基于单片机的脉搏心率测量仪参考论文.docx

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基于单片机的脉搏心率测量仪参考论文

摘要

脉搏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。

为了提高脉搏心率测量仪的简便性和精确度，本课题设计了一种基于52单片机的脉搏心率测量仪。

系统以STC89C52单片机为核心，以红外反射式传感器ST188为检测原件，并利用单片机系统内部定时器来计算时间，由红外反射式传感器ST188感应产生脉冲，单片机通过对脉冲累加得到脉搏心率跳动次数，时间由定时器定时而得。

系统运行中能显示脉搏心率次数和时间，系统停止运行时，能够显示总的脉搏心率次数和时间。

经测试，系统工作正常，达到设计要求。

关键词：

脉搏心率测量仪；STC89C52单片机；红外反射式传感器

Abstract

Pulsemeterinourdailylifehavegottheveryextensiveapplication.Inordertoimprovethesimplicityandaccuracyoftheapparatususedtomeasurethepulse,thistopichasdesignedapulsemeasuringinstrumentbasedon52microcontroller.SystemwithSTC89C52single-chipmicrocomputerasthecore,withoriginalST188infraredreflectiontypesensorforthedetection,andusethesinglechipmicrocomputersysteminternaltimertomeasuretime,pulsegeneratedbythereflectingtypeofinfraredsensorST188induction,microcontrollerpulseisobtainedbythepulseaccumulationnumber,timebythetimertiming.Systemcandisplaythepulsefrequencyandtime,thesystemstopsrunning,candisplaythetotalpulsefrequencyandtime.Afterthetest,thesystemworkswell,tomeetthedesignrequirements.

Keywords：

Thepulsemeasuringinstrument;STC89C52single-chipmicrocomputer;Theinfraredreflectiontypesensor

目录

摘要I

AbstractII

第1章概述1

1.1选题的背景和意义1

1.2脉搏心率测量仪的发展与应用2

第2章脉搏心率测量仪系统结构4

2.1光电脉搏心率测量仪的结构4

2.2工作原理5

2.3光电脉搏心率测量仪的特点5

第3章硬件系统7

3.1控制器7

3.1.1STC89C52简介7

3.1.2STC89C52的特点7

3.1.3STC89C52的结构8

3.2脉搏心率信号采集10

3.2.1光电传感器的原理11

3.2.2光电传感器的结构11

3.2.3光电传感器检测原理12

3.2.4信号采集电路12

3.3信号放大13

3.3.1放大器的介绍13

3.3.2放大电路14

3.4波形整形电路15

3.5单片机处理电路17

3.6显示电路17

3.6.1LCD1602的综述19

3.6.2LCD1602的结构19

3.6.3LCD1602指令集19

3.6.4脉搏心率测量仪电路原理图21

第4章软件系统24

4.1主程序流程：

24

4.2定时器中断程序流程：

24

4.3INT中断程序流程：

25

4.4显示程序流程：

26

4.5软件说明27

第五章抗干扰措施及使用方法27

5.1抗干扰措施27

5.1.1环境光对脉搏心率传感器测量的影响27

5.1.2电磁干扰对脉搏心率传感器的影响28

5.1.3测量过程中运动噪声的影响28

5.2测量仪使用方法28

第6章系统调试30

6.1系统调试30

6.2系统检验31

6.3误差分析32

第七章总结与展望34

参考文献36

附录38

致谢44

第1章概述

1.1选题的背景和意义

脉搏心率携带有丰富的人体健康状况的信息，自公元三世纪我国最早的脉学专著《脉经》问世以来，脉学理论得到不断的发展和提高。

在中医四诊（望、闻、问、切）中，脉诊占有非常重要的位置。

脉诊是我国传统医学中最具特色的一项诊断方法，其历史悠久，内容丰富，是中医“整体观念”、“辨证论证”的基本精神的体现与应用。

脉诊作为“绿色无创”诊断的手段和方法，得到了中外人士的关注。

但由于中医是靠手指获取脉搏心率信息，虽然脉诊具有简便、无创、无痛的特点易为患者接受，然而在长期的医疗实践中也暴露出一些缺陷。

首先，切脉单凭医生手指感觉辨别脉象的特征，受到感觉、经验和表述的限制，并且难免存在许多主观臆断因素，影响了对脉象判断的规范化；其次，这种用手指切脉的技巧很难掌握；再则，感知的脉象无法记录和保存影响了对脉象机理的研究。

脉诊的这种定性化和主观性，大大影响了其精度与可行性，成为中医脉诊应用、发展和交流中的制约因素。

为了将传统的中医药学发扬光大，促进脉诊的应用和发展，必须与现代科技相结合，实现更科学、客观的诊断[1]。

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心率数，方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏心率的跳动进行计数。

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。

为了提高脉搏心率测量的精确与速度，多种脉搏心率测量仪被运用到医学上来，从而开辟了一条全新的医学诊断方法。

早在1860年Vierordt创建了第一台杠杆式脉搏心率描记仪，国内20世纪50年代初朱颜将脉搏心率仪引用到中医脉诊的客观化研究方面。

此后随着机械及电子技术的发展，国内外在研制中医脉象仪方面进展很快，尤其是70年代中期，国内天津、上海、江西等地相继成立了跨学科的脉象研究协作组，多学科共同合作促使中医脉象研究工作进入了一个新的境界。

脉象探头式样很多，有单部、三部、单点、多点、刚性接触式、软性接触式、气压式、硅杯式、液态汞、液态水、子母式等组成,脉象探头的主要原件有应变片、压电晶体、单晶硅、光敏元件、PVDF压电薄膜等，其中以单部单点应变片式为最广泛，不过近年来正在向三部多点式方向设计[2]。

目前脉搏心率测量仪在多个领域被广泛应用，除了应用于医学领域，如无创心血管功能检测、妊高症检测、中医脉象、脉率检测等等，商业应用也不断拓展，如运动、健身器材中的心率测试都用到了技术先进的脉搏心率测量仪。

1.2脉搏心率测量仪的发展与应用

随着科学技术的发展，脉搏心率测量技术也越来越先进，对脉搏心率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心率测量仪，而其中关键是对脉搏心率传感器的研究。

起初用于体育测量的脉搏心率测试集中在对接触式传感器的研究，利用此类传感器所研制的指脉、耳脉等测量仪各有其优缺点。

指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降：

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[3]。

过去在医院临床监护和日常中老年保健中出现的日常监护仪器，如便携式电子血压计，可以完成脉搏心率的测量,但是这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每次测量都需要一个加压和减压的过程，存在体积庞大、加减压过程会有不适、脉搏心率检测的精确度低等缺点。

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。

其中光电式脉搏心率传感器是根据光电容积法制成的脉搏心率传感器，通过对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏心率信号。

具有结构简单、无损伤、精度高、可重复使用等优点。

通过光电式脉搏心率传感器所研制的脉搏心率测量仪已经应用到临床医学等各个方面并收到了理想效果。

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，这种波成为脉搏心率波[4]。

从脉搏心率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。

脉搏心率波所呈现出的形态（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,因此对脉搏心率波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景[5]。

但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号,脉搏心率波信号更是低频微弱的非电生理信号,因此必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。

第2章脉搏心率测量仪系统结构

脉搏心率测量仪的设计，必须是通过采集人体脉搏心率变化引起的一些生物信号，然后把生物信号转化为物理信号，使得这些变化的物理信号能够表达人体的脉搏心率变化，最后要得出每分钟的脉搏心率次数，就需要通过相应的硬件电路及芯片来处理物理变化并存储脉搏心率次数。

在硬件设计中一般的物理信号就是电压变化，有了这个系统的设计思路，本课题就此开始实施。

2.1光电脉搏心率测量仪的结构

光电脉搏心率测量仪是利用光电传感器作为变换原件，把采集到的用于检测脉搏心率跳动的红外光转换成电信号，用电子仪表进行测量和显示的装置。

本系统的组成包括光电传感器、信号处理、单片机电路、LCD显示电路、电源等部分。

1．光电传感器

即将非电量（红外光）转换成电量的转换元件，它由红外发射二极管和红外接收三极管组成，它可以将接收到的红外光按一定的函数关系（通常是线性关系）转换成便于测量的物理量（如电压、电流或频率等）输出。

2．信号处理

即处理光电传感器采集到的低频信号的模拟电路（包括放大、滤波、整形等）。

3.单片机电路

即利用单片机自身的定时中断计数功能对输入的脉冲电平进行运算得出心率（包括STC89C52、外部晶振、外部中断等）。

4．LCD显示电路

即把单片机计算得出的结果用LCD1620显示出来，便于直接准确无误的读出数据。

5.电源

即向光电传感器、信号处理、单片机提供的电源，采用直流5V电源供电。

2.2工作原理

本设计采用单片机STC89C52为控制核心，实现脉搏心率测量仪的基本测量功能。

脉搏心率测量仪硬件框图如下图2.1所示：

图2.1脉搏心率测量仪的工作原理

当手指放在红外线发射二极管和接收二极管中间，随着心脏的跳动，血管中血液的流量将发生变换。

由于手指放在光的传递路径中，血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生变化，因此和心跳的节拍相对应，红外接收二极管的电流也跟着改变，这就导致红外接收二极管输出脉冲信号。

该信号经放大、滤波、整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机的外部中断信号。

单片机电路对输入的脉冲信号进行计算处理后把结果送到LCD1602显示。

2.3光电脉搏心率测量仪的特点

与传统的脉搏心率测量仪相比，光电式脉搏心率测量仪具有以下特点：

1.测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，通常在体外。

2.传感器可重复使用且速度快，精度高。

3.测试的适用电压为5V的直流电压。

4.稳定性好、磨损小、寿命长、维修方便。

5.由于结构简单，因此体积小、重量轻、性价比优越。

6.测量的有效范围为50次-199次/分钟。

第3章硬件系统

3.1控制器

本系统基于52系列单片机来实现，因为系统没有其它高标准的要求，我们最终选择了STC89C52通用的比较普通单片机来实现系统设计。

3.1.1STC89C52简介

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

3.1.2STC89C52的特点

·与MCS-51产品指令系统完全兼容

·4k字节可重擦写Flash闪速存储器

·1000次擦写周期

·全静态操作：

OHz--24MHz

·三级加密程序存储器

·128*8字节内部RAM

·32个可编程I／O口线

·2个16位定时／计数器

·6个中断源

·可编程串行UART通道

·低功耗空闲和掉电模式

3.1.3STC89C52的结构

此次设计所使用的STC89C52的封装形式是DIP40。

如图3.1所示。

图3.1STC89C52的封装形式

引脚功能：

·Vcc：

电源电压

·GND：

接地

·P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I／0口，也即地址／数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗转入端用。

·Pl口：

P1是—个带内部上拉电阻的8位双向I／O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电萌。

·P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I／O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

·P3口：

：

①可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备。

②作为第二功能使用，每一位功能定义如表3.1所示。

表3.1P3口的第二功能

·RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

·ALE/PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振器频率的1／6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

·PSEN：

程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时．每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。

·EA／VPP：

EA＝0，单片机只访问外部程序存储器。

EA＝1，单片机访问内部程序存储器。

．XTALI：

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

．XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

3.2脉搏心率信号采集

目前脉搏心率波检测系统有以下几种检测方法：

光电容积脉搏心率波法、液体耦合腔脉搏心率传感器、压阻式脉搏心率传感器以及应变式脉搏心率传感器。

近年来,光电检测技术在临床医学应用中发展很快,这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰,具有很高的绝缘性,且可非侵入地检测病人各种症状信息,具有结构简单、无损伤、精度高、可重复好等优点[6]。

用光电法提取指尖脉搏心率光信息受到了从事生物医学仪器工作的专家和学者的重视。

3.2.1光电传感器的原理

根据朗伯一比尔（Lamber—Beer）定律，物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。

当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织吸收、反射衰减后，测量到的光强将在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征[7]。

脉搏心率主要由人体动脉舒张和收缩产生的，在人体指尖组织中的动脉成分含量高，而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄，透过手指后检测到的光强相对较大，因此光电式脉搏心率传感器的测量部位通常在人体指尖。

手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织，其中非血液组织的光吸收量是恒定的，而在血液中，静脉血的搏动相对于动脉血是十分微弱的，可以忽略。

因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的，那么在恒定波长的光源照射下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏心率信号[7]。

3.2.2光电传感器的结构

传感器由红外发光二级管和红外接收三极管组成。

采用GaAs红外发光二极管作为光源时，可基本抑制由呼吸运动造成的脉搏心率波曲线的漂移。

红外接收三极管在红外光的照射下能产生电能，它的特性是将光信号转换为电信号。

从光源发出的光除被手指组织吸收以外，一部分由血液漫反射返回，其余部分透射出来。

光电式脉搏心率传感器按照光的接收方式可分为透射式和反射式2种[8]。

其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置，接收的是透射光。

反射式的发射光源与光敏接收器件。

因此本系统采用了反射式光电传感器。

结构如图3.2所示。

图3.2反射式光电传感器

3.2.3光电传感器检测原理

检测原理是:

随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变：

当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小，当血液流回心脏，组织半透明度则增大；这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显[5]。

因此本设计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的手指部位，经过手指组织的反射和衰减由装在该部位旁边的光敏三管来接收其透射光并把它转换成电信号。

由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的反射和衰减也是周期性脉动的,于是红外接收三极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。

故只要把此电信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示[9]，即可实时的测出脉搏心率的次数。

3.2.4信号采集电路

图3.3是脉搏心率信号的采集电路，U2是红外发射和接收装置，由于红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大，所以对R10阻值的选取要求较高。

R10选择470Ω同时也是基于红外接收三极管感应红外光灵敏度考虑的。

R21过大，通过红外发射二极管的电流偏小，红外接收三极管无法区别有脉搏心率和无脉搏心率时的信号。

反之，R21过小，通过的电流偏大，红外接收三极管也不能准确地辨别有脉搏心率和无脉搏心率时的信号。

当手指离开传感器或检测到较强的干扰光线时，输入端的直流电压会出现很大变化，为了使它不致泄露到LM358输入端而造成错误指示，用C4耦合电容把它隔断[10]。

当手指处于测量位置时，会出现二种情况：

一是无脉期。

虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是由于红外接收三极管中存在暗电流，会造成输出电压略低。

二是有脉期。

当有跳动的脉搏心率时，血脉使手指透光性变差，红外接收三极管中的暗电流减小，输出电压上升。

但该传感器输出信号的频率很低，如当脉搏心率只有为50次/分钟时，只有0.78Hz，200次/分钟时也只有3.33Hz，因此信号首先经耦合电容C4耦合，再由R5、C5滤波以滤除高频干扰后，加到线性放大输入端。

图3.3信号采集电路

3.3信号放大

3.3.1放大器的介绍

LM358是由两个独立的高增益运算放大器组成。

可以是单电源工作，也可以是双电源工作，电源的电流消耗与电源电压大小无关。

应用范围包括变频放大器、DC增益部件和所有常规运算放大电路。

采用DIP8或SOP8封装形式。

每一组运算放大器可用图3.4所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

LM358的引脚排列见图3.5。

图3.4图3.5

由于LM358二运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，

价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。

3.3.2放大电路

按人体脉搏心率在运动后跳动次数达200次/分钟的计算来设计低通放大器，如图3.6所示。

R6、C6组成低通滤波器以进一步滤除残留的干扰，截止频率由R6、C6决定，运放LM358将信号放大，放大倍数由R12和R13的比值决定。

图3.6低通放大电路

根据一阶有源滤波电路的传递函数，可得：

放大倍数为：

200。

截止频率为：

3.9HZ。

按人体的脉搏心率跳动为200次/分钟时的频率是3.3Hz考虑，低频特性是令人满意的。

经过低通放大后输出的信号是叠加有噪声的脉动正弦波。

波形如图3.7所示。

图3.7

3.4波形整形电路

波形整形电路如图3.8所示，LM358是一个电压比较器。

当有输入信号时，LM358在比较器输入信号的每个后沿到来时输出低电平，用发光二极管D1作脉搏心率测量状态显示，脉搏心率每跳动一次发光二极管就亮一次。

同时，该脉冲电平送到单片机/INTO脚，进行对心率的计算和显示。

输出波形如图3.11所示。

图3.8波形整形电路

经过比较器LM358的输出波形：

图3.9

3.5单片机处理电路

如图3.12所示，本部分运用了STC公司的89C52单片机作为核心元件，在这里运用单片机能更快更准确地对数据进行运算，而且可以根据实际情况进行编程，所用外围元件少，轻巧省电，故障率低。

来自传感和整形输出电路的脉冲电平输入单片机89C52的/INTO脚，单片机设为负跳变中断触发模式，故每次脉冲下降沿到达时触发单片机产生中断并进行计时，来一个脉冲脉搏心率次数就加一；定时器中断主要完成一分钟的定时功能。

单片机对一分钟内的脉冲次数进行累加，通过P0、P1口把测量过程和结果送到LCD1602显示出来[9]。

图3.12单片机处理电路

3.6显示电路

本设计的显示采用LCD1602来显示。

单片机的P0口，P1口控

制显示器。

显示电路如图3.13。

图3.13显示电路

3.6.1LCD1602的综述

1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。

目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。

3.6.2LCD1602的结构

工业字符型液晶，能