1、河南科技大学毕业设计（论文）I基于单片机的心率计设计摘 要心率是指单位时间内心脏搏动的次数，包含了许多重要的生理、病理信息，特别是与心脑血管相关的信息，是生物医学检测中一个重要的生理指标，也是临床常规诊断的生理指标；因此迅速准确地测量心率便显得尤为重要。随着医疗水平和人们生活水平的提高，快速、准确、便携式心率计便成为一种新的发展趋势，同时伴随着单片机技术的发展，基于单片机的便携式心率计便不失为一个好的选择。本心率计共有三大部分，分别为：传感器部分、信号处理部分、单片机控制部分。传感器部分采用光电式传感器实现对信号采集；信号处理部分则采用放大、滤波、波形变换等方法实现信号的有效处理；而单片机部分
2、则实现对心率的计数和显示功能。通过这三部分的有效组合初步实现对人体心率的一个有效计数。信号采集采用光电式传感器通过对手指末端透光度的监测，实现信号的采集；信号放大则采用四运放运算放大器 LM324，波形变换采用 555 定时器构成反向施密特触发器；单片机控制模块则采用 AT89C51 微处理器和相关元器件通过 C 语言编程实现计数和显示功能。关键词：心率，光电式传感器，信号处理，AT89C51DESIGN OF HEART RATE METER BASED ON MCU河南科技大学毕业设计（论文）IIABSTRACTHeart rate is refering to the number in
3、 unit time of the heart beating, contains many important physiological and pathological information, especially information associated with cardiovascular, biomedical detection an important physiological indexes, and routine clinical diagnosis of physiological indexes; so quickly and accurately meas
4、uring heart rate appears to be particularly important. With the improvement of medical level and peoples living standards, rapid, accurate and portable heart rate meter has become a new trend, accompanied by the development of SCM technology, will not be regarded as a good choice of meter based on m
5、icrocontroller portable heart rate.Heart rate meter consists of three parts, respectively: sensor part, signal processing part, MCU control part. Part of the sensor using photoelectric sensor achieved the signal of the signal acquisition; signal processing part uses the amplification, filtering, wav
6、eform transform method to effectively deal with; and part of SCM is to achieve counting on heart rate and display function. Through the effective combination of these three parts, an effective count of human heart rate is realized.Signals were collected using photoelectric sensor through the monitor
7、ing of the degree of light at the end of a finger, to realize the signal acquisition; signal amplification four operational amplifier LM324 operational amplifier is used, the waveform transform the 555 timer constitute reverse Schmitt trigger; MCU control module is used AT89C51 microprocessor and re
8、lated components by C language programming counting and display function.KEY WORDS: heart rate, sensor photoelectric, signal processing, AT89C51河南科技大学毕业设计（论文）III目 录前 言 .1第一章 系统设计的整体构思 .3第二章 各元器件介绍 .42.1 LM324.42.1.1 LM324 简述 .42.1.2 LM324 主要特点 .42.1.3 LM324 引脚图 .52.2 555 定时器 .52.3 单片机型号介绍 .62.3.1 单片
9、机简介 .62.3.2 51 子系列的主要功能 .72.3.3 AT89C51 引脚 .72.4 74HC245 .92.4.1 74HC245 简述 .92.4.2 74HC245 的特点 .92.4.3 74HC245 引脚 .102.5 74LS138 .102.5.1 74LS138 简述 .102.5.2 74LS138 主要特性 .102.5.3 74LS138 引脚图 .11第三章 软件介绍 .123.1 KeilC51 高级语言集成开发环境 uVision4 IDE .123.1.1 KeilC51 简介 .123.1.2 uVision4 IDE 集成开发环境 .123.1.
10、3 uVision4 IDE 仿真过程 .133.2 Proteus.143.2.1 Proteus 简述 .143.2.2 Proteus 主界面 .15河南科技大学毕业设计（论文）IV3.2.3 电路图仿真 .15第四章 电路原理及仿真电路 .174.1 光电式传感器 .174.2 前置放大器 .194.3 滤波电路 .194.4 后置放大电路 .204.5 波形变换 .21第五章 软件的设计 .235.1 设计原理 .235.1.1 定时原理 .235.1.2 计数原理 .245.2 软件设计的流程图 .245.3 LED 显示电路 .26第六章 系统的检测 .28第七章 误差分析 .2
11、9结 论 .30参考文献 .32致 谢 .34附 录 .35河南科技大学毕业设计（论文）0前 言心率是指单位时间内心脏搏动的次数，与脉搏跳动频率基本是一致的。由于受年龄、性别及其它生理因素的影响，心率也有不同的衡量标准:3 岁以下的小孩常在 100 次/分以上，初生儿的心率更快，可达 130 次/ 分以上；在成年人中正常的心率为 60100 次/分，大多数为 6080 次/分，而且这一年龄段女性的心率一般比男性稍快；老年人的心率偏慢。即使是同一个人，在安静或睡眠状态下心率较慢，而在运动或情绪激动时心率则会加快，另外在某些药物或神经体液因素的影响下，心率会出现短暂的加快或减慢的症状；而对于经常进
12、行体力劳动和体育锻炼的人来说，平时心率则比较缓慢。婴幼儿超过 150 次/分或成年人心率超过 100 次/分称为窦性心律过速。婴儿常出现症状为发热、休克、贫血、甲亢、心力衰竭等；而成年人除此之外还常见于运动、兴奋、激动、饮酒等。心率低于 60 次/分称为窦性心动过缓，常出现胸闷、气短等症状。心率过快超过 160 次/分或过慢低于 40 次/ 分，则多表现为心脏病病人，常有心悸、胸闷、心前区不适等症状。因此说心率作为临床测量的重要生理参数，其主要意义在于：1、心率的变化直接反应人体的健康状况。对于老年人和病危的患者来说尤为重要，一单发生意外可以第一时间发现从而及时的进行救治，挽救病人的生命；特别
13、对于心脑血管疾病的病人来说相当重要。由于心率包含着与人体心脑血管系统密切相关的信息，因此利用心率计及时的发现相关的病情状况，做到及时救治从而降低心脑血管疾病的发病率和死亡率，有效的减轻心脑血管疾病带来的社会和家庭负担 1。近年来，伴随着快节奏、高压力的生活氛围，心脑血管疾病的发病率呈上升趋势，这对心率计的发展既是一个要求也是一个机遇。2、心率与运动强度密切相关，通过心率监测及时的调整运动强度和运动方式，使运动更加系统化和科学化，从而达到运动的最佳效果。目前市场上比较流行的测心率的仪器是心率手环和心率手表，它们的出现，让我们远离了传统心率带产生的束缚、划伤、勒痕等诸多不适感，以及信号不稳造成的监
14、测数据不准确等烦恼。例如 MIO FUSE 手环，它采用超级光电感应技术持续测量心率，内置加速传感器监测，可以精准测量步数，它卓越的数字滤波技术和精准的监测技术，使其能够按照真实的心率及时的反应心率变化。河南科技大学毕业设计（论文）1随着科学技术的发展，通过对脉搏波的检测来评价动脉壁的扩张性和软硬度已经得到广泛应用。凭借操作简单、无创伤等优势广泛应用于流行病学等方面的研究中，也正是由于这些原因，使得此法非常适合于向家庭和社区医疗服务机构推广。利用此法生产的仪器尽管在欧美等国得到普及，国内也引进并在此基础上不断发展，但是，由于这些仪器价格昂贵、功能局限，并不适合普通患者，因此这类产品在市场上并未
15、普及，只存在于一些大型的医疗机构中。基于单片机的心率计既能发挥单片机快速处理数据的能力，同时伴随着集成化技术的逐步提升，便携、快速准确、方便实用的心率计将不失为一个更好的选择，真正做到走入家庭、方便个人。河南科技大学毕业设计（论文）2第一章 系统设计的整体构思人体的各种生理参数如心电、脑电等生物电信号都属于强噪声背景下微弱的低频信号，是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号 2。心率是指单位时间内心脏搏动的次数，与脉搏跳动频率基本是一致的，另外脉搏信号比较容易测得，因此本设计利用脉搏信号进行心率计数。与其他生物电信号相比，脉搏信号比较容易检测同时具有直观的规律性。经过光电式传感器后输出的幅值都在
16、几毫伏左右。心率计设计的步骤如下：1、心率计设计的第一步就是要获得原始的脉搏信号，本设计采用光电式传感器 3通过对手指末端透光度的监测，检测出脉搏信号进行心率计数。2、由于信号是在强噪声背景下微弱的低频信号，在进行滤波处理前，先要进行信号的前置放大，由于夹杂着干扰信号和噪声，前置放大倍数一般较小 4。3、滤波处理。4、进行滤波处理后的信号仍然比较微弱，需要进行后置放大处理，由于这时的信号是已经经过滤波处理得到的理想信号，去除了干扰信息，因此可以进行较大的信号放大。5、进行波形变换将脉搏信号(近似正弦波)变换成方波信号。6、由于单片机的中断分为低电平和下降沿两种触发方式 5，因此在进行波形变换后
17、，要进行关键的定时计数处理以及计数显示。图 1-1 总体流程图光电式传感器，信号采集前置放大电路 滤波电路后置放大电路波形变换电路单片机定时计数河南科技大学毕业设计（论文）3第二章 各元器件介绍2.1 LM3242.1.1 LM324 简述脉搏信号是强噪声下微弱的低频信号，往往具有很大的共模干扰电压，需要用到仪表放大器，来对传感器信号进行精密的电压放大，同时，对共模干扰信号进行抑制，以提高信号质量。AD620 是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为 1 至 1000，功耗较低(最大电源电流仅 1.3 mA)。由于 AD620 具有高精度(最大非线性度 40 p
18、pm)、低失调电压(最大 50 V)和低失调漂移( 最大 0.6 V/C)特性，使其具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗等特性，非常适 ECG 的前置放大 6。但由于 AD620 不常用在市场上买不到，网店中虽有卖的但由于元器件便宜，并且数量较少，整体上费用过高不划算，于是最终选择了四运放运算放大器 LM324。LM324 系列器件属于四运算放大器，真正的差分输入，与单电源的运算放大器相比，它的优势在于：工作电压范围比较大，3.0V-32V 均可；共模输入范围包括负电源，避免了采用外部偏置元件的繁琐。另外，此元件也可工作在单电源下，电压的范围为 3.0V-32V 或16V。2.1.2 LM324
19、 主要特点表 2-1 LM324 的特性表序号 功能1 短路保护输出2 真正的差分输入级3 单电源供电 :3.0V-32V4 低输入偏置电流：最大值 100nA5 每个封装有 4 个放大器6 高增益，内部补偿河南科技大学毕业设计（论文）42.1.3 LM324 引脚图图 2-1 LM324 引脚图LM324 共有 4 组运算放大器，每一组运算放大器如下图表示，它有 5 个引出脚，分别为： 、 、 、 、 。其中 、 为信号的输入的ViiVoiVi正极和负极， 、 为电源的正负极， 为输出端。图 2-2 运算放大器2.2 555 定时器555 定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，内部
20、电路由分压器、电压比较器 和 ，简单 SR 锁存器、放电三极管 T 以及缓冲器 G 组成，1C2其内部结构如下：河南科技大学毕业设计（论文）5图 2-3 555 定时器电路结构为控制电压，5 号引脚； 是比较器 的信号输入端，称为阈值输入端，COV1Iv1C6 号引脚； 是比较器 的信号输入端,称为触发输入端， 2 号引脚； 为放电2Iv2Cov端，7 号引脚； 为电源， 8 号引脚； 为直接复位输入端， 4 号引脚； 为DR输出端，3 号引脚。当 为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出端DR即为低电平。当 为高电平时：ov1、当 , 时， =0, =1，放电三极管 T 导通，输出 为低1I32CV2IvC1v2C ov电平。2、当 时， =1, =1，锁存器状态不变，放电三极管 T1IvCV2I3C1v2C状态不变，输出 保持不变。o2.3 单片机型号介绍2.3.1 单片机简介单片机又称 MCU7是计算机的微型集成电路芯片，采用了超大规模集成电路技术，片内含有 CPU、 ROM、RAM、多种 I/O 口、中断系统、定时器/计数器等，是一个嵌入式系统。80C51 系列单片机属于第三代单片机，包括 Intel 公司和其他公司的 51 和 52 系列，本设计采用的是 51 系列。
