1、第一章 緒 論1.1 心率計的研究背景隨著時間的推移，我們已經步入了21世紀。我們見證了經濟、科技、醫療等等飛速的發展。伴隨著社會的進步，使我們的生活水平被不斷被的提高，高強度的腦力以及體力的工作讓健康成為了我們大家所關注的焦點。人體器官中心臟是比較重要的，心臟的功能就是為血液流動提供充足動力，將血液傳輸到人體的各個器官中，同時也被稱為人體中血液循環的動力泵。如果心臟發生問題會直接影響人的生命安全，各種類型的心率失常是引起心臟相關疾病死亡的首要因素，此系統疾病已經成為損害人類健康和生命的一大殺手。2013年3月17日，國外醫學研究機構美國心臟協會發布中國成人的心血管健康情況調查報告（Statu

2、s of Cardiovascular Health in Chinese Adults），依據9萬余名成年公民的心血管檢測數據加以研究。這一研究主要使用美國心臟協會標準，主要劃分為身體健康與行為健康。行為健康主要包括:不抽煙、體重標準、體育鍛煉強度適當、飲食科學。身體健康主要包括:不抽煙、血壓達到正常水平、血脂符合要求、血糖處于正常狀態。研究結果表明，我國身體健康指標滿足的人約為百分之十三，行為健康指標滿足的人約為百分之七，兩者均均滿足的人約為百分之二。研究人員將上述健康指標劃分為理想、中等、低等，但心血管健康狀態不良的人數占比四分之三，中等心血管健康的人占比四分之一，理想狀態的人幾乎沒有。

3、研究報告顯示，我國成年人理想心血管健康比例非常低，應針對全體公民和心血管病高危因素兩方面努力實施有效的應對策略，以促進中國人心血管健康（Journal of the American College of Cardiology,2015,65(10):1013-1025）1。2015年1月5日，全球醫學雜志柳葉刀（Lancet）研究頒布二零一三年全球疾病負擔報告，這一研究報告對一九九零年至二零一三年期間多個國家的死亡情況作出統計，主要由華盛頓大學健康指標評估機構（IHME）帶領研究人員完成相關調查工作。研究結果表明，中國目前死亡率較高的疾病包括:冠心病、肺病、腦卒中，上述疾病導致的死亡人數約為

4、二零一三年期間所有死亡人數的46%。依據世界衛生組織調查數據得出結論，心血管疾病主要是血管疾病與心臟疾病所導致，主要包括:心衰竭、高血壓、腦卒中、冠心病等，上述疾病是我國死亡率較高的疾病，心血管疾病占比較大2。由上述兩篇研究報告可以清楚的發現，大多數人所患疾病都是由于心臟出現了問題所導致的。這使我們更加注意到了對于心臟保護的重要性。不僅僅是老年人，青少年以及成年人更應該關注對于心臟的保養以及監測。1.2 課題設計的目的及意義因為人們注意到了保護心臟的重要性，所以研究了一種可以檢測心率的裝置。這里我們需要了解到幾個名詞的具體含義。心跳（heart beat）：心臟的跳動。心率（heart rat

5、e）：正常人安靜狀態下每分鐘心跳的次數。脈搏（pulse）：人體表可觸摸到的動脈搏動。在非專業的方面來講，心跳和心率是一樣的。正常人心率和脈搏是一致的，脈搏是80次，心率也就是80次/分鐘。因為心臟每跳動一下，血液向外推出，在動脈內就像波浪一樣，一下一下向前推進，也就可以感覺到跳動。當我們理解到了這幾個名詞所代表的含義，從而引出了我們本次課題的目的。心率不但是人體心臟功能評判的標準，同時也是人體運動強度評判的生理指標，要求人們實時掌握自己心率的變化情況。因此，心率計就很快的出現了，并隨著科技、醫療的進步得到了很快的發展。但是在如今的醫院中，我們依然能看到很多醫生仍然采用人工聽診器的方式來對于心

6、率的測定。為了方便心率的采集，本課題所研究的心率計具有體積小、測量準確、成本低等特點，非常適合家庭醫療保健。還可以把一段時間所采集到心率的數據上傳到智能設備上，以便更好的觀察心率數據的整體情況。總體來說，它可以更有效的檢測到人體心率的具體情況，為家庭醫療保健提供了很好的幫助。1.3 心率計設計的主要內容本論文設計了一種基于51單片機并利用光電傳感器及硬件檢測電路的心率計，并通過嵌入式系統設計，實現對人體心率的準確測量。并討論心率變異性以及開展心率數據在睡眠領域的相關探索研究。主要內容如下：（1）51單片機心率檢測儀的設計方案；（2）光電傳感器的設計方案；（3）硬件電路及軟件的設計；（4）硬件電

7、路實驗、軟件實驗和系統調試。第二章 基于51單片機心率計檢測儀設計方案2.1 基于51單片機心率檢測儀設計方案系統總體設計由51系列單片機的STC89C52單片機、光電傳感器、LED4位數碼管、蜂鳴器、按鍵、運算放大等共同組成。系統主要設置四個按鈕，從而完成上下限心率次數的設置，如果次數超過限定范圍的話，單片機驅動蜂鳴器就會發出信號，心率檢測時要求人們將手放到光電傳感器中，人體脈搏處于跳動狀態，血液的透光度存在差異，因此，接收器獲取的信號強度并不穩定，將人的心率信號傳輸回來，運算能夠不斷放大信號強度，將整形后的數據連接到單片機IO口中。單片機通過外部中斷來計算脈搏跳動次數，將成年人每分鐘脈搏跳

8、動的次數換算出來，在電子設備中顯示出來。2.2 傳感器的設計方案使用光電傳感器能夠實時檢測人體脈搏信號，能夠將人體手指組織劃分為骨骼、肌肉、皮膚等非血液組織與血液組織，非血液組織中光的吸收量是固定不變的，但血液中靜脈血管跳動的頻率較弱，基本可以忽略不計，所以光穿透過手指組織后發生的變化主要是動脈血充盈所導致，如果恒定波長光源被設定的話，檢測穿透過手指組織的光，能夠檢測到人體心率的頻率與速度3。因為光電傳感設備與壓電傳感器相比較，光電傳感器的應用更加普遍，所以大多數人選擇使用光電傳感器來檢測人體心率的頻率與速度。2.2.1 傳感器的介紹本設計所用的光電傳感器采用的是反射式紅外光電傳感器ST188

9、。反射式光電傳感設備能夠將接收器與發射器設定到相同的裝置中，在系統中安裝反光設備，通過反射物理原理能夠管控光電傳感器。檢測地表光線程度與顏色的變化，從而完成附近物體的檢測工作。ST188系列光電傳感器主要包括以下幾個特征:（1）采取高發射功率紅外光電二極管與高靈敏度的光電晶體管共同構成；（2）檢測范圍能夠適當調節，調節范圍在4至13毫米期間。（3）使用非接觸式檢測方法。應用范圍如下：（1）IC卡電度表脈沖數據采樣；（2）集中抄表系統數據采樣；（3）傳真機紙張完成檢測；（4）同ST288A系列判斷電路結合，能夠判斷檢測目標的運動方向、行程檢測、正反轉速測量。ST188反射式紅外線光電傳感器的極限

10、參數如表2-1所示。表2-1 極限參數（Ta=25）項目符號數值單位輸入正向電流I50mA反項電壓V6V耗散功率P75mW輸出集-射電壓Vceo25V射-集電壓Veco6V集電極功率消耗Pc50mW工作溫度Topr2065儲存溫度Tstg3075ST188反射式紅外線光電傳感器的引腳圖如圖2-1、2-2所示，內部電路圖如圖2-3所示。圖2-1 ST188引腳圖圖2-2 ST188引腳圖圖2-3 ST188內部電路圖由圖2-3所示，A-K相當于二極管，E-C相當于三極管的發射極和集電極。 2.2.2 傳感器的電路圖設計ST188反射式紅外光線光電傳感器是使用光電傳感器檢測人體手指組織中血液流動狀

11、況，將脈心率的頻率轉換為信號，傳感器工作原理電路圖如2-4所示:圖2-4 ST188原理電路圖第三章 主控模塊設計及信號采集電路的設計方案3.1 主控模塊設計方案主控模塊的設計在系統中占據重要作用，應得到檢測按鈕的支持，并采用數碼管顯示相關內容，本論文設計的心率計檢測裝置采用的是51系列的單片機。3.1.1 51單片機的選擇及介紹51單片機是對所有兼容lntel8031指令系統的單片機的總稱。51系列單片機剛開始由Intel公司研發，但Intel公司將主要的設計方案轉售給其他電子生產企業，例如， SST與Philip 等企業。所以，目前市場中出售以51系列為主的單片機4。以下是51系列單片機的

12、主要特征：（1） 內部硬件軟件具備完善的按位操作系統，同時也被稱為處理器。（2） 對單片機中部分特殊功能存儲器作數據處理，如傳送、置位、清零、測試等，還能進行位的邏輯運算。（3） 乘法和除法指令，給編程帶來了很大的便利。本課題采用的是51系列單片機中的STC89C52單片機作為系統的主控芯片。STC89C52是STC（國產宏晶）單片機其中的一個品牌，是STC公司研發的高性能、低能耗CMOS8位微控制器，采用8K字節系統能夠完成Flash存儲器編程設計。STC89C52單片機具有40個引腳，32位I/O口線，4個外部中斷，1個全雙工異步串行口，3個16位定時/計數器。STC89C52內置4KB

13、EEPROM，MAX810復位電路。STC89C52單片機的實物圖見圖3-1所示。圖3-1 STC89C52單片機實物圖STC89C52單片機的基礎結構圖如圖3-1所示。圖3-2 STC89C52單片機基礎結構圖3.1.2 STC89C52單片機的主要特性STC89C52RC系列單片機作為國產企業宏晶科技研發的新一代高速、低功耗、超強抗干擾的單片機，具有以下特征:（1）8051系列增強型單片機，6時鐘/機器周期與12時鐘/機器周期能夠隨意選擇，傳輸指令能夠兼容傳統8051；（2）工作電壓：5.5V3.3V（5V單片機）、3.8V2.0V（3V單片機）；（3）單片機工作頻率為:0至40MHz，但

14、8051系列單片機范圍在0至80MHz期間，實際工作頻率能夠突破48MHz；（4）擁有8K字節程序存儲空間；（5）片上集成512字節數據存儲空間；（6）可直接使用串口下載；（7）4個八位并行IO 接口P0至P3，連接端口能夠用作輸入，同時也可以用作輸出；（8）兩個定時器或計數器，定時器或計數器能夠設置為計數形式，從而完成外部事件計數，同時也可以設置為定時方式，依據計數或定時結果完成計算機控制；（9）全雙工UART，也就是通用異步接收發送器的串行主要以IO 口為主，能夠實現單片機之間或單機和微機的串行通信；（10）片內振蕩器與時鐘產生電路，但石英晶體與微調電容應采用外部連接，振蕩頻率最高可達到1

15、2MHz；（11）可直接使用串口下載。STC89C52單片機管腳如圖3-3所示：圖3-3 STC89C52引腳圖STC89C52單片機各部分引腳說明如下：（1） VCC（40引腳）：電源電壓（2） VSS（40引腳）：電源電壓（3） 時鐘電路引腳XTAL1 與XTAL2：XTAL1(19 腳)：接外部晶體與微調電容的另一端；在單片機中它是振蕩電路反相放大器的輸入端。采用外部時鐘時，引腳應該接地。XTAL2(18 腳)：接外部晶體與微調電容端口；單片機中它是振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率以晶體固有頻率為主。如果使用外部時鐘電路的話，引腳輸入外部時鐘脈沖5;（4）控制信號引腳RST,A

16、LE,PSEN與EA：RST(9腳)：RST 作為復位信號輸入端，高電平才能發揮作用。輸入端保持備用電源的輸入端。如果主電源VCC出現故障，降低到低電平規定值時，把5V 電源自動兩個機器周期(二十四個時鐘振蕩周期)的高電平時，就能夠實現復位操作。ALE(30腳)：地址鎖存允許信號端。如果8051上電正常工作，ALE引腳不斷向外輸出正脈沖信號，頻率為振蕩器頻率的六分之一。CPU訪問片外存儲器時，ALE輸出信號作為鎖存低8位地址的控制信號，不訪問片外存儲器的話，ALE端以振蕩頻率六分之一的固定輸出正脈沖，所以ALE信號能夠用作對外輸出時鐘。PSEN(29腳)：程序存儲可以輸出信號端。在訪問片外程序

17、存儲器時，端定時輸出負脈沖作為讀片外存儲器的選通信號。引肢接EPROM的OE端。PSEN端才能發揮作用，允許讀出EPROMROM中的指令碼。PSEN端能夠驅動8個LS型TTL負載。檢查8051/8031小系統上電后CPU能不能到EPROMROM中讀取指令碼，也可用示波器看PSEN端有無脈沖輸出，則可以說明正常。EA(31腳)：外部程序存儲器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。如果EA引腳接高電平時，CPU訪問片內EPROM/ROM并執行內部程序存儲器中指令，但PC(程序計數器)的值大于0FFFH(對8751/8051為4K)時，將自動轉去執行片外程序存儲器內的程序。（5）輸入/輸出端口P0/P

18、1/P2/P3：P0口(P0.0至P0.7，32至39腳)：P0口是一個漏極開路的8位準雙向I/O口。漏極開路的輸出端口，可以驅動8個LS型TTL負載。如果P0口作為輸入口使用時，應先向口鎖存器(地址80H)寫入全1，這時P0口的全部引腳浮空，可作為高阻抗輸入。作輸入口使用時要先寫1,這就是準雙向口的含義。在CPU訪問片外存儲器時，P0口分時提供低8位地址和8位數據的復用總線。此時P0口內部上拉電阻才能發揮作用。P1口(P1.0至P1.7，1至8腳)：P1口是一個帶內部上拉電阻的8位準雙向I/O口。P1口可以驅動4個LS型TTL負載。使用P1口輸入口時應先向P1口鎖存地址(90H)寫入全1,此

19、時P1口引腳由內部上拉電阻拉成高電平。P2口(P2.0至P2.7，21至28腳)：P2口作為帶內部上拉電阻的8位準雙向I/O口。P口可以驅動4個LS型TTL負載。在訪問片外EPROM/RAM時，它輸出高8位地址。P3口(P3.0至P3.7，10至17腳)：P3口是一個帶內部上拉電阻的8位準雙向I/O口。P3口可以驅動4個LS型TTL負載。P3口與其它I/O端口較大差異，每個引腳都具備第二功能，具體如下表所示。表3-1 p3口引腳第二功能引腳編號第二功能P3.0RXD：串行數據接收P3.1RXD：串行數據發送P3.2INT0#：外部中斷0輸入P3.3INT1#：外部中斷1輸入P3.4T0：定時/

20、計數器0的外部計數輸入P3.5T1：定時/計數器1的外部計數輸入P3.6WR#：外部數據存儲器寫選通P3.7RD#：外部數據存儲器讀選通STC89C52單片機中斷系統:STC89C52單片機中斷系統和5個中斷源,兩個優先級,可以實現二次嵌套中斷服務。在芯片特殊功能寄存器中斷允許寄存器即控制CPU中斷請求是否反應;由中斷優先級寄存器IP安排每個中斷源的優先級。每一個中斷在同一優先級中斷請求提出與此同時,通過查詢邏輯來確定內部訂單的響應7。 3.1.3 STC89C52單片機的最小系統單片機的最小系統是由單片機、時鐘電路、復位電路。12MHZ的時鐘電路采用晶體振蕩器提供時鐘,功能是提供一個參考SC

21、M,所需的時間執行一個基本的指令是一個機器周期,單片機的復位電路,按復位鍵后,單片機可以輸入的起始狀態的電力。10k的上拉電阻P0端口。自從P0端口是不同于其他輸入輸出結構,上拉電阻必須添加才能正常工作。STC89C52單片機的最小系統電路見圖3-4所示。圖3-4 STC89C52最小系統電路3.2 信號采集電路設計方案信號采集電路的主要功能是把心率信號轉換為其他信號，通常為幾十毫伏左右，所以必須加以放大，以達到整形電路所需的電壓，主要以幾伏為主。放大的信號以不規則心率信號為主，所以不斷加強電路信號，整形電路的輸出電壓應達到計數器要求。3.2.1 顯示模塊電路設計顯示模塊電路采用LED數碼管動

22、態掃描。由于LED數碼管在市場上的價格比較低，采用動態掃描法連接單片機，并且單片機所占用得線口較少，所以選用LED數碼管顯示屏，并采用四位數碼管顯示。LED4位數碼管實物圖見圖3-5所示。圖3-5 LED4位數碼管當位選打開時，送入相應的段碼，則相應的數碼管打開，關掉位選，打開另一個位選，送入相應的段碼，則數碼管打開，而每次打開關掉相應的位選時，時間間隔低于20ms，則看到的幾乎與數碼管顯示的一樣。顯示電路圖見3-6所示。圖3-6 LED4位數碼管連接電路圖3.2.2 放大濾波電路設計圖3-7 放大濾波電路圖圖3-7作為心率計的放大濾波信號，因為脈搏信號輸出的信號較為微弱，輸出的信號一般會有噪

23、聲干擾，所以采用LM358搭建放大濾波電路。3.2.3 放大整形電路設計放大整形電路框圖如圖3-8所示。圖3-8 放大整形電路框圖放大濾波后的脈搏信號以不規則的脈沖信號為主，有低頻電波影響，不滿足計數器的需求，采用整形電路，因此使用滯回電壓比較器，為提高抗干擾能力。集成運放使用LM358。放大整形電路如圖3-9所示。圖3-9 放大整形電路3.3 運算放大器LM358的介紹LM358以雙運算放大器為主。內部有兩個獨立的、內部頻率補償的運算放大器，電源電壓范圍較大的單電源使用，同時也適用于雙電源工作狀態，指定的工作狀態下，電源電流和電源電壓沒有關系。使用范圍主要包括傳感放大器與其他可用單電源供電的

24、使用運算放大器的軟件。以下是LM358的特點：（1） 內部頻率補償；（2） 低輸入失調電壓與失調電流；（3） 共模輸入電壓范圍寬，應保持接地；（4） 差模輸入電壓范圍寬，與電源電壓范圍相同；（5） 直流電壓增益高為100dB；（6） 單位增益頻帶寬約為1MHz；（7） 電源電壓范圍寬：單電源在3至30V期間；（8） 雙電源(1.5至15V期間)；（9） 低功耗電流，適合于電池供電8。LM358引腳圖及內部電路原理圖見3-10、3-11所示。 圖3-10 LM358引腳圖圖3-11 LM358內部電路原理圖第四章 軟件設計方案4.1 系統軟設計方案心率計系統控制程序總流程圖如圖4-1、4-2所示

25、。圖4-1 按鍵程序流程圖圖4-1 LED顯示屏流程圖首先對心率計檢測裝置先通電后先進用按鍵進行初始化，然后按下對應的按鍵進入對應的功能，當實驗者按下測量按鍵的時候如流程圖4-1所示，把右食指放在光電傳感器上，然后再換算出對應的心率次數再在LED顯示屏上，如流程圖圖4-2所示，當實驗者按下設置心率范圍設定按鍵后，單片機會根據實驗者按下按鍵的次數來進行增加或減少所測得數據的范圍。4.2 C語言設計方案本設計所運用的匯編語言是C語言，用軟件KeiluVision4來完成編程和運算。因為此心率計所用到的是51單片機系列中的STC89C52，所以在運行Keil4時，第一步要先選擇此單片機。因為所運用到

26、的匯編語言是C語言，所以要創建一個以“.c”結尾的文件用于保存。然后接下來對心率計上的每一個硬件來進行程序編寫。以下是主函數，定義了從開機開始，初始化定時器、按鍵程序、時間間隔以及主控的一些程序。void main()static uint value;beep = 0;delay_1ms(150);P0 = P1 = P2 = P3 = 0xff;time_init();init_int0();init_eeprom();while(1)key();if(key_can = 300) /300msvalue = 0;if(displayOK=0) rate = 0;elserate=6000

27、0/(time1+time2+time3+time4+time5)/5;dis_smg0 = smg_durate % 10;dis_smg1 = smg_durate / 10 % 10;dis_smg2 = smg_durate / 100 % 10; if(rate != 0)clock_h_l();else beep = 1;display();delay_1ms(1);void int0() interrupt 0EX0=0;if(timecount8)TR0=1;elsetimei=timecount*50+TH0*0.256+TL0/1000;TH0 = 0x3c;TL0 = 0

28、xb0;timecount=0;i+;if(i=6)i=1;EX0=1;第五章 主控模塊調試及調試結果5.1 主控模塊調試因為以51單片機為核心所設計的心率計其主控模塊系統所需要的電路較為復雜，所以心率計的電路板的焊接過程是非常重要的。本課題所設計的心率機用到的硬件非常多，并且STC89C52單片機的引腳也很多，所以在焊接過程中還是有著很大的困難的。直接用單片機的IO口驅動蜂鳴器發聲，無論怎么調試蜂鳴器都不出聲音，以為是蜂鳴器壞了。后來經過翻閱相關資料，把三極管放大器加到系統上，然后蜂鳴器可以正常工作。軟件上也出現了很多問題，在經過不斷地改正以及調試后，最終心率計可以正常工作。以下是心率計工作時的照片，見圖5-1所示。圖5-1 心率計工作照片5.2 調試結果以下是我身邊的朋友以及同事的幾次測量結果，見標5-1所示。表6-1 心率計所測數據圖表實際的心率次數第一次測量心率次數第二次測量心率次數第三次測量心率次數第四次測量心率次數656067636560606258637065737070