单片机的心率计的设计与实现
目 录
引言 1
一、系统整体设计 2
（一）功能要求 2
（二）心率测量系统方案设计 2
（三）方案选择及元器件介绍 2
二、 硬件系统设计 5
（一）单片机 5
（二）心率检测模块设计 6
（三）显示模块设计 8
（四）报警器模块设计 9
（五）按键模块设计 10
三、 软件系统设计 12
（一）软件系统流程图设计 12
（二）显示器的工作流程设计 13
（三）红外对管模块工作流程图设计 14
四、 Proteus系统仿真 15
五、系统的调试与结果 20
（一）调试界面显示 20
（二）结果分析 25
总结 26
致谢 27
参考文献 28
附录一 原理图 29
附录二 PCB图 30
附录三 元件列表 31
附录四 实物图 33
附录五 源程序.34
引言
人们的生活质量在科技和经济迅速发展后得到了大幅度的提升，然而很多健康问题却在不断地威胁着人类的健康，比如说糖尿病、肥胖等富态病大多是由于人们不注重健康的生活方式导致的。在威胁人类健康的一些疾病中，心脑血管疾病是最为严重的一种，由它引起的人类死亡每年都居高不下，如果人类能够时常关注自身状况，这些疾病就会很容易的远离人类。对于应对心脑血管疾病，长期按时的对心率进行测量是一个切实有效的办法，因为这样一方面能够时时提醒人们要关注自身的健康状况，另一方面人们能够定期测量到自身的心率，从而能够根据心率值的情况合理调整自己的生活规律，使得疾病能够远离人们，因此本文提出对心率测量仪研究的课题，通过自身所掌握的专业知识为人类健康付出一份力。
红外心率测量仪控制系统是一款能够实现人体心率频率自动测量的自动控制系统，这种系统主要由心率传感器、显示器、微处理器、报警模块以及按键等模块组成。心率测量在中西医中都被使用到，只是在中医中被称为“号脉”，在西医中主要通过电子仪器进行测量，可见心率测量在
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的情况合理调整自己的生活规律，使得疾病能够远离人们，因此本文提出对心率测量仪研究的课题，通过自身所掌握的专业知识为人类健康付出一份力。
红外心率测量仪控制系统是一款能够实现人体心率频率自动测量的自动控制系统，这种系统主要由心率传感器、显示器、微处理器、报警模块以及按键等模块组成。心率测量在中西医中都被使用到，只是在中医中被称为“号脉”，在西医中主要通过电子仪器进行测量，可见心率测量在医学中的重要性。在中医中，老中医通过手指感应患者的动脉跳动来大致计算患者的心跳规律以及心率数，这可谓是传统的心率测试方法。在人类发现红外线后，科学家发现当红外线穿过血管后，不同血压的血管对红外线的吸收程度不同，当血压大时，血液能够极大程度地吸收红外线，而血压小时，血液对红外线的吸收现象非常微弱。通过这个现象，设计人员迅速设计出了通过红外线测量人体心率的方法，这种方法主要通过发射红外线，接受红外线，并测量接收到的红外线强度，从而直接测量人体心率频率。本课题提出采用红外对管作为心率测试探头的方法，实现对人体心率的测量。
目前国内外对于高性能心率测量仪的研究非常火热，这是由于人类提升了对健康关注的意识。心率测量仪目前正朝着远程化以及微型化发展，在远程化方面，主要是为了实现将心率测试结果通过GSM模块等远程通信模块植入到心率测试系统中，实现家人对患者健康状况的实时了解；在微型化方面，主要依靠超大规模集成电路技术，大大减小心率测量仪的体积，达到能够随身携带，24小时监测的目标。
本文将以心率计作为研究对象，设计一款采用51单片机作为主控核心的心率测量系统，这款心率测量系统的好处是操作简单、体型小便于携带、耗电低等优点。
系统的整体设计
（一）功能要求
心率计可以实现以下指标：
1、能够快速测量到人体的心率值，反应时间低于3秒；
2、具有超限报警功能；
3、心率上下限可通过按键设置；
4、具有液晶显示功能。
（二）心率测量系统方案设计
本章主要对心率测量仪的硬件电路进行设计，下图1-1是采用Visio软件绘制的心率测量仪的原理框图，其中最中间的主控芯片作为系统的主控芯片，在片外结合了复位电路以及晶振电路组成了主控芯片最小系统。硬件系统由主控芯片最小系统、心率检测模块、比较器模块、显示模块、按键模块以及报警器模块组成。
主控芯片最小系统主要用于对比较器输出的方波脉冲进行测量，并且还要负责按键检测、液晶屏驱动以及报警器驱动；红外对管模块用于发出红外线，红外线穿过测试者的手指后，通过对管中的红外接收管进行接收，并通过模拟电压值大小来反映接收到的红外线强度；比较器模块用于对红外对管模块输出的模拟电压值进行比较，整理成规则的方波脉冲；液晶屏用于显示测量结果以及报警阀值，按键用于设定报警阀值。
图1-1 整体系统框图
（三）方案选择及元器件介绍
1.主控芯片的选择
方案一：选择8位单片机中的51单片机作为控制系统的主控芯片，所谓51单片机是指那些片内采用MCS—51架构作为内核的单片机，如美国ATMEL公司的AT89C51、AT89C52、AT89S51以及AT89S52，中国宏晶公司生产的STC89C51、AT89C51、STC12系列等，它们都是采用51内核，只是片内资源不同的经典51单片机。采用51单片机作为控制系统有两大好处，一是51单片机内部需要操控的寄存器较少，非常适合初学者和学生使用，容易完成系统的设计；而是51单片机采用串口进行程序的下载和调试，不需要专门的JATG式仿真器，因此成本非常低。但是使用51单片机作为主控核心也有几个缺点，一是51单片机的主频较低，内部没有集成锁相环电路，因此芯片的处理速度较低；二是51单片机内部集成的资源较少，如常用的IIC、SPI以及AD采样模块都没有集成进去，使用者需要自己在片外配置。然而综合到自身的学习情况，对于51单片机的使用能够很熟练的程度，这对于顺利完成毕业设计是有利的。
方案二：若以系统的功耗作为主要考核目标，那么德州仪器公司生产的MSP430系列单片机绝对是当之无愧的首选，430单片机内部集成了4种低功耗模式，当系统不在正式工作时，可使其进入低功耗，当再次工作时，430单片机能瞬间恢复到正常工作中来，因此如果使用单片机作为本系统的主控芯片，能够结合其低功耗模式将系统的功耗降到最低。在MSP430单片机的内部资源方面，大多数430单片机内部不但集成了定时器、UART以及丰富的管脚中断，并且还具有ADC、DAC以及DMA等功能，这些资源的集成能够将系统的开发变得高效稳定，并且节省硬件系统的开发空间。在MSP430单片机的开发环境方面，它是以UI
引言 1
一、系统整体设计 2
（一）功能要求 2
（二）心率测量系统方案设计 2
（三）方案选择及元器件介绍 2
二、 硬件系统设计 5
（一）单片机 5
（二）心率检测模块设计 6
（三）显示模块设计 8
（四）报警器模块设计 9
（五）按键模块设计 10
三、 软件系统设计 12
（一）软件系统流程图设计 12
（二）显示器的工作流程设计 13
（三）红外对管模块工作流程图设计 14
四、 Proteus系统仿真 15
五、系统的调试与结果 20
（一）调试界面显示 20
（二）结果分析 25
总结 26
致谢 27
参考文献 28
附录一 原理图 29
附录二 PCB图 30
附录三 元件列表 31
附录四 实物图 33
附录五 源程序.34
引言
人们的生活质量在科技和经济迅速发展后得到了大幅度的提升，然而很多健康问题却在不断地威胁着人类的健康，比如说糖尿病、肥胖等富态病大多是由于人们不注重健康的生活方式导致的。在威胁人类健康的一些疾病中，心脑血管疾病是最为严重的一种，由它引起的人类死亡每年都居高不下，如果人类能够时常关注自身状况，这些疾病就会很容易的远离人类。对于应对心脑血管疾病，长期按时的对心率进行测量是一个切实有效的办法，因为这样一方面能够时时提醒人们要关注自身的健康状况，另一方面人们能够定期测量到自身的心率，从而能够根据心率值的情况合理调整自己的生活规律，使得疾病能够远离人们，因此本文提出对心率测量仪研究的课题，通过自身所掌握的专业知识为人类健康付出一份力。
红外心率测量仪控制系统是一款能够实现人体心率频率自动测量的自动控制系统，这种系统主要由心率传感器、显示器、微处理器、报警模块以及按键等模块组成。心率测量在中西医中都被使用到，只是在中医中被称为“号脉”，在西医中主要通过电子仪器进行测量，可见心率测量在
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
的情况合理调整自己的生活规律，使得疾病能够远离人们，因此本文提出对心率测量仪研究的课题，通过自身所掌握的专业知识为人类健康付出一份力。
红外心率测量仪控制系统是一款能够实现人体心率频率自动测量的自动控制系统，这种系统主要由心率传感器、显示器、微处理器、报警模块以及按键等模块组成。心率测量在中西医中都被使用到，只是在中医中被称为“号脉”，在西医中主要通过电子仪器进行测量，可见心率测量在医学中的重要性。在中医中，老中医通过手指感应患者的动脉跳动来大致计算患者的心跳规律以及心率数，这可谓是传统的心率测试方法。在人类发现红外线后，科学家发现当红外线穿过血管后，不同血压的血管对红外线的吸收程度不同，当血压大时，血液能够极大程度地吸收红外线，而血压小时，血液对红外线的吸收现象非常微弱。通过这个现象，设计人员迅速设计出了通过红外线测量人体心率的方法，这种方法主要通过发射红外线，接受红外线，并测量接收到的红外线强度，从而直接测量人体心率频率。本课题提出采用红外对管作为心率测试探头的方法，实现对人体心率的测量。
目前国内外对于高性能心率测量仪的研究非常火热，这是由于人类提升了对健康关注的意识。心率测量仪目前正朝着远程化以及微型化发展，在远程化方面，主要是为了实现将心率测试结果通过GSM模块等远程通信模块植入到心率测试系统中，实现家人对患者健康状况的实时了解；在微型化方面，主要依靠超大规模集成电路技术，大大减小心率测量仪的体积，达到能够随身携带，24小时监测的目标。
本文将以心率计作为研究对象，设计一款采用51单片机作为主控核心的心率测量系统，这款心率测量系统的好处是操作简单、体型小便于携带、耗电低等优点。
系统的整体设计
（一）功能要求
心率计可以实现以下指标：
1、能够快速测量到人体的心率值，反应时间低于3秒；
2、具有超限报警功能；
3、心率上下限可通过按键设置；
4、具有液晶显示功能。
（二）心率测量系统方案设计
本章主要对心率测量仪的硬件电路进行设计，下图1-1是采用Visio软件绘制的心率测量仪的原理框图，其中最中间的主控芯片作为系统的主控芯片，在片外结合了复位电路以及晶振电路组成了主控芯片最小系统。硬件系统由主控芯片最小系统、心率检测模块、比较器模块、显示模块、按键模块以及报警器模块组成。
主控芯片最小系统主要用于对比较器输出的方波脉冲进行测量，并且还要负责按键检测、液晶屏驱动以及报警器驱动；红外对管模块用于发出红外线，红外线穿过测试者的手指后，通过对管中的红外接收管进行接收，并通过模拟电压值大小来反映接收到的红外线强度；比较器模块用于对红外对管模块输出的模拟电压值进行比较，整理成规则的方波脉冲；液晶屏用于显示测量结果以及报警阀值，按键用于设定报警阀值。
图1-1 整体系统框图
（三）方案选择及元器件介绍
1.主控芯片的选择
方案一：选择8位单片机中的51单片机作为控制系统的主控芯片，所谓51单片机是指那些片内采用MCS—51架构作为内核的单片机，如美国ATMEL公司的AT89C51、AT89C52、AT89S51以及AT89S52，中国宏晶公司生产的STC89C51、AT89C51、STC12系列等，它们都是采用51内核，只是片内资源不同的经典51单片机。采用51单片机作为控制系统有两大好处，一是51单片机内部需要操控的寄存器较少，非常适合初学者和学生使用，容易完成系统的设计；而是51单片机采用串口进行程序的下载和调试，不需要专门的JATG式仿真器，因此成本非常低。但是使用51单片机作为主控核心也有几个缺点，一是51单片机的主频较低，内部没有集成锁相环电路，因此芯片的处理速度较低；二是51单片机内部集成的资源较少，如常用的IIC、SPI以及AD采样模块都没有集成进去，使用者需要自己在片外配置。然而综合到自身的学习情况，对于51单片机的使用能够很熟练的程度，这对于顺利完成毕业设计是有利的。
方案二：若以系统的功耗作为主要考核目标，那么德州仪器公司生产的MSP430系列单片机绝对是当之无愧的首选，430单片机内部集成了4种低功耗模式，当系统不在正式工作时，可使其进入低功耗，当再次工作时，430单片机能瞬间恢复到正常工作中来，因此如果使用单片机作为本系统的主控芯片，能够结合其低功耗模式将系统的功耗降到最低。在MSP430单片机的内部资源方面，大多数430单片机内部不但集成了定时器、UART以及丰富的管脚中断，并且还具有ADC、DAC以及DMA等功能，这些资源的集成能够将系统的开发变得高效稳定，并且节省硬件系统的开发空间。在MSP430单片机的开发环境方面，它是以UI
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