.

[5]徐玉炎，明轩，张瑞.基于WSN的医疗监护系统的设计[J].电子设计工程，2015，23（2）:1-4.

[6]兀伟，王航宇.多种温度传感器信号调理电路设计[J].电子设计工程，2012，20（22）:73-75.

[7]孔祥金，刘军.心电信号调理电路设计[J].电子设计工程，2012，20（15）:121-123.

[8]刘树中，孙书膺，王春平.单片机和液晶显示驱动器串行接口的实现[J].微计算机信息，2007，23（1-2）:137-138.

[9]刘翼，王新安，林丰成.LCD驱动中调制算法的应用与实现研究[J].微电子学与计算机，2007，24（4）: 32-34.

[10]代晓倩，尤志坚.单片机软件中断测试技术研究[J].电脑知识与技术，2015，11（11）:195-196

[11]李莉.51系列单片机软件抗干扰设计方法[J].电脑知识与技术，2013，8（15）:3725-3727.

[12]陈瑞森.基于流程图编程的单片机软件系统开发[J].智能计算机与应用，2013，3（4）:95-96.

[13]宋芳，简力.AT89系列单片机的测试技术[J].计算机与数字工程，2013，43（1）:103-105.

[14]胡勇，李轩冕，贺志容.单片机测试向量生成技术研究[J].计算机与数字工程，2010，38（9）:90-92.

[15]沈建华.物联网时代的MCU与无线互联[J].单片机与嵌入式系统应用，2011（9）：1-3.

[16]朱勇，张超，邱天爽.基于医疗物联网的多参数生命监护仪的设计[J].北京生物医学工程，2014，33（3）:275-280.

Design of human pulse monitoring system

CHEN Ya-huan，WANG Yan-rong
（Information Engineering College of Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010080，China）

Based on the purpose of realizing the real-time monitoring of human cardiovascular health information，the design scheme of human pulse monitoring system using MCU as the core controller and photoelectric sensor to collect the pulse information of the index finger is proposed.Through the practice of human pulse monitoring test，the system can realize the real-time display of the pulse number，manual setting threshold when the pulse number beyond the threshold will alarm，and manually set clock timing.Through the contrast test of human pulse monitoring data with the traditional pulse data，the data of human pulse monitoring system designed is correct and reliable in the range of the error data.

photoelectric sensor；STC89C52；Pulse monitoring system；DS1302 clock

TN79

：A

：1674－6236（2017）01-0179-03

2015-12-15稿件编号：201512157

陈亚环（1992—），女，内蒙古赤峰人。研究方向：通信工程及应用。