智能心率监控设备的研发
摘 要本论文以智能心率计作为研究目标，以嵌入式操作系统为实现平台，实现了心率智能监测。嵌入式操作系统作为当下最为流行的一种微处理器系统，在智能电子设备中也有优秀的实现效果。本论文设计的这种型号的心率计控制系统实现了心率值的快速检测，并且具有报警功能。搭配一体化的集成处理器设备，参数显示电路，蜂鸣器报警电路等，实现了各模块的硬件系统。通过C语言软件程序代码使单片机调动IO管脚对每个功能电路模块进行了高效的驱动。本课题在系统硬件上尽量采用较小的器件模块来，把这款心率计控制系统的外形尽量减少。在软件的开发方面，本课题采用的是边编写边断点调试的开发模式，一定程度上提高了软件系统的开发速度，同时兼顾了编程代码的正确性，降低了问题代码段的出现概率。
目录
一、 引言 1
（一） 心率监控设备的发展背景 1
（二） 心率监控设备的国内外发展现状 2
（三） 本文主要研究内容 2
（四） 设计意义 3
二、 心率监测原理简介 4
三、 方案设计及元器件选择 5
（一） STC89C51单片机简介 5
（二） 红外对管介绍 5
（三） LCD1602液晶屏简介 6
（四） 有源蜂鸣器简介 6
（五） 机械按键介绍 7
四、 系统硬件设计 8
（一） 心率计系统框图设计 8
（二） 最小系统电路设计 8
1. 复位电路设计 8
2. 时钟电路设计 9
（三） 红外对管电路设计 9
（四） 液晶显示电路设计 10
（五） 报警电路设计 11
（六） 按键电路设计 11
五、 系统软件设计 13
（一） 心率计的主程序流程设计 13
（二） 液晶显示流程设计 14
1. 写数据流程 14
2. 写指令流程 14
（三） 报警流程设计 15
六、 实物安装 16
总结与展望 18
参考文献 19
致 谢 20
附录一 原理图 21
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
/> 附录二 PCB 22
附录三 元件列表 23
附录四 程序 24
引言
心率监控设备的发展背景
在最近短短一二十年时间内，微处理器技术和传感器技术的快速发展给心率计控制系统的发展带来了新的时代，智能识别、大数据快速运算等性能使得心率计控制系统被重新定义，智能概念的开始笼罩着这类心率计系统，这些新型功能和强大的数据处理性能给用户的生产生活带来了极大程度的方便，使用者只需通过简易的操作就可以完成前所未有的非常多新型功能，这些新功能在以往的传统心率计控制系统中是没有办法看到的。伴随着科学技术的快速发展和电子技术的渐渐趋向于传感化和智能化，人们生活中的绝大多数经常使用的东西都将逐步被电子系统给取代掉，这是人类社会的一个明显的发展趋势，就如本课题所要设计的该心率计系统，它也是一种出现较为早的系统，尽管如此，随着时间的迁移，它一直不断地跟随着电子技术的发展速度而一起发展，如今它已不再是那个老式的只能实现几个简单功能的心率计控制系统了。
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图1 智能心率计
心率计系统的快速发展，使使用者对数据处理和其它智能特性提出了愈发高的要求，而要完成这些近似苛刻的期望，重要的重点技术是提升它的里面微处理器重要部分的性能，一些早期的心率计系统是以8位微处理器作为主控器件的，该内核在单位时间内仅仅能够对8比特的二进制数据进行运算，这种运算性能相比于现如今大肆流行的32位机和64位机来说，可以说是小巫见大巫了，所以曾经在该数据运算能力下，心率计控制系统只能够实现几项简单的功效。快速发展的经济在实质上是对人们生活的根本改变，此过程可以很好的反映在人们对心率计系统的见解上，过去人们仅仅满足在该器件的几项简单功能，而在所有都成熟后，不同的用户对于心率计控制系统都有一套自己的见解，良好的人机交互界面、友好的数据交互接口以及愈加智能的运行方式在一定程度上迎合了使用人员的常见追求。
近些年来32位内核研发技术的快速发展使得控制芯片进入了高速运算时代，这项技术的成熟无疑给心率计系统带来了上帝的福音，好似受到了最强劲的加持，在数据运算能力上相对于过去的8位机就提升了4倍，那么这给心率计系统的指标带来了不只是指标上的提升，更给控制系统赠予了更加流畅的工作性能。本课题的设计目标是一种高性价比心率计系统，但是并没有采用32位处理器来作为主控，只是选用STC89C51单片机来进行操控，仅仅是通过这款8位单片机的处理，就已可以对很多现有产品进行改进了。
心率监控设备的国内外发展现状
国内外非常多企业和大型半导体公司都有对心率计系统的研究，这其中美国的亚德诺和德州仪器都有推出的用作构建心率计系统的集成芯片，因为当前这部分芯片只被少部分应用，从而芯片还不能获得普及所以价格迟迟下不来，而国内某些公司也开始着手对该芯片的研发和构建。综合对比了如今市面上中低高端三个不同档次的心率计控制系统产品的成本来看，高端档次和中低端的系统在价格方面差距比较大，通过对资料文献的查看可以发现，这这其中主要的原因不外乎在于设计心率计系统的重点技术只掌握在少部分企业手中。为打破这一局面，越来越多的开发者开始了对心率计系统的设计，好多研究者考虑更换更高性能的微处理器，替换掉此前的低端控制器，因为这是重要部分，从而此办法取得了很大成果。
本文主要研究内容
本次论文以心率计控制系统的研究现状为背景，提出了一款能够通过STC89C51单片机当作主控核心的心率计控制系统，这种系统具有比市场上多数相关产品更低的耗能和成本，下列为本课题将要实现的研究内容。
能够实现心率的快速测量。
误差率要求小于1%。
具有液晶显示功能。
具有正常心率范围设置功能，当心率超过正常范围时，发出报警信号。
设计意义
考虑到当前心率监控设备的发展现状，本课题拟决定结合大学期间所学的各学科专业知识对心率监控设备控制系统进行一次优化设计，通过单片机作为主控核心并结合其他传感器，能够实现一款性能高于市面上大多数系统的心率监控设备系统，并且能够使得平均成本得到大幅度下降，这款系统的设计将是对大学期间所学专业知识的一次综合运用。
心率监测原理简介
数字心率监测原理主要是通过人体血液中的红外蛋白对红外线的衰减作用来实现的，在脉搏动作产生时，由于血压上升，此时红外蛋白对于红外线的吸收程度最强，而不发生脉搏动作时，红外蛋白对于红外线的吸收程度比较低，那么基于这个原理，本课题将设计一个能够发射固定强度红外线的电路，将红外线通入手指指端后，指端中的红外蛋白对该红外线束进行衰减，随后通过红外线接收管进行接收，通过衰减作用后，红外接收管将能够接收到忽强忽弱的红外线信号，强弱的变化周期与脉搏周期一致，而红外接收管的作用是将红外线信号转换为电压信号，那么转换过后将生成忽强忽弱的电压信号，通过比较器对该电压信号进行处理后，将能够生成规则的方波脉冲信号，该脉冲信号的周期即为心率的周期，通过单片机对该脉冲信号的周期进行测量，即可测量得到心律值。
方案设计及元器件选择
STC89C51单片机简介
本论文准备将STC89C51单片机植入到心率计控制系统中，使其以12MHz的时钟频率对系统中的其他模块进行驱动和数据运算。综合考虑目前市面上应用较为广泛而且口碑都还不错的单片机，STC89C51单片机属于其中性价比参数指标最高的一款。STC89C51单片机在外部模块的集成方面，有两路目标基本相同的定时器、两路具有外部捕捉中断功能的复用GPIO管脚和一路UART串口。 .
目录
一、 引言 1
（一） 心率监控设备的发展背景 1
（二） 心率监控设备的国内外发展现状 2
（三） 本文主要研究内容 2
（四） 设计意义 3
二、 心率监测原理简介 4
三、 方案设计及元器件选择 5
（一） STC89C51单片机简介 5
（二） 红外对管介绍 5
（三） LCD1602液晶屏简介 6
（四） 有源蜂鸣器简介 6
（五） 机械按键介绍 7
四、 系统硬件设计 8
（一） 心率计系统框图设计 8
（二） 最小系统电路设计 8
1. 复位电路设计 8
2. 时钟电路设计 9
（三） 红外对管电路设计 9
（四） 液晶显示电路设计 10
（五） 报警电路设计 11
（六） 按键电路设计 11
五、 系统软件设计 13
（一） 心率计的主程序流程设计 13
（二） 液晶显示流程设计 14
1. 写数据流程 14
2. 写指令流程 14
（三） 报警流程设计 15
六、 实物安装 16
总结与展望 18
参考文献 19
致 谢 20
附录一 原理图 21
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
/> 附录二 PCB 22
附录三 元件列表 23
附录四 程序 24
引言
心率监控设备的发展背景
在最近短短一二十年时间内，微处理器技术和传感器技术的快速发展给心率计控制系统的发展带来了新的时代，智能识别、大数据快速运算等性能使得心率计控制系统被重新定义，智能概念的开始笼罩着这类心率计系统，这些新型功能和强大的数据处理性能给用户的生产生活带来了极大程度的方便，使用者只需通过简易的操作就可以完成前所未有的非常多新型功能，这些新功能在以往的传统心率计控制系统中是没有办法看到的。伴随着科学技术的快速发展和电子技术的渐渐趋向于传感化和智能化，人们生活中的绝大多数经常使用的东西都将逐步被电子系统给取代掉，这是人类社会的一个明显的发展趋势，就如本课题所要设计的该心率计系统，它也是一种出现较为早的系统，尽管如此，随着时间的迁移，它一直不断地跟随着电子技术的发展速度而一起发展，如今它已不再是那个老式的只能实现几个简单功能的心率计控制系统了。
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图1 智能心率计
心率计系统的快速发展，使使用者对数据处理和其它智能特性提出了愈发高的要求，而要完成这些近似苛刻的期望，重要的重点技术是提升它的里面微处理器重要部分的性能，一些早期的心率计系统是以8位微处理器作为主控器件的，该内核在单位时间内仅仅能够对8比特的二进制数据进行运算，这种运算性能相比于现如今大肆流行的32位机和64位机来说，可以说是小巫见大巫了，所以曾经在该数据运算能力下，心率计控制系统只能够实现几项简单的功效。快速发展的经济在实质上是对人们生活的根本改变，此过程可以很好的反映在人们对心率计系统的见解上，过去人们仅仅满足在该器件的几项简单功能，而在所有都成熟后，不同的用户对于心率计控制系统都有一套自己的见解，良好的人机交互界面、友好的数据交互接口以及愈加智能的运行方式在一定程度上迎合了使用人员的常见追求。
近些年来32位内核研发技术的快速发展使得控制芯片进入了高速运算时代，这项技术的成熟无疑给心率计系统带来了上帝的福音，好似受到了最强劲的加持，在数据运算能力上相对于过去的8位机就提升了4倍，那么这给心率计系统的指标带来了不只是指标上的提升，更给控制系统赠予了更加流畅的工作性能。本课题的设计目标是一种高性价比心率计系统，但是并没有采用32位处理器来作为主控，只是选用STC89C51单片机来进行操控，仅仅是通过这款8位单片机的处理，就已可以对很多现有产品进行改进了。
心率监控设备的国内外发展现状
国内外非常多企业和大型半导体公司都有对心率计系统的研究，这其中美国的亚德诺和德州仪器都有推出的用作构建心率计系统的集成芯片，因为当前这部分芯片只被少部分应用，从而芯片还不能获得普及所以价格迟迟下不来，而国内某些公司也开始着手对该芯片的研发和构建。综合对比了如今市面上中低高端三个不同档次的心率计控制系统产品的成本来看，高端档次和中低端的系统在价格方面差距比较大，通过对资料文献的查看可以发现，这这其中主要的原因不外乎在于设计心率计系统的重点技术只掌握在少部分企业手中。为打破这一局面，越来越多的开发者开始了对心率计系统的设计，好多研究者考虑更换更高性能的微处理器，替换掉此前的低端控制器，因为这是重要部分，从而此办法取得了很大成果。
本文主要研究内容
本次论文以心率计控制系统的研究现状为背景，提出了一款能够通过STC89C51单片机当作主控核心的心率计控制系统，这种系统具有比市场上多数相关产品更低的耗能和成本，下列为本课题将要实现的研究内容。
能够实现心率的快速测量。
误差率要求小于1%。
具有液晶显示功能。
具有正常心率范围设置功能，当心率超过正常范围时，发出报警信号。
设计意义
考虑到当前心率监控设备的发展现状，本课题拟决定结合大学期间所学的各学科专业知识对心率监控设备控制系统进行一次优化设计，通过单片机作为主控核心并结合其他传感器，能够实现一款性能高于市面上大多数系统的心率监控设备系统，并且能够使得平均成本得到大幅度下降，这款系统的设计将是对大学期间所学专业知识的一次综合运用。
心率监测原理简介
数字心率监测原理主要是通过人体血液中的红外蛋白对红外线的衰减作用来实现的，在脉搏动作产生时，由于血压上升，此时红外蛋白对于红外线的吸收程度最强，而不发生脉搏动作时，红外蛋白对于红外线的吸收程度比较低，那么基于这个原理，本课题将设计一个能够发射固定强度红外线的电路，将红外线通入手指指端后，指端中的红外蛋白对该红外线束进行衰减，随后通过红外线接收管进行接收，通过衰减作用后，红外接收管将能够接收到忽强忽弱的红外线信号，强弱的变化周期与脉搏周期一致，而红外接收管的作用是将红外线信号转换为电压信号，那么转换过后将生成忽强忽弱的电压信号，通过比较器对该电压信号进行处理后，将能够生成规则的方波脉冲信号，该脉冲信号的周期即为心率的周期，通过单片机对该脉冲信号的周期进行测量，即可测量得到心律值。
方案设计及元器件选择
STC89C51单片机简介
本论文准备将STC89C51单片机植入到心率计控制系统中，使其以12MHz的时钟频率对系统中的其他模块进行驱动和数据运算。综合考虑目前市面上应用较为广泛而且口碑都还不错的单片机，STC89C51单片机属于其中性价比参数指标最高的一款。STC89C51单片机在外部模块的集成方面，有两路目标基本相同的定时器、两路具有外部捕捉中断功能的复用GPIO管脚和一路UART串口。 .
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