便携式心率监测仪的设计

五邑大学电子系统设计开题报告题目：便携式心率测试仪院系信息工程学院专业电子信息工程学号AP0905520学生姓名李晓勇指导老师陈鹏开题报告日期2011/10/12便携式人体心率监测仪的设计1摘要多年来，心率监测仪在心血管疾病的研究和诊断方面发挥出显著的作用，它们所记录的心脏活动时的生物电信号，已成为临床诊断的重要依据。

目前，检测心率的仪器虽然很多，但是能像本文设计的系统一样实现精确测量、便于携带、报警等多种功能的便携式全数字心率测量装置却不多。

本系统以AT89C2051单片机为核心控制芯片，光电式脉搏波传感器采集信号，以七段数码管作为显示系统，经信号处理电路后脉冲送入单片机，由数码管显示心率。

本文设计的人体心率监测仪使用方便，只需将手指端轻轻放在传感器上，即可实时显示出每分钟脉搏次数，特别适合体育训练和外出旅游等场合使用。

采用红外光学检测法，能够在运动的状态下进行心率测量。

该系统运行稳定，实时性强，安全可靠，系统通用性好，移植、扩展方便，同时具有功耗低，体积小，操作简单，便于随身携带等特点，适合家庭和社区医疗保健使用，对心血管疾病的早期诊断具有重要的意义。

目前，现代的医学电子仪器已不仅仅是单纯的医学电子测量仪器硬件系统，而是基于电子技术、计算机技术、数字信号处理技术的生理量检测和分析系统。

以往专门测量心率值的仪器较少，能提供心率变异指标的仪器更是寥寥无几。

人们为了知道自己的运动或劳动强度是否超负荷，尤其是老年人或运动员等，他们都得赶到医院而不能实时测量和预知。

而心电仪的出现，使心电图机进入家庭变成了可能，但基于心电工作站的模式，使个别地区的患者因医院分析诊断系统的不健全，而变得不适用；基于嵌入式及DSP的心电监护仪功能强大，但又因芯片价格的高昂而有悖于我国基本国情，不利于家庭的普及[4]。

因此，一种性能优良，带有自动监测、报警等功能，适合在家庭和社区条件下使用，同时适用于有隐性疾患的亚健康人群及各种作业环境下的劳动者，在其心率变异时，能及时发出警示的安全监护器，而又符合我国人均收入水平不高这一国情的心率监测系统的研制显得尤其重要。

基于这一目的，我设计的课题就是便携式人体心率监测系统的设计。

2系统统方案设计2.1 系统功能要求要求以AT89C2051单片机为核心控制芯片，光电式脉搏波传感器采集信号，以七段数码管作为显示系统，经信号处理电路后脉冲送入单片机，能够实现报警、数码管显示心率的频率等功能。

2.2 研究方法心率与脉搏的联系：心率与脉搏在身体正常的时候是相等的，只有在心脏出现疾病的时候出现。

因此心率测量问题可以转化为脉搏的测量，而脉搏的测量有更容易实现特点，在实际应用中得到广泛运用。

本监测系统的有效测量范围为50次－199次/分钟。

检测的基本原理是：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，组织则半透明度增大。

这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。

因此，本心率监测仪将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的上述部位，并用装在该部位另一侧或旁边的红外光电管来检测机体组织的透明程度并把它转换成电信号。

由于此信号的频率与人体每分钟的脉搏次数成正比，故只要把它转换成脉沖并进行整形、计数和显示，即可实时地测出脉搏的次数[6]。

2.3 设计方案(1)总体设计心率监测仪由单片机AT89C2051、复位电路、时钟电路、传感器与信号处理电路、显示电路和报警电路等组成，如图2.3所示。

图2.3心率监测仪系统总框图光电式脉搏波传感器从手指获取脉搏信号，通过前置放大和滤波电路，再经过波形变换电路后，将脉搏信号转换成脉冲信号传给单片机。

显示器将单片机处理后的信号显示出来，同时每次脉冲的到来均响铃，与脉搏同步。

(2) 传感器与信号处理电路的设计其原理是利用光电信号来测量脉搏容量的变化。

当血管内血容量变化时，组织对光的吸收程度相对发生变化，利用光电传感器可测出这种变化，该变化反映出血液动脉的基本参数情况（包括频率、幅度、脉搏波形状的改变）。

根据郎伯特－比尔（lambert-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在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。

光电式脉搏波传感器可分为反射型光电式脉搏波传感器和透射型光电式脉搏波传感器。

可利用发光二极管做光源，光敏晶体管做光检测器件组成光电式脉搏波传感器。

将发光二极管和光敏晶体管分别放在组织的两边（透射法）或同一侧（反射法），当被测处血管中的血液流动改变时，此处组织的透光率和反射率随之变化，光敏晶体管就可将此时引起的光线变化转换为相应的电信号。

反射型光电式脉搏波传感器：光源和光敏元件处于被测部位的同一侧，光源所发处的光线经指尖组织的反射有一小部分可以透过指尖组织和血液照射到光敏元件所在的窗口中，再由光敏元件检测出其变化，因此血液的搏动情况可以被描记，通常称这种传感器为反射型光电式脉搏波传感器[8]，其电路如图2.3所示。

图2.3反射型光电式脉搏波传感器光源和光敏元件分别处于被测部位的两侧，光源发出的光线可以经指尖部组织透射到光敏元件所在的窗口，从而由光敏元件检测出脉搏的波动信号，这样记录的波也有将其作为指尖容积波处理，通常称这种传感器为透射型光电式脉搏波传感器，其电路如图2.4所示。

图2.4 透射型光电式脉搏波传感器本设计选用透射型光电式脉搏波传感器，其电路如图2.5所示。

图2.5透射型光电式脉搏波传感器电路图因为传感器输出信号的频率很低，如当脉搏为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R14、C8组成的低通滤波器滤除高频干扰，当传感器与手指断开或检测到较强的干扰光线时，输出端的直流电压会出现很大变化，用C6、C7背靠背串联组成的双极性耦合电容把它隔断，滤除直流成分。

（3）前置放大与滤波电路运放IC1a将信号放大200倍，并与R11、C5组成截止频率为10Hz左右的低通滤波器以进一步滤除残留的干扰，其输出的信号是叠加有噪声的脉动脉搏波，此信号由滞回比较器（施密特触发器）IC1d转换成方波[9]。

该比较器的阈值可用P2调定在脉搏波的幅值范围之内，但对P2的调定要求并不严格，因为IC1d 的输出信号经C4、C3的微分后总是将正、负相间的尖脉冲加到单稳多谐振荡器IC1c的反相输入端，不会造成很大的触发误差。

当有输入信号时，IC1c在滞回比较器IC1d输入信号的每个下降沿到来时输出高电平，使C3通过R6充电。

大约持续20ms之后，因C3充电电流减小而使IC1c同相输入端的电位降低到低于反相输入端的电位（尖脉冲已过去很久），于是IC1c改变状态并再次输出低电平。

这长的脉冲是与脉搏同步的，并由红色发光二极管D14的闪亮指示出来。

同时，该脉冲电平通过R17送到单片机P3.3脚，进行对心率的计算和显示。

9v电源电压由R3、R4分压成4.5v，再经IC1b缓冲后用作IC1 a、IC1d、 IC1c 的参考电压，这样即使电池电电压降低到6v本电路也能正常工作。

其电路如图2.7所示。

图2.7 波形变换电路（4）显示电路选用七段共阴数码管作为数据显示器，单片机AT89C2051的P1口接数码管的a、b、c、d、e、f、g和dp引脚。

P3.0～P3.2接ULN2003的1B、2B和3B，ULN2003的1C、2C和3C分别接三个数码管的公共端子COM2 、COM1 和COM0。

当P3.0～P3.2其中有一个变为高电平时，分别驱动7SEG2、7SEG1 和7SEG0，此时从P1口输出经过单片机处理后的数据数码管就可以显示心率的次数（每分钟送一次数据），其中P3.3是对脉冲计数的。

8个220Ω的排阻接电源后接P1口，作限流用，维持数码管正常显示，当单片机复位时，使P1口电平全为高电平。

其电路如图2.9所示，本部分运用89C2051单片机作核心元件，在这里运用了单片机能更快更准确地对数据进行运算，而且可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。

ULN2003为内置达林顿管集成电路，作动态扫描时的选通驱动用。

来自传感下降沿到达时，单片机对两次脉冲间的时间进行运算得出心率，通过P1口把结果送到数码管显示出来。

同时，对每次脉冲的到来均响铃，与脉搏同步。

这样，就可以通过声光的形式和整形输出电路的脉冲电平输入单片机89C2051的P3.3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；当下一次脉冲的形象地把脉搏的快慢显示出来。

为避免干扰的影响，单片机对两个脉冲之间的时间间距进行检测，若发现有干扰则忽略该干扰而不显示。

图2.9 显示电路图（5）报警电路报警电路是对每次脉冲的到来均响铃，与脉搏同步。

这样，就可以通过声光的形式形象地把脉搏的快慢显示出来，其电路如图2.10所示。

图2.10 报警电路（6）时钟电路设计单片机内部时候方式如图2.11所示。

在单片机内部有一振荡器电路，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体，就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。

图中电容C9和C10的作用是稳定频率和快速起振，电容值在5～30pF。

晶振X1的振荡频率范围为1.2～12MHz，典型值为12 MHz 和6 MHz。

图2.12 时钟电路（7）复位电路的设计按键与上电复位电路如图2.13所示。

开机瞬间RESET引脚获得高电平，随着电容C11的充电，RESET引脚的高电平将逐渐下降。

RESET引脚的高电平只要保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作；另外，在单片机运行期间，还可以利用按键来完成复位操作。

图2.13 复位电路3、预期成果多年来，心率监测仪在心血管疾病的研究和诊断方面发挥出显著的作用，它们所记录的心脏活动时的生物电信号，已成为临床诊断的重要依据。

目前，检测心率的仪器虽然很多，但是能像本文设计的系统一样实现精确测量、便于携带、报警等多种功能的便携式全数字心率测量装置却不多。

本文设计的人体心率监测仪使用方便，只需将手指端轻轻放在传感器上，即可实时显示出每分钟脉搏次数，特别适合体育训练和外出旅游等场合使用。

采用红外光学检测法，能够在运动的状态下进行心率测量。

该系统运行稳定，实时性强，安全可靠，系统通用性好，移植、扩展方便，同时具有功耗低，体积小，操作简单，便于随身携带等特点，适合家庭和社区医疗保健使用，对心血管疾病的早期诊断具有重要的意义。

4、困难，措施设计过程中明显感觉到用汇编语言编写程序还没有达到熟练程度，在以后的学习中还需要加强程序的编写，尤其是单片机C语言。

硬件方面对电路理论、模拟电子技术和数字电子技术要求很高，而我的基础不够。