心率监测系统设计

罗通

摘   要：随着社会的发展，人们从最初满足现状的心态过渡到了为追求美好生活而不断奋斗的状态，健康问题变得愈发重要，同时，也在不断困扰着人们，对于家庭幸福、社会和谐具有重要影响，尤其在老年疾病预防、老年健康宣传指导等方面，更要引起重视。文章采用AT89C52单片机作为系统控制的核心，采用GMS模块和脉搏式心率传感器设计一款心率检测系统，能够及时检测人的心率状态，达到有问题及时就医的目的。

关键词：心率传感器;心率监测;GMS模块

心率是用来描述心动周期的专业术语，指心脏每分钟跳动的次数，以第一声音为准。现代汉语将心率解释为“心脏跳动的频率”。频率就是在单位时间内，某件事情发生的次数。两种解释合起来就是，心脏在一定时间内跳动的次数，也就是在一定时间内，心脏跳动快慢的意思。一般为60～100次/分钟，可因年龄、性别或其他生理因素存在个体差异[1]。一般来说，年龄越小，心率越快，老年人心率比年轻人慢，女性的心率比同龄男性快，这些都是正常的生理现象。安静状态下，成人正常心率为60～100次/分钟，理想心率应为55～70次/分钟。如何实时地监测自己的心率是否属于正常值范围是很重要也很必要的事情。

当下高新科技遍布工业制造和生活领域，尤其信息技术、网络技术融入着人们的生活，并改变了人们的生活方式，推动了许多重大的科学研究，实现了生产的飞跃，电脑也越来越多地应用到人们的生活和工作等方方面面。单片机一经问世，就凭借其集成度高、功能多元、性能稳定、造价低廉、体积小等技术优势和性能优势，快速抢占实时控制与数据处理等应用市场，并相继开发出工业控制单元、移动设备、通信终端、机器人、汽车电器、小型家电及办公自动化设备等一大批产品，而且单片机技术也在不断发展和完善，推动传统控制领域的变革与发展。

截至目前，人们习惯于通过评估单片机应用技术，来评定某国的科技发展水平。本文开发的基于全球移动通信系统（Global System for Mobile Communication，GSM）网络的心率检测系统使用单片机进行调控，能够快速测定人体的心率特征，获悉被检查者的机体状态，整个操作过程较为简易，适应于普通人的应用需求，而无需专业人士的指导、协助，尤其适合老年群体使用，具有广阔的市场价值。

1    系统硬件设计

1.1  系统工作原理

系统主要是由AT89C52微控制器及其他集成电路组成，具体来说由GSM模块、数据存储、显示模块、心率传感器、温度等传感器的电路和电源6个部分组成。首先，温度传感器初始化，收集温度数据。

心率传感器将收集到的数据值传输到微控制器上，由微控制器来处理收到值，并且把数值传输到显示模块。当温度值高于设定温度时，利用GSM短信模块向匹配的手机用户传送消息提醒，使用户及时了解自身健康。微控制器上心率传感器将进行信息收集，异常情况下会发短信通知手机用户。

1.2  AT89C52

在单片机投入市场后的一段时间内，主要被用于工业控制领域，是一种高集成度的微控制器。初期，单片机采用4位或8位，之后发展出16位，虽然控制性能更突出，但是造价高昂，市场欢迎度不大，只在特定场合才会加工、使用，因此整体规模不大。20世纪末，电子类产品发展迅猛，市场需求量连年攀升，极大带动起单片机技术的发展和单片机产品的生产，尤其是8位单片机的性能取得了飞跃发展，在处理数据方面的效率与10年前相比增长了近百倍。从单片机走过的40多年发展历程看，在提高性能、扩充容量的同时，还实现了外围电路内置、外围接口增设等功能。

单片机89系类的引脚功能都一样，唯一有区别的是单片机存储的大小。就单片机AT89C52来说，配置了8 k字節Flash，32位I/O口线，3个16位定时器/计数器，256字节随机存取存储器（Random Access Memory，RAM），片内晶振，一个6向量2级中断结构，时钟电路及全双工串行口等构件[2]。此外，AT89C52具备0 Hz静态逻辑操作功能，可为用户提供节电模式，在此状态下，内置CPU处于停转状态，只有串口、RAM、中断等基础单元仍旧运行，从而节约能耗，突出了单片机低能耗的优势。

1.3  GSM模块

移动通信是实现通信终端目标的有效手段，而移动通信在商业市场中的巨大潜力也越来越得到人们的认可。第一阶段从20世纪20年代至40年代，为早期发展阶段;第二阶段从20世纪40年代中期到60年代初期，公用移动通信技术获得大发展，相关产业迅速壮大;第3阶段从20世纪60年代中期到70年代中期，西方科研人员研制出移动电话系统，开启了移动通信的征途;第4阶段从20世纪至今，20世纪70年代中期至80年代中期是第一代蜂窝移动通信系统的发展阶段，之后发展至20世纪末，2G网络通信技术较为完善，市场应用也较为广泛，人们深刻感受到网络技术变革带来的便捷，相关技术的研发也变得更加快速，自2000年左右开始，伴随着对第3代移动通信的大量论述以及2.5G产品GPRS系统的过渡，3G走向了通信的舞台前沿。

1.4  心率传感器

脉冲测量主要有3种：（1）从心电图中提取。（2）通过测量压力传感器的波动来计算脉搏率。（3）光电体积法。前两种方法限制病人的活动，如果长时间使用会增加病人身体和心理上的不适。作为测量光电体积的最常用的测量方法之一，具有操作简单、佩戴方便、可靠性高的优点。此次采用脉搏式传感器，方便简洁，经济适用。

1.5  液晶显示屏LCD1620

LCD1620液晶显示模块由液晶材料构成，液晶材料不同形状的排列会影响模块的遮光和通光，使显示的字符颜色发生变化。根据液晶的物理性质可知，液晶分子具有流动性，当电场发生变化，液晶分子也随之发生特定的转向。通过这种特殊化原理，使用者就可以设计显示字符产生不同的光学。

LCD1620液晶模块有两种型号：（1）背光。（2）无背光。为了使设计美观实用，本系统采用的是有背光的显示模块。LCD1620模块接口控制时序有读写两个操作时序，不同的时序对应的模块内部的不同运作，所以在设计时要参考液晶显示模块的时序图。LCD1602具备功率消耗低、轻重量、显示屏薄、整体轻巧等优势，应用越来越广泛。

2    系统软件设计

软件设计重要的是串口通信部分，首先设置单片机的串行口，包括波特率、工作方式等，再根据手机模块的AT指令，手机用户可以看到检测系统心率和温度，并且单片机会把测量的数据存储下来，通过检测几个传感器的输出信号，从而判断使用者是否有身体不适等情况。

心率传感器软件设计模块首先进行初始化完成后，再判断是否开始测量心率，确定开始测量后运行计数子程序并存储测量值。

显示流程首先设置好初始化例如设置显示的方式、设置缓存的清理、设置模式显示，然后设置字符位置的显示，再设置字符数据显示。

3    结语

随着中国经济的快速增长，人民的物质保障更加坚实，广大人民更加向往美好生活，人们开始更多地关心自己的家人。在过去的几年中，智能检测系统销售数量在全球呈直线增长。几年来，市场不断涌现出各种健康检测产品，具有品种多样、以网络发展为主要趋势、智能化、集成化、成本低廉等特征。在设计中，主要以老人需求为导向，以现在科技研究状况作为背景，以学习知识、应用知识为目的，从实用角度出发设计智能检测系统对心率进行检测。

本课题的设计目的是通过手机或者其他通信设备根据预定的规则，可实时监测自己的心率，对于子女不在身边的老人，通过无线设备能够实时检测并了解老人身体健康的变化，使子女、老人生活更加舒适放心、安全有效。

本设计进一步研究以AT89C52单片机为控制平台，结合GSM模块、温度传感器、心率传感器以及数据存储模块和显示模块实现。传感器模块可以实时检测身体状况，信息处理中心对传送的数据信息进行处理，并将处理后的信息发送到手机上。目前，市场上可穿戴的智能设备越来越繁多，而且功能越来越复杂。很多互联网公司都相继设计出了各种各样的智能手环、智能手表等，但是智能手环大多都是检测人的运动状况和睡眠状况，使用起来比较复杂。而且这些可穿戴的智能设备主要都是针对年轻人来设计的，忽略了老年人市场。但是往往老年人是最需要檢测自身健康状况的，基于单片机设计的心率监测系统体积小、使用方法简单易懂，性价比很高，因此，相信心率监测系统会有广阔的发展前景。

本设计中作品基于方便、高效和实用的思想原理，利用芯片和模块进行设计，性价比非常高，具备很大的实用价值。

[参考文献]

[1]张欣.张金君.单片机原理与C51程序设计教程[M].北京：清华大学出版社，2014.

[2]黄俊骁，王志宇，丁仲祥，等.警员可穿戴多体征参数监测系统的设计[J].传感技术学报，2017（4）：635-640.

Abstract：With the development of society， people have changed from the mentality of satisfying the present situation to the state of continuous struggle for the pursuit of a better life. At the same time， health problems have become more and more important. At the same time， they are also constantly perplexing people， which have an important impact on family happiness and social harmony， especially in the prevention of diseases in the elderly， health propaganda and guidance for the elderly， and so on. In this paper， AT89C52 single chip microcomputer is used as the core of system control， GMS module and pulse heart rate sensor are used to design a heart rate detection system， which can detect human heart rate state in time and achieve the purpose of seeking medical treatment in time for problems.

Key words：heart rate sensor; heart rate monitoring; GMS module