基于单片机的脉搏计设计与实现
脉搏心率测量仪在我们的日常生活中已经得到了非常广泛的应用。为了提高脉搏心率测量仪的简便性和实用性，本课题设计了一种基于51单片机的脉搏心率测量仪。设计以AT89C51单片机为核心，以红外反射式传感器ST188为检测原件，主要由电源模块，脉搏检测模块，信号处理模块，单片机控制模块等模块组成。在收集脉搏信号时，检测部位为人的手指，由红外反射式传感器ST188产生脉冲信号，经过电路滤波放大整形处理后，单片机对脉冲信号进行运算和处理得到脉搏心率跳动次数。系统运行时能显示脉搏心率次数。经测试，系统工作正常，达到设计要求。本设计体积小精度高，有很强的使用价值。关键词 脉搏测量，AT89C51单片机，红外反射式传感器
目 录
1 绪论 1
1.1 设计的意义 1
1.2 国内外发展情况 2
1.3 设计主要完成的工作 3
2 总体设计 3
2.1 设计原则 3
2.2 设计原理 3
2.3 设计结构图 6
3 硬件结构设计 6
3.1 电源模块 6
3.2 脉搏检测模块 7
3.3 信号处理模块 7
3.4 单片机控制模块 9
3.5 复位模块 11
3.6 晶振模块 12
3.7 显示模块 12
4 软件结构设计 13
4.1 主程序流程图 13
4.2 检测状态流程图 14
4.3 单片机中断流程图 15
4.4 显示流程图 16
5 仿真与调试 17
5.1 protel原理图绘制 17
5.2 Proteus仿真过程 20
5.3 系统调试 21
5.4 系统检测 22
6 结 论 25
7 致 谢 26
参 考 文 献 27
附录A：protel原理图 28
附录B：proteus原理图 28
附录C：主程序代码 30
1 绪论 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
21世纪以来，中国在经历了计划生育后，老年口在逐渐增加，新生儿的出生率在逐渐减少，中国已经有了人口老年化的趋势。中国的经济在飞速发展，但是环境却越来越差，人们对自己的健康越来越重视，尤其是老年人，对身体状况十分敏感。在此背景之下，设计一款能方便人们操作的单片机脉搏计，可以对自己的身体进行简单的检查。一般来说，当人身体出现状况时，脉搏的跳动就会出现不正常。在中国古代，脉搏就是中医掌握病人身体状况的重要依据，在现代医疗水平如此发达的情况下，脉搏依然为医生们提供诊断依据，每个人的脉搏都显示出一定的信息。脉搏跳动频率就是心脏跳动的频率，如果要获得比较准确的脉搏跳动频率，需要在人体皮肤比较薄，距离脉搏比较近的部位进行测量，测量部位的第一选择是手腕，所以中医一般都是在手腕部位测量病人的脉搏；第二选择是耳朵或者脚部背面的动脉。在测量脉搏跳动时要有平和的心态，不能过于激动，呼吸节奏要保持平稳，因为无论是心情激动的情况，还是呼吸不平稳都会使读取到的脉搏跳动频率不准确，对脉搏准确的测量方法是用食指，中指和无名指拢平着放在腕动脉搏动的地方，用指头感觉并默记脉搏跳动数，时间限制为整一分钟。一般来说女性每分钟的脉搏数比男性高，成年男性的脉搏数每分钟为70到80之间，儿童的脉搏数每分钟90次左右。新生儿的脉搏每分钟达到140次左右。
1.1 设计的意义
通过设计一个脉搏测量工具，直观的得出脉搏数值，了解被测人员此时的身体状况。传统上，医生是通过听诊器来检查病人的心跳，由此得到病人的脉搏心率，然而这种方法对医护人员有一定的要求，医护人员需要有丰富的经验才能准确的判断出病人的脉搏心率。而且病人在接受测量时也会因为自身由于对病情的紧张，周围人员的打扰，脉搏会有很大的波动，所以需要一款便于操作，测量精度较为准确的装置。脉搏测量已经运用于很多领域，最主要的就是医疗领域了，除此之外，脉搏测量也运用在运动领域。众所周知，人在剧烈运动后，脉搏跳动会增加，经过长期的锻炼，人的心脏射血量增大，对这些经常锻炼的人来说，一般性的活动，脉搏跳动就不会变化的那么明显，但是人在锻炼时超出正常值太多，心脏负荷就会非常大，所以需要对脉搏进行监测来提醒人们不要长时间剧烈运动。在医疗发面，这款设计不仅仅是为了方便医生护士的检查，更为了老人在家进行自检，方便老人们了解自己的身体状况。
1.2 国内外发展情况
从20世纪中期开始就已经有大量科研人员投入到脉搏测量仪的研发当中。脉搏测量仪最核心部分就是脉搏信号的分析，在传感器技术和单片机技术不断发展的情况下取得了很大的突破。最早的时候是通过以弹簧为动力的杠杆式脉搏观测仪来研究脉搏跳动，之后的国内外研究都把重点放在了将脉搏跳动的信号转换为电信号，并以此为依据来研究脉搏。如何将细微的生物信号转换为电信号就成为了科研人员的难题，所以脉搏信号收集传感器就应运而生，主要有压力式，应变片式，光学感应式。美国的VIVOMETRICS公司在压力式方面做得非常好，已经推出了一款可穿戴的各项体征测量服，测量服通过在手腕，胸部，腹部以及腋下部位的压力传感器搜集体表各项参数的变化，并详细记录，在医院里得到了大量应用。美国就有超过三千的医院采取这项系统为病人进行治疗，不过缺点很明显，就是穿戴不舒适，不宜在正常生活中使用。VIVOMETRICS公司随后也推出了在日常生活中易于穿戴的测量服，影响却不是很大。应变片式在国内得到大量运用，应变片受力改变后，应变片材料的电阻会产生细微的变化，相对于本来变化就不是很明显的脉搏信号，通过电阻的变化来检测脉搏就比较困难，所以应变片式的实现就很困难，要求比较高，北京医疗器材研究中心是这方面的权威，推出了各种型号的人体参数测量仪器，但是单一测量脉搏的仪器并不多。各种应变片式的主要区别就是探头的样式和探头的材料不同。探头拥有单点式，多点式，直接接触式，间接接触式，光敏材料式等等。国内有很多厂家生产的这类脉搏分析仪都是作为教学使用，实际用于医疗的并不是很多。现在国内外最火热的就是光学感应式脉搏测量分析仪，外国这方面的研究比较先进，已经推出很多种光电脉搏测量仪器。在美国较为突出的是由KRISTAN设计的一款笔状脉搏计，它只需放在人的手腕，心脏这类易于测量的部位，就会根据10秒内的生物信息得到脉搏参数，多次测量后还会生成检查报告。除此之外，现在苹果公司的手机也提供了一款APP能用摄像头进行简单的脉搏测量，摄像头的脉搏检测虽然不太准确，但也受到用户的欢迎，这款APP在APPSTORE已经有了100多万的下载量，之后苹果推出的IWATCH也带有脉搏测量功能。这表明了便携式脉搏测量仪具有一定的市场潜力。国内使用的光电式脉搏测量主要是指套式，测量精度很高，指套内部拥有一对红外光发射接收装置，根据红外光穿过手指的强度变化来计算脉搏。经过多年技术的提高，脉搏测量技术已经很成熟，各种脉搏测量仪器经过不断地改进，实现医用化和商业化，逐渐得到人们的认可。
目 录
1 绪论 1
1.1 设计的意义 1
1.2 国内外发展情况 2
1.3 设计主要完成的工作 3
2 总体设计 3
2.1 设计原则 3
2.2 设计原理 3
2.3 设计结构图 6
3 硬件结构设计 6
3.1 电源模块 6
3.2 脉搏检测模块 7
3.3 信号处理模块 7
3.4 单片机控制模块 9
3.5 复位模块 11
3.6 晶振模块 12
3.7 显示模块 12
4 软件结构设计 13
4.1 主程序流程图 13
4.2 检测状态流程图 14
4.3 单片机中断流程图 15
4.4 显示流程图 16
5 仿真与调试 17
5.1 protel原理图绘制 17
5.2 Proteus仿真过程 20
5.3 系统调试 21
5.4 系统检测 22
6 结 论 25
7 致 谢 26
参 考 文 献 27
附录A：protel原理图 28
附录B：proteus原理图 28
附录C：主程序代码 30
1 绪论 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
21世纪以来，中国在经历了计划生育后，老年口在逐渐增加，新生儿的出生率在逐渐减少，中国已经有了人口老年化的趋势。中国的经济在飞速发展，但是环境却越来越差，人们对自己的健康越来越重视，尤其是老年人，对身体状况十分敏感。在此背景之下，设计一款能方便人们操作的单片机脉搏计，可以对自己的身体进行简单的检查。一般来说，当人身体出现状况时，脉搏的跳动就会出现不正常。在中国古代，脉搏就是中医掌握病人身体状况的重要依据，在现代医疗水平如此发达的情况下，脉搏依然为医生们提供诊断依据，每个人的脉搏都显示出一定的信息。脉搏跳动频率就是心脏跳动的频率，如果要获得比较准确的脉搏跳动频率，需要在人体皮肤比较薄，距离脉搏比较近的部位进行测量，测量部位的第一选择是手腕，所以中医一般都是在手腕部位测量病人的脉搏；第二选择是耳朵或者脚部背面的动脉。在测量脉搏跳动时要有平和的心态，不能过于激动，呼吸节奏要保持平稳，因为无论是心情激动的情况，还是呼吸不平稳都会使读取到的脉搏跳动频率不准确，对脉搏准确的测量方法是用食指，中指和无名指拢平着放在腕动脉搏动的地方，用指头感觉并默记脉搏跳动数，时间限制为整一分钟。一般来说女性每分钟的脉搏数比男性高，成年男性的脉搏数每分钟为70到80之间，儿童的脉搏数每分钟90次左右。新生儿的脉搏每分钟达到140次左右。
1.1 设计的意义
通过设计一个脉搏测量工具，直观的得出脉搏数值，了解被测人员此时的身体状况。传统上，医生是通过听诊器来检查病人的心跳，由此得到病人的脉搏心率，然而这种方法对医护人员有一定的要求，医护人员需要有丰富的经验才能准确的判断出病人的脉搏心率。而且病人在接受测量时也会因为自身由于对病情的紧张，周围人员的打扰，脉搏会有很大的波动，所以需要一款便于操作，测量精度较为准确的装置。脉搏测量已经运用于很多领域，最主要的就是医疗领域了，除此之外，脉搏测量也运用在运动领域。众所周知，人在剧烈运动后，脉搏跳动会增加，经过长期的锻炼，人的心脏射血量增大，对这些经常锻炼的人来说，一般性的活动，脉搏跳动就不会变化的那么明显，但是人在锻炼时超出正常值太多，心脏负荷就会非常大，所以需要对脉搏进行监测来提醒人们不要长时间剧烈运动。在医疗发面，这款设计不仅仅是为了方便医生护士的检查，更为了老人在家进行自检，方便老人们了解自己的身体状况。
1.2 国内外发展情况
从20世纪中期开始就已经有大量科研人员投入到脉搏测量仪的研发当中。脉搏测量仪最核心部分就是脉搏信号的分析，在传感器技术和单片机技术不断发展的情况下取得了很大的突破。最早的时候是通过以弹簧为动力的杠杆式脉搏观测仪来研究脉搏跳动，之后的国内外研究都把重点放在了将脉搏跳动的信号转换为电信号，并以此为依据来研究脉搏。如何将细微的生物信号转换为电信号就成为了科研人员的难题，所以脉搏信号收集传感器就应运而生，主要有压力式，应变片式，光学感应式。美国的VIVOMETRICS公司在压力式方面做得非常好，已经推出了一款可穿戴的各项体征测量服，测量服通过在手腕，胸部，腹部以及腋下部位的压力传感器搜集体表各项参数的变化，并详细记录，在医院里得到了大量应用。美国就有超过三千的医院采取这项系统为病人进行治疗，不过缺点很明显，就是穿戴不舒适，不宜在正常生活中使用。VIVOMETRICS公司随后也推出了在日常生活中易于穿戴的测量服，影响却不是很大。应变片式在国内得到大量运用，应变片受力改变后，应变片材料的电阻会产生细微的变化，相对于本来变化就不是很明显的脉搏信号，通过电阻的变化来检测脉搏就比较困难，所以应变片式的实现就很困难，要求比较高，北京医疗器材研究中心是这方面的权威，推出了各种型号的人体参数测量仪器，但是单一测量脉搏的仪器并不多。各种应变片式的主要区别就是探头的样式和探头的材料不同。探头拥有单点式，多点式，直接接触式，间接接触式，光敏材料式等等。国内有很多厂家生产的这类脉搏分析仪都是作为教学使用，实际用于医疗的并不是很多。现在国内外最火热的就是光学感应式脉搏测量分析仪，外国这方面的研究比较先进，已经推出很多种光电脉搏测量仪器。在美国较为突出的是由KRISTAN设计的一款笔状脉搏计，它只需放在人的手腕，心脏这类易于测量的部位，就会根据10秒内的生物信息得到脉搏参数，多次测量后还会生成检查报告。除此之外，现在苹果公司的手机也提供了一款APP能用摄像头进行简单的脉搏测量，摄像头的脉搏检测虽然不太准确，但也受到用户的欢迎，这款APP在APPSTORE已经有了100多万的下载量，之后苹果推出的IWATCH也带有脉搏测量功能。这表明了便携式脉搏测量仪具有一定的市场潜力。国内使用的光电式脉搏测量主要是指套式，测量精度很高，指套内部拥有一对红外光发射接收装置，根据红外光穿过手指的强度变化来计算脉搏。经过多年技术的提高，脉搏测量技术已经很成熟，各种脉搏测量仪器经过不断地改进，实现医用化和商业化，逐渐得到人们的认可。
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