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摘 要

为实现探究心率脉搏计的应用领域，测量心率能够高效的进行，在节省时间的同时准确显示心率相关状况是否存在异常的目标， 本文设计了一款操作简单、运行稳定、可靠性高的心率脉搏计。
本设计使用STC89C51单片机作为控制核心，结合ST188光电传感器检测，再借用单片机系统的内部计时器计算时间。其大致的步骤为通过ST188光电传感器感应生成脉冲，心跳次数由单片机累计所得，其对应的时间根据定时器获取。本设计使用的时候可以展现脉搏心率次数当其终止使用的时候可以展示总的脉搏心率次数以及时间长短。由于一些现实状况的存在我们应当实施下述的相关内容：一是了解系统功能的同时可以进行需求分析；二是机体内部生物信号大都在充满噪音状况里，频率和信号很弱，应该放大并且进行滤波处理；三是所有的硬件设备以及对弱信号的处理都应整合在一起，这样能够让人体脉搏信号转化为电信号。还能够通过C语言这种方式进行编程，而且实现构建屏显等作用。
相关结果能够说明，心率脉搏计设计在技术方面有一定的可行性，基本上符合精度标准。能够确保基础脉冲测量功能的同时又可以确保测量的精准度且使用单片机控制确保了系统准确稳定。传感器采用光电传感器，大大降低了外界干扰信号的干扰。显示器运用液晶显示器，显示效果更好，且易于操作。

关键词：心率脉搏计；STC89C51单片机；红外反射式传感器

1 控制系统设计

1.1 系统方案设计
心率脉搏检测系统可以使用一个主控制器来完成，主控制器是联系各个模块的桥梁，更是整个系统的控制中心。经过资料采集，本系统可供选择的有单片机控制和DSP控制两种方案，具体方案如下：
方案一：使用单片机作为主控制芯片。单片机是一种具有普通微处理器所没有的功能的集成电路芯片，能单独完成现代产业要求的控制功能。单片机的体积非常小但功能很强大，单片机将微处理器(CPU)、记忆体(RAM和ROM)、输入/输出电路(I/O)整合到同一芯片中[3]。单片机作为主控芯片的系统结构图如图1.1所示，整个系统是采用单片机作为本设计的控制部分，该系统主要有单片机、传感器和显示器构成。人体检测心率脉搏时，通过传感器采集输出脉冲信号，传递给单片机，单片机经过计算输出给显示电路进行显示。

图1.1 基于单片机的心率脉搏检测系统结构图
方案二：以TI公司生产的DSP芯片作为核心。SP称为数字信号处理器，是分析、转换、过滤、检测、调制、解调和高速算法分析信号的组件。其主要是完成模块之间的通信，例如键盘读取、音频编码芯片和屏幕初始化、通过屏幕显示数字编解码器芯片操作状态等。该系统主要由脉冲信号调理电路、光电脉冲传感器以及DSP实时检测和处理系统三部分组成。如图1.2所示，当传感器采集到人体生理脉搏信号时，信号就会经调理电路传送到DSP系统中，实现心率脉搏的检测。

图1.2 基于DSP的心率脉搏检测系统结构图
综上，DSP的运行速度很快，但其控制算法相对复杂。而单片机的系统的控制方法相对简单，且可靠性高、价格较低、功耗低，虽然单片机相比DSP功能比较简单，但是完全满足本设计需求。因此本设计所选用的主控芯片是单片机。
1.2 系统总体设计
该设计控制器核心选用的是单片机，用来实现脉搏心率计的测量功能。相关硬件框图如图1.3所示。

图1.3 心率脉搏计工作原理

2 硬件设计

2.1 主控电路
2.1.1 主控单片机选择
此次设计选用单片机作为主控制器，为了保证系统更好的运行，应选用性价比高、可靠性高、低功耗的控制器，以防止器件的损坏，影响系统的运行。由于单片机在整个设计中相当于人体的心脏，是本设计的核心，基于此有以下两种方案可供选择：
方案一：使用STC89C51单片机作为主控制芯片。此系列单片机是STC公司推出的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器的51内核的单片机，它是系统中包含Flash程序存储器模块的可编程芯片，该器件包含4K字节的只读程序存储器，可重复擦除1000次[5]。该芯片由8位通用CPU和ISP闪存单元组成。该器件的基本功能与普通的51单片机能够全部兼容。STC89C51系列单片机是一个能量消耗较低的新型单片机，它具有的开发简单、可在线编程下载、成本低是非常不错的选择。
方案二：使用MC9S12DG8单片机作为主控制芯片。它是Motorola的M68HC12系列16位微控制器之一，内部结构主要由单芯片微计算机的基本部分和CAN功能块部分组成，可专门用于计数，一般用于手机、便携式医疗器材等领域[9]。但是开发难度相对比较大、价格昂贵。
综上，与MC9S12DG8单片机相比，STC89C51单片机开发难度较低、稳定性高，并且价格低廉没有造成资源浪费，因此选择了方案一作为本设计的主控制器。
2.1.2 STC89C51单片机引脚说明
STC89C51单片机有两种封装形式[6]：PDIP（40个引脚）和PLCC（44个引脚）。如图2.1所示。本设计中采用的是直插式的PDIP封装形式。

图2.1 STC89C51封装形式
2.3.2 光电传感器
脉搏心率一般情况下通过机体动脉舒张以及收缩生成，机体指尖组织里的动脉成分含量相对较高，并且指尖厚度相对来讲偏薄，透过手指之后获取的光强总体偏高，所以一般情况下光电式脉搏心率传感器的测量部位位于机体手指部位[14]。
光电传感器可以划分为红外发光二级管以及红外接收三极管这几个部分。光电传感器依据光接收的方式能够划分成透射式和反射式。两种形式中透射式的发射光源和光敏接收器件的距离基本一致，而且能够均匀分布，接受透射光。反射式发射光源与对光敏感的接收装置在同一侧，受到精密测量脉搏信号的反射光。因此，该系统使用反射光电传感器。结构如图2.10所示，实拍图如图2.11所示。

图2.10 反射式光电传感器结构图

图2.11 反射式光电传感器实拍图
光电传感器的检测原理为心脏搏动的过程中机体组织半透明度会发生一定的变化：在血液送至机体组织的时候其半透明度会在一定程度上下降，在血液流回心脏的时候组织半透明度会在一定程度上上升；其在机体手指尖以及耳垂等位置显示的最为显著。
所以此次设计把红外发光二极管生成的红外线照射至手指位置，通过手指的反射以及衰减，通过光敏三极管接受透射光同时转化为电信号[16]。由于手指动脉血在血液循环中周期性波动，因此光的反射和衰减呈现出相同的变化趋势。在这种情况下，红外接收晶体管输出信号的变化表明了动脉血的变化。

3 软件设计

3.1 软件开发环境的介绍
本设计采用Keil μVision4进行编程。Keil C51是由Keil Software 公司在美国开发的与51系列兼容的单片机C语言软件开发系统。该软件提供了丰富的库数据和功能强大的集成开发调试工具，正因为它的集成环境很方便并且适用于STC89C51单片机[20]，所以我们适用Keil μVision4来实现心率脉搏计的软件设计。如图3.1所示，为Keil μVision4软件运行界面。

图3.1 Keil μVision4软件运行界面
3.2 系统重要函数介绍
3.2.1 系统主程序设计
本设计的主程序是控制单片机系统在规定的操作模式运行，其为单片机系统程序的框架。其中一个重要的部分是设置采样6s和计时l00ms。系统使用计时器T1实现100毫秒的计时，中断等待是运行程序的大部分时间的死循环语句，仅在中断满足条件的情况下运行中断服务子程序求和。计数结束后，如果采样数为60以下，则返回到6s，继续采样，等待中断，等待达到60次方可停止，达到要求后再将采样结果的二进制变为十进制，再发送至液晶显示。流程如图3.2所示。

图3.2 主程序流程图
3.2.2 中断程序设计
定时器中断服务程序的构成可以划分为1min计时、按键检测、是否存在测试信号判断。在该程序运行之后开始进行1min计时，1s计时后接着检测下一秒，在1min之后终止同时测取的脉搏心率次数[21]。另一方面能够检测相应的按键，假如复位测试值便能够再次进行测试。关键目标为1min的定时功能以及储存获取的脉搏心率次数。流程如图3.3所示。

图3.3 定时器中断程序流程图

4 系统调试

4.1 系统硬件调试
根据理论设计电路图，来设计制作硬件电路。系统硬件电路的调试主要检测电路的焊料泄漏、断线、焊接、短路、接通电源后是否正常运行等。当板子焊好后首先要根据电路图仔细检查一下，看看有没有漏焊的情况，同时要看需要连接的线路有没有都连上，特别要注意电源线和地线的连接。
断线、焊接、短路时可通过数字万用表检测，检查时需要细心注意和耐心，不要急躁。用2根表笔检测需要检测部件和导线的两端，导通时蜂鸣器鸣响，断开时不鸣响。这样，可以根据我们所需要的检查情况，结合检查的现象，检查线路是否有问题。
成功下载程序后，通电发现LCD1602液晶显示器上未显示任何内容，对着电路图仔细检查电路发现光电传感器的位置漏焊；经过修改之后液晶显示器可以显示当前的读数。实物通电后如图4.1所示。

图4.1 实物展示图

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