基于51单片机便携式心率测试仪的研究与设计.doc
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基于51单片机便携式心率测试仪的研究与设计.doc
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基于单片机的便携式心率测试仪的设计
系部名称:
电气与信息工程学院
专业班级:
测控技术与仪器082班
学生姓名:
李强国
指导教师:
胡文静
职称:
教授
哈尔滨理工大学
二○一三年七月
哈尔滨理工大学本科生毕业设计
摘要
心率测量仪在我们的日常生活中已经得到了非常广泛的应用。
为了提高心率测量仪的简便性和精确度,本设计计了一种基于51单片机的心率测量仪。
系统以AT89S51单片机为核心,以红外发光二极管和光敏三极管为传感器,并利用单片机系统内部定时器来计算时间,由光敏三极管感应产生脉冲,单片机通过对脉冲累加得到脉搏跳动次数,时间由定时器定时而得。
系统运行中能显示脉搏次数和时间,系统停止运行时,能够显示总的脉搏次数和时间,在脉搏数超过设定上下限时蜂鸣器报警。
经测试,系统工作正常,达到设计要求。
关键词:
心率测量仪;AT89S51单片机;红外发光二极管;光敏三极管;蜂鸣器。
ABSTRACT
Heartratemeasuringinstrumentinourdailyliveshasbeenwidelyused.Inordertoimprovethepulsemeasuringinstrumentissimpleandaccurate,thedesignmethodbasedon51singlechipHeartratemeasuringinstrument.SystembasedontheAT89S51single-chipmicrocomputerasthecore,withtheinfraredemittingdiodeandaphotosensitivetriodesensorthree,andtheuseofMCUinternaltimertocalculatetime,aphotosensitivetriodeinductionpulsethree,singlechipmicrocomputerbasedonpulseaccumulationbypulsenumber,andtimebythetimertimer.Systemcandisplaythepulsefrequencyandduration,thesystemstopsrunning,candisplaythetotalpulsefrequencyandduration,thepulsenumberexceedsthesetupperandlowerlimitalarmbuzzer.Aftertesting,thesystemisworkingproperly,achievesthedesignrequirements.
Keywords:
Heartratemeasuringinstrument;AT89S51singlechipmicrocomputer;Infraredemittingdiode;Athreetransistor;Buzzer.
II
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章引言 3
1.1概述 3
1.2基于单片机的心率测试仪的发展与应用 4
1.3设计说明书内容 5
第2章整体方案分析 6
2.1任务 6
2.2要求 6
2.3设计时要考虑的问题 6
2.3.1环境光对脉搏传感器测量的影响 6
2.3.2电磁干扰对脉搏传感器的影响 7
2.3.3测量过程中运动噪声的影响 7
2.4系统基本方案 7
2.4.1脉搏传感器部分 7
2.4.3显示部分 9
2.5整体方案 9
第3章硬件电路设计分析 11
3.1控制器 11
3.1.3AT89C51的结构 12
3.2脉搏信号采集 15
3.2.1光电传感器的结构及原理 15
图3.2透射式光电传感器图 15
3.2.2信号采集电路 15
3.3信号放大 16
3.4波形整形电路 17
3.5单片机处理电路 18
3.6显示电路 19
3.6.1LED的综述 20
3.6.2LED的结构 20
3.6.3LED数码管的显示方法 20
3.7本章总结 21
第四章软件系统 22
4.1主程序流程:
22
4.2定时器中断程序流程:
22
4.3INT中断程序流程:
23
4.4显示程序流程:
23
4.5软件说明 24
结束语 24
参考文献 26
致谢 28
附录 29
附录Astateflow原理图 29
附录Bsimulink原理图 30
附录CboilerPlantmodelsimulink图 31
附录Dstateflow子状态仿真图 32
附录Estateflow的模型查看器 34
附录Fstateflow的仿真结果及生成的源代码 35
附录G英文文献翻译 42
第1章引言
1.1概述
心脑血管疾病是当今全球死亡率最高的疾病,是21世纪人类健康的头号杀手。
多年来,心率测试仪在心脑血管疾病的研究和诊断方面发挥出显著的作用,它记录的心脏活动时的生物电信号,已称为临床诊断的重要依据。
临床上使用的心电监护仪虽然功能强大,测量精度高,但因为价格高昂,不利于家庭的普及。
就算是在医院,护士每天监控病人病情而进行的心率测试也是用手测。
正常人的心率和脉搏跳动的次数是一样的,因此可以用测脉搏的方法来测心率。
医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数,从而达到测试心率的目的,他们一般的方法是用手按在病人腕部的动脉上,根据脉搏的跳动进行计数。
为了节省时间,一般不会作1分钟的测量,通常是测量10秒钟时间内心跳的数,再把结果乘以6即得到每分钟的心跳数,即使这样做还是比较费时,而且精度也不高。
脉搏波所呈现出来的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息,能反映出人体心血管系统中许多生理疾病的血流特征。
本系统采用AT89S51单片机为核心而制作的一种实用型脉搏测量仪。
采用光电脉搏传感器作为传感器对人体的脉搏心率警醒数据采集。
得到的信号送入AT89S51单片机进行处理。
单片机将采集到的脉搏心率在数码管上实时显示出来,同时还设置了脉搏测量仪的上下限报警电路。
本文首先描述本设计的整体思路,然后介绍各个部分设计中的细节问题,最后提出一些完善本设计的改进意见。
从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据,历来都受到中外医学界的重视。
几乎世界上所有的民族都用过“摸脉”作为诊断疾病的手段。
脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息,在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。
随着科技发展的不断提高,生命科学和信息科学的结合越来越紧密,出现了各种新颖的脉搏测量仪器,特别是电子脉搏仪的出现,使脉搏测量变得非常方便。
脉诊在我国已具有2600多年临床实践,是我国传统中医的精髓,但祖国传统医学采用“望、闻、问、切”的手段进行病情诊断,受人为的影响因素较大,测量精度不高。
科技的创新,脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法,脉搏测量可利用电子仪器测量出精度更就的数据。
本文介绍一种用单片机制作的脉搏测量仪,只要人把手指放在传感器内2秒钟就可以精确测量出每分钟脉搏数,测量结果用三位数字显示。
本系统以单片机为核心的便携式心率测试仪,通过脉搏传感器采集信号,并经过后续的信号处理电路,最终实现心率的测量。
便携式心率测试仪携带方便并且能准确快速地测试心率,这是我们在家中就可以测试心率从而能检测是否患有一些心血管疾病,做到早发现。
他还可以供运动员使用以检测身体状态,当能护士使用它可以节省大量的时间并大大的提高了测试心率的准确性。
1.2基于单片机的心率测试仪的发展与应用
人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张,是血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播,这种波成为脉搏波。
从脉搏波中提取人体的心理病理信息作为临床诊断和治疗的依据,历来都受到中外医学界的重视。
脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息,在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。
随着科学技术的发展,脉搏测量技术也越来越先进,对脉搏的测量精度也越来越高,国内外先后研制了不同类型的脉搏测量仪,而其中关键是对脉搏传感器的研究。
而由于脉搏传感器的不同,现今市场上的脉搏测试仪的脉率采集主要有三种方法:
采用一对红色发光二极管实现、采用反射式的红外管实现和采用压电陶瓷芯片实现。
近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器,这类传感器的重要特征是测量的探测部分不侵入机体,不造成机体创伤,能够自动消除仪表自身系统的误差,测量精度高,通常在体外,尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。
本设计采用的光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器。
它是采用一对红色发光二极管进行脉率的采集,而它的测量位置一般是耳垂或手指。
通过对手指末端透光度的监测,间接检测出脉搏信号。
具有结构简单、无损伤、精度高、可重复使用等优点。
虽然手指上的汗腺较多,指夹常年使用,污染可能会使测量灵敏度下降,但只要注意清理,测量的准确性还是非常高的;耳脉测量比较干净,传感器使用环境污染少,容易维护。
但因耳脉较弱,尤其是当季节变化时,所测信号受环境温度影响明显,造成测量结果不准确。
脉搏测量仪的发展主要向以下几个趋势发展:
(1)自动测量脉搏并且对所得到的脉搏进行自动分析。
目前很多脉搏测量仪都具有检测血氧等其他的功能,但是对这些信号的分析和诊断还需要一些有经验的医生观察,进行分析后才能确认结果,浪费大量的人力,且由人为引入的误差较大。
因此,未来脉搏自动检测的内容将更加详细,自动分析诊断功能也更强大。
(2)数字化技术等先进技术的应用。
随着数字科学技术的发展,脉搏测量仪集成度将更高,更便于携带。
数字信号处理的运用将使干扰更小,测量更为准确。
(3)多功能化越来越明显
目前的脉搏测量仪,一般都具有测试血氧,心电图等等功能,单纯的脉搏测量仪已经很少见。
随着电子技术的发展,脉搏测量仪必然可以实现更多的功能。
本设计所使用的系统利用光电传感器将脉博转换为电压信号,经过信号调理后利用AT89S51单片机进行信号采集和处理,在短时间内,测量出人体一分钟的脉搏数,并将心率进行实时显示,便于携带。
达到了方便、快速、准确地测量心率的目的。
这样的脉搏测量系统性能良好,结构简单,性价比高,输出显示稳定,比较适应大众化,适合家庭进行自我检查以及医院护士进行每
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