基于单片机的心率设计毕业设计论文
毕业设计（论文）题目心率监测系统设计
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摘要
心率是指单位时间内心脏跳动的次数,一般指每分钟的心跳次数,是临床常规检查的生理指标。心率监测系统在我们的日常生活中已经得到了非常广泛的应用。在医学上，通过测量人的心率，便可初步判断人的健康状况。本课题设计完成了一个基于51单片机的心率监测系统。系统以AT89C51单片机为核心，以红外发光二极管和光敏三极管为传感器，利用单片机系统内部定时器来计算时间，由光敏三极管感应心跳脉冲，单片机通过脉冲累加得到心脏跳动次数，在数码管上显示心跳次数和时间。系统实现了心率的实时监测与显示、定时测量以及报警提醒等功能。实验结果表明，系统工作正常，测量灵敏度高，实现了设计功能。
关键词：心率监测；A T89C51单片机；光电传感器
Abstract
Heart rate generally refers to the number of heart beats per minute. It is one of the physiological indexes in clinical routine examination. The heart rate monitoring system
has been widely used in our daily life. In medicine, it can preliminarily determine the health status by measuring heart rate. This paper proposes a new system based on a single-chip microcomputer and two sensors of an infrared light emitting diode and a photo transistor. The sensors detect heart beating and the single-chip microcomputer gets the frequency by accumulating the times of heart beating. The time is obtained by the inner timer of the single-chip microcomputer. This system can not only display the heart rate, the test time online, but also give alarming as a reminding when the heart rate is not normal. The test result shows that the system works well with high sensitivity and short delay. It has realized the functions of design.
Keywords:Hearting rate monitoring；AT89C51 single-chip microcomputer；Photoelectric sensor
目录
摘要 ............................................................................................................................. II Abstract........................................................................................................................... V 第1章概述.. (1)
1.1选题的背景和意义 (1)
1.2心率监测系统的发展与应用 (2)
第2章心率监测系统结构 (3)
2.1系统结构 (3)
2.2工作原理 (3)
第3章硬件系统设计 (5)
3.1控制器 (5)
3.1.1AT89C51 简介 (5)
3.1.2AT89C51 的特点 (5)
3.1.3AT89C51 的结构 (5)
3.2心率信号取样 (7)
3.2.1光电传感器的原理 (7)
3.2.2光电传感器的结构 (8)
3.2.3光电传感器检测原理 (8)
3.2.4信号取样电路 (9)
3.3信号放大电路 (10)
3.3.1LM324放大器 (10)
3.3.2低通放大电路 (10)
3.4波形整形电路 (12)
3.5单片机控制电路 (14)
3.6LED显示电路 (14)
3.6.1LED的结构及工作原理 (15)
3.6.2LED数码管的显示方式 (16)
3.7报警电路 (16)
3.8硬件系统原理 (17)
第4章软件系统设计 (18)
4.1主程序流程 (18)
4.2中断程序流程 (18)
4.3显示程序流程 (19)
第5章系统干扰分析及处理措施 (20)
5.1干扰分析 (20)
5.1.1环境光干扰及处理措施 (20)
5.1.2电磁干扰及处理措施 (20)
5.1.3测量过程中运动噪声干扰及处理措施 (21)
第6章系统测试结果 (22)
6.1硬件调试 (22)
6.2系统测试 (24)
6.3误差分析 (24)
第7章总结与展望 (25)
参考文献 (26)
附录 (28)
致谢 (34)
第1章概述
1.1 选题的背景和意义
心率(Heart Rate)是用来描述心跳周期的专业术语，是指心脏每分钟跳动的次数, 它不仅是反映心脏功能强弱的重要标志，也是反映人体运动强度的生理指标。
心率携带有丰富的人体健康状况信息。自我国最早的脉学专著《脉经》问世以来，脉学理论得到不断发展和提高。在中医四诊(望、闻、问、切)中，脉诊具有非常重要的位置。它是我国传统医学中最具特色的一项诊断方法，历史悠久，内容丰富，是中医“整体观念”、“辨证论证”基本精神的体现与应用。脉诊作为“绿色无创”诊断的手法，得到了中外人士的关注。但由于中医是靠手指获取心率信息，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[1]。
进入21世纪以来，科技不断的发展，电子产品越来越多，系统的价格越来越便宜；产品的科技含量比例也越来越大，性能越来越可靠。人们日常的生产、生活都在慢慢走向高度自动化和智能化。
医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟心跳数，方法是用听诊器放在胸口处，根据心脏的跳动进行计数。为了节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测量10秒内的心跳数，再把结果乘以6得到每分钟的心跳数，这样做还是比较费时，而且精度也不高。为了提高心率测量的精确性与速度，多种心率监测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。
随着国民经济的不断发展，人们生活水平不断提高，健康已成了人们关注的焦点和追求的目标。参加锻炼无疑是保持健康的最佳方法，但很多人急于求成，往往适得其反，达不到锻炼的效果，甚至可能对身体造成一定程度的伤害。目前市场上单纯的跑步计步器不能同时监测人体生理参数并实时显示，反馈给锻炼者。心率监测仪是一种可对跑步者跑步等各种身体运动心率参数进行实时监测的仪器，并能将实时监测的心率参数显示出来。目前心率监测仪[2]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心率监控仪。
1.2 心率监测系统的发展与应用
随着科学技术的发展，心率监测技术也越来越先进，对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心率监测系统，其关键在于对心率传感器的研究。起初用于体育测量的心率测试仪主要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，但因为手指上汗腺较多，指夹常年使用，污渍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，易维护，但耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号易受环境温度影响，造成测量结果不准确[3]。过去在医院临床监护和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、加减压过程造成不适、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传感器，这类传感器的重要特征是测量探测部分不侵入机体，不会造成机体创伤，能够自动消除系统误差，测量精度高，通常在体表间接测量人体的生理和生化参数。
人体心室周期性的收缩和舒张引起主动脉的收缩和舒张，是血压以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波成为心率波[4]。从心率波中提取人体的病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到了中外医学界的重视。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病理的血流特征，因此对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弱信号，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滤波以满足采集的要求。
第2章心率监测系统结构
心率监测系统的设计，必须是通过采集人体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心率变化，最后要得出每分钟的心跳次数，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心跳次数。
2.1 系统结构
光电式心率监测系统是利用光电传感器作为变换原件，把采集到的用于检测心脏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、信号处理电路、单片机电路、数码显示、电源等部分。光电传感器是将非电量(红外光)转换成电量的转换元件，由红外发射二极管和接收三极管组成，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。信号处理电路主要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)。单片机电路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AT89C51、外部晶振、外部中断等)。电源电路向光电传感器、信号处理、单片机提供的电源，可以是5V-9V的交流或直流的稳压电源。
2.2 工作原理
本设计采用单片机AT89C51为控制核心，实现心率监测系统的基本测量功能。该系统的硬件框图如下图2.1 所示：
图2.1心率监测系统的工作原理
当手指放在红外发射二极管和接收三极管中间，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，血管中血液饱和度的变化会引起光的强度发生变化，因此和心跳的节拍相对应，红外接收三极管的电流也跟着改变，这就使红外接收三极管输出脉冲信号。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之后把结果送到数码管显示。
第3章硬件系统设计
3.1 控制器
本系统基于51系列单片机来实现功能，因为系统没有其它高标准的要求，我们最终选择了比较普遍的AT89C51单片机来实现系统设计。
3.1.1 AT89C51 简介
AT89C5l是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128 bytes随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储技术生产，兼容MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大。
3.1.2 AT89C51 的特点
·与MCS-51产品指令系统完全兼容
·1000次擦写周期
·全静态操作：OHz--24MHz
·三级加密程序存储器
·128*8字节的内部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
3.1.3 AT89C51 的结构
此次设计所使用的AT89C51 的封装形式是DIP40。如图3.1 所示。
图3.1AT89C51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，也是地址／数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流方式驱动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流。
·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。
·RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚会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仍能以时钟振器频率的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。
．XTAL1：振荡器反相放大器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 心率信号取样
目前心率监测系统有以下几种检测方法：光电容积脉搏波法、液体耦合腔心率传感器、压阻式心率传感器以及应变式心率传感器。近年来，光电检测技术在临床医学应用中发展很快,主要由于光能避开强烈的电磁干扰, 具有很高的绝缘性,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、可重复等优点[6]。用光电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生物医学仪器工作专家和学者的重视。
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其浓度成正比。当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织的吸收、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。
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