基于51单片机的脉搏心率测量仪-参考论文

基于51单片机的脉搏测量仪摘要：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51单片机的脉搏心率测量仪。系统以STC89C51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；STC89C51单片机；红外反射式传感器一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。1.1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、数码管显示电路、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STC89C51、外部晶振、外部中断等）。4．数码管显示电路即把单片机计算得出的结果用四位一体数码管显示出来。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。1.2工作原理本设计采用单片机STC89C51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四位一体数码管显示。ST188红外反射传感器放大、整形电路STC89C51主控制器+5V电源四位一体数码管显示电路复位电路晶振电路二.硬件系统2.1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。2.2信号放大2.1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。图3.3信号采集电路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。2.3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：00()()()1icVsAAssVsw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3.72.4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.所示。图3.8波形整形电路经过比较器LM358的输出波形：图3.92.5单片机处理电路如图3.12所示，本部分运用了STC公司的89C51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89C51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四位一体数码管显示出来[9]。图3.12单片机处理电路2.6显示电路本设计的显示采用四位一体数码管来显示。单片机的P0口，P1口控制显示器。显示电路如图3.13。图3.13显示电路脉搏心率测量仪电路原理图图3.16电路原理图三.软件系统3.1主程序流程：系统主程序控制单片机系统按预定的操作方式运行,它是单片机系统程序的框架。系统上电后,对系统进行初始化。初始化程序主要完成对单片机内专用寄存器、定时器工作方式及各端口的工作状态的设定。系统初始化之后,进行定时器中断、外部中断、显示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序[12]。流程如图4.1所示。3.2定时器中断程序流程：定时器中断服务程序由一分钟计时、按键检测、有无测试信号判断等部分组成。当定时器中断开始执行后，对一分钟开始计时，1s计时到之后继续检测下1s，直到60s到了再停止并保存测得的脉搏心率次数。同时可以对按键进行检测，只要复位测试值就可以重新开始测试。主要完成一分钟的定时功能和保存测得的脉搏心率次数。流程如图4.2所示。3.3INT中断程序流程：外部中断服务程序完成对外部信号的测量和计算。外部中断采用边沿触发的方式，当处于测量状态的时候，来一个脉冲脉搏心率次数就加一，由单片机内部定时器控制一分钟，累加得出一分钟内的脉搏心率次数。流程如图4.3所示。3.4代码：.测量仪使用方法测量仪通电后，数码管全部显示0。把手轻轻置于右下角的传感器中，以稍微有压迫感为宜，这时很快就可以看到红色发光二极管会伴随你的脉搏心率而闪烁，让你直观的看到自己脉搏心率跳动的速度，按下复位键后单片机和显示部分开始工作，单片机立刻开始计数，同时数码管显示出你的心率和测试的时间，非常方便。如果偶尔出现不稳的情况，请按复位键对系统进行复位。系统调试1.放大倍数的增加传感器的输出端经示波器观察有幅度很小的正弦波，但经整形输出后检测到的脉冲还是很弱，在确定电路没有问题的情况下，加强信号的放大倍数，调整电阻R12和R13的阻值。2.时钟的调试根据晶体振荡频率计算出内部定时器的基本参数，通过运行一段时间可通过秒表来校正后,看时间误差的量,以这个量为依据改变程序中的内部定时器基本参数,就可使时钟调准确。3.开机后无显示首先检查交流电源部分，有无交流，若无则可能保险管或变压器烧坏，如有继续查直流有无，如无则电源已烧坏，可更换解决。4.显示正常但经适当运动后测量，脉搏心率次数没有增加可能是前置放大级有问题，可采用更换的办法判断并排除。5.进人测量状态,但测量值不稳定主要是光电传感器受到电磁波等干扰，其次是损坏或有虚焊。6.开机后显示不正常或按键失灵可查手指摆放的位置或按键电路，若无故障则是硬件损坏。7.电源的改变理论上模拟部分有三处电压应为5V，但经过测试，全部使用5V电压也是可行的参考文献[1]欧阳俊，谢定等．基于BL-410的指端脉搏心率波采集系统应用研究[J]．实用预防医学，2004，第11卷第2期，2—4．[2]韩文波，曹维国，张精慧．光电式脉搏心率波监测系统[J]．长春光学精密机械学院学报，1999，第22卷第4期，2．[3]朱国富，廖明涛，王博亮．袖珍式脉搏心率波测量仪[J]．电子技术应用，1998，第1期，1—3．