基于单片机的人体心率监测系统的设计与实现

吕峻达，王景泰

（中国矿业大学徐海学院，江苏 徐州 221000）

0 引言

对患者心血管疾病进行诊断的主要指标之一就是心率，患病在病情发作以前的主要症状就是心率出现问题。如果在该疾病发作之前可以对患者的心率进行有效的监测，就可以采取措施进行抢救，可以大大的提升患者的生存概率。

1 心率监测系统的设计原理

身体内的心脏器官在进行跳动时，人体组织半透明度则会产生较为显著的改变，该现象在手指尖等部位特别的显明。基于此原理，可以利用红外光来对手指尖部进行照射，从而可以得知人体心率信息。本应用可靠性较好的红外光电传感器来对手指尖表现出来的心率信息进行采集，波长不变的红外线对于血管末梢的血液微循环引起的血液容积改变较为敏感，可以有效的获取到由于心脏器官的跳动形成的指尖血液改变，通过具有信号滤波放大整形能力的信号调整电路，对心率信号进行处理。心率监测系统框架图1如示。

图1 心率监测系统框架图Fig 1 Heart rate monitoring system framework

2 心率监测系统的硬件设计

本论文针对心率实时监测的问题，使用AT89C51单片机作为核心控制芯片，使用红外传感器ST188，通过LCD1602液晶屏显示当前心率与心率阈值。

2.1 AT89C51单片机主控电路

心率实时监测系统以AT89C51单片机为控制芯片，构成如图2所示的核心控制系统。单片机的时间基准，由频率为12MHz的晶振和2个30uF电容所构成的振荡电路提供。P0与LCD1602液晶屏相连接，需要加上阻值为10K的上拉电阻；P1.0与心率数据采集管理单元连接，P2.4与超限报警单元连接。

图2 AT89C51主控电路Fig 2 AT89C51 main control circuit

2.2 数据采集管理单元

心率监测系统的数据采集管理单元由信号采集电路和信号处理电路构成，图3，本论文采用的红外传感器型号为ST188，由红外发光二极管与光敏三级管器件构成。该传感器占用的体积较小，重量较轻，可以进行高灵敏度进行识别。

图3 数据采集管理单元Fig 3 Data acquisition management unit

红外传感器把采信到的心率信息转变为电信号输送给处理电路，实现对心率电信号的滤波以及运算放大功能。滤波电路由低通滤波网络构成，通过查阅人体心率信号的具体特征，截止频率应设定在3-4Hz左右，所以选择R21=100K，C5=0.47uF，截止频率约为3.4Hz。

运算放大电路选择体积不大，成本较低，同时拥有频率补偿功能的LM358运算放大器芯片。由于光电传感器产生的电压约为几十毫伏，为了使单片机进行有效的检测，应该把信号放大至100倍，通过计算公式可以得知LM358运放的放大电阻分别为100千欧和1千欧。

使用由LM358搭建的电压比较器对信号进行整形。当放大电路将心率信号传送至电压比较器后，电压比较器将放大后的心率信号与设置的参考电压完成比较运算，如果放大后的心率信号大于参考电压数值，则LED指示灯会提示此时检测到心率，同时向单片机发送一个计数器累加信号，单片机内部的计数器就会完成累加，从而实现对心率进行计算的目的。

2.3 数据显示单元

数据显示单元采用LCD1602液晶显示模块。D0-D7口用于显示数据的传输；RS口为寄存器的选择功能，通过的P2.5进行控制；R/W口通过P2.6口实现对液晶的读和写的操作；EN端是液晶屏的使能端。通过分压电路与V0口相连，实现液晶屏的亮度调节。

2.4 超限报警单元

超限报警单元电路由阈值输入电路和超限报警电路组成。阈值输入电路由3个编程简单的独立按键组成，分别负责液晶屏界面的切换、心率报警上限示数和下限示数的加减功能。超限报警电路由LED和蜂鸣器组成。当监测系统测得的心率出现异常时（如高出设定心率的上限），单片机会控制蜂鸣器报警，同时LED灯连续闪烁，用于提示患者心率超出设置范围。

3 软件设计

软件设计的开发环境为keilV5。使用C语言对软件部分进行编程。

心率监测功能开始之前，应该完成单片机系统的初始化功能，对芯片内部的寄存器、计数器、报警阈值和看门狗进行初始化操作。当从单片机寄存器中取得结果后，先显示上次的心率次数，经过10ms的测量后，再显示测试中的心跳次数，通过按键来设置超限报警的阈值。在进行心率监测过程中，单片机运行在低功耗的方式中，完成初始化程序之后，系统会进入到休眠方式，当进入测量模式时，通过发生中断，使系统退出休眠方式进入测量模式。

4 结论

本文利用AT89C51单片机进行了该监测系统的设计，并结合红外传感器技术，将心率实时显示在LCD1602上，实现了对心率的实时测量、监测和报警功能。该系统具有实时性好、可靠性高、精度高等特点，可以满足日常生活中的测量需求；且体积较小、成本较低、性价比高，可以很方便的融合在诸如病床扶手、方向盘等地方，有效地实现心率的实时监测。