基于单片机的数字心率测量仪设计

单淑慧 张博闻 王艺颖 安康 杨明 庞闯

【摘  要】本设计采用STC89C51单片机作为控制处理单元核心，红外传感器ST188作为信号检测传感器。当心率测量仪开始工作时，由于人体手指丰富的血管会随着心跳改变透光性，所以通过红外光电传感器可以检测出人体心跳所产生的脉冲信号。信号经过放大整形后，输入单片机内相应的控制单元。经过单片机程序计算出每分钟脉搏跳动次数[1]，然后直接显示在通过LCD1602液晶上。当心率异常超出正常范围时，设计发出声音报警，警报范围可以实时通过按键更改设定。本设计传感器可以直观有效的实时显示测量的心率结果。

【关键词】单片机;心率测量仪;红外光电传感器;液晶显示

数字心率检测仪作为医疗中不可或缺的一种基础医疗设施，正在向着大众化迈进。心率检测也作为一种新兴功能融合进新出现的可穿戴设备中。作为佩戴人日常身体健康监测数据之一，心率检测仪正以微缩化的身影融入进我们日常生活之中。因此，本文提出了一种有效的基于单片机的数字心率测量仪设计。

1.系统整体设计方案

本设计硬件部分采用模块化设计，主要由键盘输入模块、脉搏信号采集与处理模块、单片机主控单元模块、数据输出显示与报警模块、电源供给模块组成。由于人体手指丰富的血管会随着心跳改变透光性，光电传感器ST88收集这种随心跳而改变透光性造成的红外光光强信号，并转换成电信号。但由于这种信号较弱，所以信号处理电路将其放大、滤波、整形后传输进单片机主控模块。其次即可计算出心率数值。心率结果通过单片机接口传输给LCD1602显示出来，如果心率超出或低于警示范围值时，单片机会同时接通蜂鸣器驱动电路发出警报。电源电路向各个模块电路提供的电源，采用4.5～5V外置稳压电源。

本设计采用单片机STC89C51为控制核心，实现心率监测系统的基本测量功能[2]。该系统的硬件框图如图1 所示。

当手指放在ST188光电传感器上时，随着心脏的跳动，手指血管中血液的流量将发生变换，手指血管的透光性也随之改变，光电传感器ST88中红外光电二极管发出的红外光经过血管后被ST188中高灵敏度光电晶体管接受，而接受的光强会随着透光性的周期性改变而改变，因此ST88将这种随心跳而改变透光性造成的红外光光强周期性改变信号收集并转换成脉冲电信号，这种信号经过放大、滤波、整形后，输出到单片机电路，经单片机运算处理后将结果输出到LCD602显示出来，如果超出或低于报警范围值时，同时接通报警电路发出警报。

2.信号采集模块电路设计

信号采集电路的功能是由ST188传感器将心跳信号收集并转换为脉冲电信号，但一般此时的信号只有几十毫伏，有时甚至低至几毫伏，所以需要电路对信号进行数百倍的放大以达到电路后续信号处理电路所需的信号电压要求。脉冲信号经放大后一般为几伏电压。因此，信号彩激电路总体设计中需要光电传感器采集信号、放大电路、滤波电路、整形电路及其他部分。

并且整个信号采集电路如下图2所示。

本设计中采用ST188光电传感器采集心率信号，然后心率信号初步低通滤波，然后经过LM358搭建的功放电路进行放大，几微伏的信号被放大到几伏，然后通过有缘滤波电路将波去掉，得到脉冲信号，然后经过整形电路整形，就得到了可被单片机主控电路识别的心率信号。

3.系统软件总体设计

单片机上电后先进行定时器、液晶等的初始化，主函数会调用定时器初始化函数和液晶初始化函数，为程序正常运行做准备，此时液晶初始化显示“Hrart Rate：’’，并打开定时器，然后进入while循环。

当进行心率测量时，先进行定时器初始化，后续心率测量过程中定时器都设置为10ms检测一次心率信号。当定时器检测到有心率采集电路输送到的信号中断产生时，判定为有信号输入。但是考虑到有时会因为电源灯管灯光等外部因素的影响，心率采集到的高频的非心率信号，所以程序设计中采用定时器T0对信号进行扫描计数，只有连续4次扫描到脉冲信号才认定为心率信号，即采集到信号的产生时间只有大于等于30ms才会认定为心率信号。

当程序确定采集到的信号为心率信号后进行对信号的判断，如果此信号为第一次检测到心率信号，即计数器中心率计数为0，程序继续采集信号，直到采集到第二次认定为心率的信号为止;如果此信号为第二次检测到心率信号，即计数器中心率技术为1，则根据和上一次记录到心率信号时间差，计算出一分钟的心率数。然后输出到LCD液晶屏上，当心率数超出或低于报警范围值时，就会输出信号接通报警电路发出报警。

4.软件测量计算

设K个连续的动脉搏动所用时间为t（秒），在时间t内心率的平均值为n（次/分），则：n=60K/t。为了能够精确测定t值，本设计采用心率信号控制单片机的定时器T0定时（定时为1ms中断一次），单片机的工作寄存器对中断次数进行计数，然后读取计数值。设该计数值为N，对于K个心率周期内：t=0.001N化简可得：n=60k/0.001N=60000K/N。

即为本设计单片机测定每分钟心率值的数学模型（误差小于0.4%）。软件设计中K值可以通过修改单片机源程序更改。本设计考虑到心率测量的快速便捷，将K值设定为1。这样数字心率检测仪就可以实現人体心率的连续检测，检测出人体心率的实时值。倘若外接示波器的话，就可以对输出信号进行量化，显示出人体心率波形图。

总结语：

心率作为临床常规检查的重要生理指标之一，侧面反映出了人体很多心脑血管和心脏方面的健康信息。通过测量人的心率，便可初步判断人的健康状况。本设计可以方便快捷的测量心率，并在心率异常时发出警报，因此，本数字心率测量仪设计将能够得到很好的应用。

参考文献：

[1] 朱彤、李婉媚.脉搏波传导速度测定的新认识[J].医疗保健器具，2006.（8）.

[2] 刘文，杨欣，张铠麟.基于AT89C2051单片机的指脉检测系统的研究[J].医疗装备学报，2005，第17卷，第9期，2-14.

（作者单位：河南理工大学）