基于单片机的便携式心率测试仪的设计毕业设计.doc
《基于单片机的便携式心率测试仪的设计毕业设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的便携式心率测试仪的设计毕业设计.doc（45页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
本科学生毕业设计
基于单片机的便携式心率测试仪的设计
TheGraduationDesignforBachelor'sDegree
PortableHeartRateMeasuringInstrumentBasedonMCU
Candidate：
Specialty：
Class：
Supervisor：
LecturerLiJing
HeilongjiangInstituteofTechnology
2012-06·Harbin
黑龙江工程学院本科生毕业设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
3）其它
摘要
随着生物医学工程技术的发展,医学信号测量仪器日新月异。
生物医学测量与临床医学和保健医疗的联系日益紧密。
通过对人体各种生理信号的检测，能更好的认识人体的生命现象。
脉象包含丰富的人体健康状况信息,脉诊技术应客观化、定量化。
本设计利用光电式传感器,设计脉搏信号获取的方法。
本设计主要是基于单片机的便携式脉搏测试仪的具体实现方法，利用光电传感器产生脉冲信号，经过放大整形后，输入单片机内进行相应的控制，从而测量出一分钟内的脉搏跳动次数，快捷方便。
通过观测脉搏信号，可以对人体的健康进行检查，通常被用于保健中心和医院。
本设计所设计的基于单片机的便携式心率测试仪对推进脉诊技术客观化的实现具有积极的促进作用。
关键词：
脉搏；单片机；光电传感器；脉冲信号；便携式
ABSTRACT
Withthedevelopmentofthebiomedicalengineeringtechnology,themedicalsignalmeasuringinstrumentischangingeveryday.Biomedicalmeasurementandclinicalmedicineandhealthcareincreasinglycloseties.Wecouldbetterunderstandthephenomenonofhuman.lifethroughvariousphysiologicalsignaldetectionofthehumanbody.Pulseinclusionsrichstateofthehealthinformation,Byusingopticalsensors,Withthehighdevelopmentofelectronicsandcomputernowadays,thepulsediagnosingtechnologyshouldbeobjectiveandquantitive.thistextaccesstothepulsesignaldesignmethods.Thispapermainlyintroducestheconcreterealizationmethodfordigitalpulsecounter,whichusesphotoelectricsensorstogeneratepulsesignal.ThepulsesignalisamplifiedandregeneratedtoinputintoMCUtocarryoutcorrespondingcontrol,asaresultthepulsenumberperaminuteismeasured.Theuseofthepulsecounterisquickandconvenient.Throughobservingthepulsesignal,humanhealthcanbeinspected,itisusuallyusedinhealthcarecentersandthehospitals.Inmydesign,PortableheartratemeasuringinstrumentbasedonMCUhasapositiveroleinpromotingtheobjectiveofthepulsetechnology.
Keywords:
Pulse；MCU；PhotoelectricSensor；PulseSignal；Portable
V
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章引言 1
1.1概述 1
1.2基于单片机的心率测试仪的发展与应用 2
1.3本设计的主要内容 3
第2章整体方案分析 4
2.1任务 4
2.2要求 4
2.3系统的整体方案 4
2.4方案的对比和论证 4
2.4.1脉搏检测传感器的选择 4
2.4.2单片机的选择 6
2.4.3显示部分的选择 6
2.5设计时要考虑的问题 7
2.5.1环境光对脉搏传感器测量的影响 7
2.5.2电磁干扰对脉搏传感器的影响 7
2.5.3测量过程中运动噪声的影响 8
2.6本章小结 8
第3章硬件电路设计分析 9
3.1控制器 9
3.1.1AT89S52 9
3.1.2AT89S52的特点 9
3.1.3AT89S52的结构 9
3.2脉搏信号采集 12
3.2.1光电传感器的结构及原理 12
3.2.2信号采集电路 13
3.3信号放大电路 13
3.4波形整形电路 15
3.5单片机处理电路 15
3.6显示电路 16
3.7报警电路 17
3.8本章小结 17
第4章软件系统 18
4.1主程序流程 18
4.2定时器中断程序流程 19
4.3INT中断程序流程 20
4.4显示程序流程 20
4.5蜂鸣器报警流程 21
4.6本章小结 22
结束语 23
参考文献 25
致谢 27
附录 28
附录A整体硬件电路图 28
附录B程序 29
附录C外文翻译 35
第1章引言
1.1概述
多年来，心率测试仪在心脑血管疾病的研究和诊断方面发挥出显著的作用，它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。
临床上使用的心电监护仪虽然功能强大，测量精度高，但因为价格高昂，不利于家庭的普及。
就算是在医院，护士每天监控病人病情而进行的心率测试也是常用手测。
因为正常人的心率和脉搏跳动的次数是一样的，所以可以用测量脉搏的方法来测心率。
因此，本设计采用的是设计一种脉搏测试仪测量脉搏数从而实现心率的测量的方法。
脉搏测试仪是用来测量一个人脉搏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分,因此，在现代医学上具有重要的作用。
目前检测脉搏的仪器虽然很多，但是能实现精确测量、精确显示且计时功能准确等多种功能的便携式全数字脉搏测量装置很少。
随着人们生活环境和经济条件的改善，以及文化素质的提高，其生活方式，保健需求以及疾病种类、治疗措施等发生了明显的变化。
但在目前，我国的心脑血管疾病仍呈逐年上升趋势。
其发病率和死亡率均居各种疾病之首，是人类死亡的主要原因之一。
因此，认识、预防及早期发现这些疾病是十分必要的。
从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。
几乎世界上所有的民族都用过"摸脉"作为诊断疾病的手段。
脉搏波所呈现出的形态（波形）、强度（波幅）、速率（波速）和节律（周期）等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。
本设计旨在设计出一种以单片机为核心的一种实用型脉搏测量仪。
采用脉搏检测传感器对人体的脉搏进行数据采集。
得到的信号送入进行滤波、放大、整形等处理之后送入单片机进行处理。
单片机将采集到的脉搏数在数码管上实时显示出来，同时还设置了脉搏测量仪的上下限报警电路。
本设计首先描述本设计的整体思路，然后介绍各个部分设计中的细节问题，最后提出一些完善本设计的改进意见。
本设计所设计的基于单片机的便携式心率测试仪，系统性能良好，结构简单，性价比高，输出显示稳定，比较适合大众化。
适合家庭进行自我检测以及医院护士进行每日的临床记录。
这使我们在家中就可以测试心率从而能检测是否患有一些心血管疾病，做到早发现。
1.2基于单片机的心率测试仪的发展与应用
在我国传统中医学的诊断中，“望、闻、问、切”是最基本的四个方面。
而在其中，切，也就是脉诊，占有非常重要的地位。
通过脉诊，医生可以对患者的身体状况有一个大概的了解，进而对症下药。
脉搏信号可以直接反应出患者心脏的部分状况，我国传统中医学认为，通过脉诊可以了解到患者脏腑气血的盛衰，可以探测到病因，病位，预测疗效等。
鉴于脉诊的重要性，人们对于脉搏测量一直非常关注，早在1860年Vierordt创建了第一台杠杆式脉搏描记仪，国内20世纪50年代初朱颜将脉搏仪引用到中医脉诊的客观化研究方面。
此后随着机械及电子技术的发展，国内外在研制中医脉象仪方面进展很快，尤其是70年代中期，国内天津、上海、广州、江西等地相继成立了跨学科的脉象研究协作组，多学科共同合作促使中医脉象研究工作进入了一个新的境界。
随着科学技术的发展，脉搏测量技术也越来越先进，对脉搏的测量精度也越来越高，国内外先后研制了不同类型的脉搏测量仪，而其中关键是对脉搏传感器的研究。
而由于脉搏传感器的不同，现今市场上的脉搏测试仪的脉率采集主要有三种方法：
采用一对红色发光二极管实现、采用反射式的红外管实现和采用压电陶瓷芯片实现。
近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器，这类传感器的重要特征是测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，能够自动消除仪表自身系统的误差，测量精度高，通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。
脉搏测量仪的发展主要向以下几个趋势：
1、自动测量脉搏并且对所得到的脉搏进行自动分析
目前很多脉搏测量仪都具有检测血氧等其他的功能，但是对这些信号的分析和诊断还需要一些有经验的医生观察，进行分析后才能确认结果，浪费大量的人力，且由人为引入的误差较大。
因此，未来脉搏自动检测的内容将更加详细，自动分析诊断功能也更强大。
2、数字化技术等先进技术的应用
随着数字科学技术的发展，脉搏测量仪集成度将更高，更便于携带。
数字信号处理的运用将使干扰更小，测量更为准确。
3、多功能化越来越明显
目前的脉搏测量仪，一般都具有测试血氧，心电图等等功能，单纯的脉搏测量仪已经很少见。
随着电子技术的发展，脉搏测量仪必然可以实现更多的功能。
1.3本设计的主要内容
本设计以单片机为核心，由脉搏检测传感器采集脉搏信号。
经过前置放大电路、滤波电路、整形电路后得到与脉搏相关的脉冲信号。
该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行脉长周期的计算。
然后得到每分钟的脉搏搏动次数（即心率），并在数码管上显示心率，同时还设置了脉搏测量仪的上下限报警电路。
本设计的工作是围绕着脉搏检测传感器检测脉搏波而单片机进行控制进行的。
本设计的设计内容安排如下：
第一章为引言。
简要介绍了心率测试仪设计的目的和意义，并对基于单机的便携式心率测试仪的现状和应用以及未来的发转走势做了简单的阐述，指出了本设计的主要技术内容，即心率的测试。
第二章为整体方案的分析。
顾名思义第二章是对整个方案的详细的对比与选择并确定最终方案。
在确定方案之前我必须先明确本设计的任务与要求，之后是各个部分的对比选择。
第三章是本设计的核心。
在这里给出了整体的硬件电路设计思路，并且对电路的各个部分进行分析与解释。
第四章叙述程序的编程方案，给出程序的框架结构图并对整个设计进行总结，而且对以后的设计工作进行了展望。
第2章整体方案分析
2.1任务
基于单片机的便携式心率测试仪的设计。
本设计以单片机为核心，由光电传感器采集脉搏信号。
经过前置放大电路、滤波电路、积分和比较电路后得到与脉搏相关的脉冲信号。
该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行脉长周期的计算。
然后得到每分钟的脉搏搏动次数（即心率），并在数码管上显示，并且在超出设定的正常脉搏跳动范围时，驱动蜂鸣器报警。
2.2要求
（1）通过脉搏传感器采样脉搏信号，设计脉搏波检测电路，通过译码管来显数脉搏次数。
（2）将脉冲波送入单片机，采用单片机构成脉搏波检测仪，要求实现脉搏波次数超出设定时限时驱动蜂鸣器报警。
2.3系统的整体方案
本设计的系统模块可以基本划分为：
脉搏传感器部分、单片机处理电路部分、显示电路部分和报警电路部分。
本设计所设计的基于单片机的便携式脉搏测量仪将利用脉搏检测传感器采集脉搏信号，再对其进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目的，再通过报警电路可实现报警功能。
本设计结构硬件框图如图2.1所示。
图2.1硬件框图
2.4方案的对比和论证
2.4.1脉搏检测传感器的选择
传感器又称为换能器、变换器等。
脉搏传感器是脉搏检测系统中重要的组成部分。
1、光电式传感器
血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍，据此特点，采用光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号。
反向偏压的光敏二极管，它的反向电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性，在一定光强范围内，光敏二极管的反向电流与光强呈线性关系。
指端血管的容积和透光度随心搏改变时，将使光电三极管极管收到不同的光强，并由此产生的光电流均随之作相应变化。
常用检测脉搏的光电传感器一般是红外对管。
红外对管将对管夹于手指端部，通过手指的血液浓度会随着心脏的跳动发生变化，红外对管对应的信号便会发生相应的变化，采集此信号经过放大，滤波，比较等处理便可以得到理想的信号。
红外对管对脉搏的检测的基本原理：
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，组织的半透明度增大。
这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。
光电式传感器具有灵敏度高，易于操作，响应速度快，结构简单等优点。
虽然外部光源的变化对测量结果的影响较大，但我们进行测量的地方一般都是在室内，有稳定的光源，所以在正常的操作过程中只要稍微注意下光源的问题就可以了。
2、压电式传感器
目前常用的是一次性心电电极，它是用印刷方法制得的Ag/Agcl传感器。
这种传感器采用接扣与敏感区分离的方法，能明显的减少由于人体运动产生的干扰。
电极的好坏对采集到的心电信号质量起着至关重要的作用，采用的电极应有贴力强，能紧附在人体表面，柔软、吸汗、极化电压低、导电性良好等特点。
当选用电极传感器时，需要3个电极分别置于左右手和左腿，构成标准导联。
临床上为了统一和便于比较所获得的脉搏信号，在检测脉搏信号时，对电极的位置，引线与放大器的连接方式都有严格的统一规定。
目前市场上有一种采用新型高分子压电材料聚偏氟乙烯研制的压电传感器，其灵敏度高,频带范围好，结构简单，便于使用。
当手指前端受到轻微的压力时，可以感觉到手指前端在血压的作用下有一张一弛的感觉，将这个信号用传感器提取出来，转变为电信号，通过指脉的波形检测，就可以获得人体的脉搏信号。
压电式传感器有着结构简单，实时性好，工作频带宽，应用电路简单等诸多优点，并且价格低廉。
但压电式传感器直接与人体相接触，容易因为人体肌肉的颤动等而产生干扰。
而肌肉的颤动不是人能主动控制的，所以说这部分的误差很难控制。
并且使用压电式传感器测脉搏还容易受到外界其他信号的干扰。
3、集成传感器
当前，市面上有很多类型的集成心电传感器，其灵敏度高，集成度高，直接就可以反映出心率的变化，且已包含了滤波等抗干扰电路，波形经过放大可以直接处理使用。
缺点是价格非常昂贵，一般均在五百元以上，就本次设计来说，考虑到经费以及锻炼自己的目的，不选择使用该型传感器。
综合考虑种种情况，结合本系统的设计要求以及经费的考虑，本设计采用光电式传感器。
2.4.2单片机的选择
单片机的选择主要是在AT89C2051和AT89S52之间做选择。
1、AT89S52单片机
AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8K的系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司的高密度非易失性存储技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上的Flash允许程序存储在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
2、AT89C2051单片机
AT89C2051是一种低电压、高性能的CMOS8位微控制器，片内含2K字节可反复擦除的Flash只读程序存储器和128B的随机数据存储器，器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统。
芯片置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C2051在电子类产品中有广泛的应用。
经过比较，本设计采用AT89S52单片机。
2.4.3显示部分的选择
根据题目要求，设计出来的系统是可以设定报警的范围的。
在单片机的应用系统中，为了便于人们观察和监视单片机的运行情况，常常需要用显示器显示运行的中间结果、状态等信息，因此显示器也是不可缺少的外部设备之一。
显示器的种类很多，从液晶显示、发光二极管显示到CRT显示器，都可以与微机配接。
在单片机应用系统中常用的显示器主要有发光二极管数码显示器，简称LED显示器。
LED显示器具有耗电省、成本低廉、配置简单灵活、安装方便、耐振动、寿命长等优点。
但与LCD相比显示内容有限，不能显示图形，因而其应用有局限性。
LED数码管显示器是由发光的二极管显示字段组成的。
在单片机应用系统中使用最多的就是七段LED数码管，有共阴极和共阳极两种。
七段LED数码管显示器有8个发光二极
升级会员 