基于单片机的数字心率计设计

基于单片机的数字心率计设计
摘要:本论文中的心率计采用光电传感和放大滤波技术制作出一个光电脉搏探头,然后经过A/D转化把信号传送给主芯片STC89S52单片机作信息处理后送LCD液晶显示屏显示,LED发光二级管发光报警指示。

该电路能够有效地抑制干扰、提高精度,得到较理想的脉搏波信号,具有低功耗低成本的特点。

关键词:单片机STC89S52 光电传感器LCD液晶显示屏LED发光二极管
为了提高心率测量的精确与速度,多种心率测量仪被运用到医学上来。

心率计很快产生,并得到发展。

随着人们的生活节奏加快、单片机技术的发展,设计一种以使用方便为前提,能够快速测出人心率的心率计,不仅是临床者的欲求,也是体育训练者和外出旅游者的需求,因此,心率计有着广阔的市场前景。

它的设计为现代社会人们的生活带来了诸多便利,在提高人们的生活质量、防治疾病的产生有一定的作用。

1 硬件设计与实现
数字心率计主要是通过光电传感器采集外界人体心率后经信号的滤波放大比较处理再单片机控制液晶显示屏显示,达到理想测心率和显示输出效果。

数字心率计的总体设计电路框图如图1所示,主要包括取样电路、放大滤波电路、整形电路、单片机处理电路和显示电
路。

先用红外光电传感器采集与心跳同频率的信息,当人体组织半透明度的数值较大时,红外光电二极管发射出的透过人体组织的光强度很弱,光敏三极管无法导通,所以输出端为高电平;当人体组织半透明度的数值较小时,红外光电二极管发射出的透过人体组织的光强度较强,光敏三极管导通,输出端为低电平,这样就形成了频率与心率次数成正比的低频信号,它近似于正弦波形。

脉搏为50次/分时,频率是0.78 Hz,199次/分时,频率是3.33 Hz,从传感器过来的是低频信号。

该低频信号首先经滤波电路以消除高频干扰,再经过二级线性放大器,放大器将信号放大后,再进行比较得到脉冲信号,该脉冲信号通过P3.2口送到单片机后,软件对信号进行处理,最后在液晶显示屏上显示数值。

数字心率计是以单片机STC89C52来作为最小系统的控制器。

采集电路用红外发射和接收装置来采集人体的心率。

按人体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作为放大电路。

比较电路是利用电压比较器和电容的充放电来实现的。

单片机处理电路运用了ATMEL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。

显示模块电路运用的是工业字符型液晶LCD1602,它能够同时显示16×2即32个字符(如图1)。

2 软件的设计与实现
系统的运行程序采用C语言编写,采用模块设计,整体程序由主程序、定时中断流程、INT中断、液晶显示以及电机控制等子程序模块组成。

主程序流程图如图2所示。

3 软件测试
软件的测试结合Proteus仿真软件完成,根据之前的各模块进行初始化设置,在编写程序前,要先对各个模块分别进行调试,并编写各部分的子程序。

测心率时,用了给定的信号进行模拟心率传感器采集的信号,由P3.2口输入单片机,通过改变输入信号的频率,看LDC1602的显示。

然后观察采到的数据是否正常,黑线是否稳定,以及发光二级管是否正常发光。

4 抗干扰措施及使用方法
4.1 抗干扰措施
为了提高测量仪的精确度,系统首先要解决的是硬件方面的干扰问题。

光电式心率测量仪的测量过程中,前端测量到的心率信号十分微弱,容易受到外界环境干扰,其中主要的干扰源有测量环境光干扰、电磁干扰、测量运动噪声。

4.2 测量仪使用方法
测量仪通电后,默认状态下是“普通人测试模式”,接上传感器和电源,界面显示“Young man 000”,第二行显示“normal”表示当前状态是初始状态。

需要测试,直接将手指头至于传感器中间,等待约20秒即可得到测试结果次数并对测试结果做判断。

此模式下可以按K2进入到“儿童测试模式”;K3进入到“老年人测试模式”,测试方法和前面相同。

当测试满足要求时,液晶第二行显示“normal”;当高于或低于上限时或显示“abnormal”;当测试次数小于40次时,表示脉搏采集失败,显示“error。

”
5 误差分析
由于传感器和其他器件本身并非理想线性,实测数据进行了线性补偿。

误差分析:经校准,非线性补偿后,误差已基本达到要求。

6 结论
该设计从节能、经济、方便的角度出发,以STC89C52单片机来对采集到的心率信号进行处理。

以上内容详细地介绍了整个过程中的方案论证、硬件原理、软件控制流程。

此数字心率计实现了心率多少的精确检测,以及不同测量人群心跳是否正常的显示以及指示灯的报警,具有一定的医学研究价值。

参考文献
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