单片机控制的液晶显示型便携式心率计的设计
目录
一、引言 - 1 -
二、方案论证及元器件介绍 - 2 -
（一）、研究内容及设计指标 - 2 -
（二）、方案介绍 - 2 -
（三）、元器件的功能介绍 - 3 -
三、硬件系统设计 - 9 -
（一）、系统结构图 - 9 -
（二）、红外对管模块 - 9 -
（三）、放大器模块 - 10 -
（四）、比较器模块 - 10 -
（五）、LCD1602显示电路 - 11 -
（六）、键盘电路 - 11 -
四、系统软件设计 - 11 -
（一）、测量计算原理 - 11 -
（二）、主程序流程图 - 12 -
（三）、中断程序流程图 - 12 -
五、系统测试与结果分析 - 13 -
（一）、测试方法和仪器 - 13 -
（二）、测试数据与结果分析 - 13 -
（三）、几种主要干扰因素 - 15 -
总结 - 16 -
参考文献 - 17 -
致谢 - 18 -
附录一：系统原理图 - 19 -
附录二：源程序 - 20 -
一、引言
随着时代的不断发展世界科学技术不断精湛，人们的生活水平大也幅度的得到改善，但与此同时越来越多的疾病却在威胁着人类的健康与发展，健康问题已经成为全世界人类关注的焦点。其中心脑血管疾病对人类的危害是最多最大的，因心脑血管疾病每年的死亡率都非常的高，患者花费的医疗费也十分的高昂，这就给原本十分和谐的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
家庭生活带来了巨大的灾难。心脑血管疾病大多是由于不合理的饮食习惯及生活节奏造成的，其发病率呈上升趋势。如何降低心脑血管的发病率以及其造成的危害已经成为各界广泛关注的话题。
基于上述的现状可以发现，对于心脑血管疾病检测技术的开发已经刻不容缓。许多功能各异的电子医疗器械已经投入到日常生活的使用中，其中一部分不仅能做到方便携带还能够随时随地地测量，这为促进医疗事业的发展具有重要意义，也为人民的幸福安康做了长远的贡献。
20世纪八十年代开始，弹性腔理论和血流动力流变学被越来越的研究学者利用到检测血管功能中去，这种方法能够不伤害血管来达到检测血管的功能。在来自世界各地的科学家、研究员和医学家的努力奋斗下，研发出了迄今为止实用性较强的心率计。例如，液态水子母式、单部单点三部刚性接触式、硅杯式、软性接触式、多点以及气压式等，它们的主要零部件有陶瓷应变片、光敏组件、压电晶体和单晶硅等，应用最广泛的是单部单点应变片式心率计。
如今，已经有很多技术和方法拥有能够检测大动脉的功能了，其中血管造影等造影技术已经可以非常精确的检测分析出动脉壁和动脉管腔的内部结构了，但是美中不足的是，使用这些方法会非常的复杂，并且会带来高昂的成本消耗，这无疑限制了它在临床上的应用。还有很多利用超声波技术和计算机分析超声信号以及图像来研究动脉轴的无创技术，这些方法相对复杂，只有较少部分在临床上得到应用。除了这些技术复杂、代价高昂的检测技术，还有一种相对简单的检测方法--脉搏波速度检测，它已经广泛的用于检测动脉壁的硬度和扩张性。这种方法能够做到无创检测，结果准确、重复性好并且操作非常简单，所以在流行病理学研究和大型医学治疗中被广泛应用，在社区医疗服务和家庭中也非常适合此方法的推广。基于这种方法研究产生的还有日本科林公司的动脉硬化检测仪和法国研制生产的康普乐仪等，欧美国家就比较盛行脉搏波速度检测，国内也有一些医院引进并使用了这种设备。如今国内许多科研单位已经开始了对这种机器的深入研究，已经有相关产品在2007年正式上市了。在研制初期，这些制造成本以及检测的费用相当的高，功能也过于单一，目前还不能实现大众化。
二、方案论证及元器件介绍
（一）、研究内容及设计指标
采用AT89C51单片机为主要控制核心，以红外对接管为传感器加以辅助，再配合软件以及硬件电路上的双重滤波，从而实现在短时间内准确地测量心率并将测量值显示在LCD1602上的目的，同时测量的上下限可以通过按键调节，当心率超出一定范围，蜂鸣器报警。传感器可以感知身体的任何部位，以手指指端最为有效，测量的结果将以液晶显示器反馈给使用者，测量精度可达1次/分。
（二）、方案介绍
光电器件通常是指能将光信号转化为点信号的器件，它能够灵敏的感应到紫外光到红外光光谱范围内的光信号，光电三极管和光电二极管是较为常用的光电器件，其有介电损耗小、输出电压大以及吸收红外线光的能力极强等特点。
光电式检测的基本原理是通过人体内部血液流动时对光的透过率或反射率相同而光电传感器得到的感应电压不同来实现的，其中对反射式和对射式是较为常用的两种方法。利用反射式方法检测时，将光电发射和光电接收装置都指到同一个方向，由于体内的血液缓慢流动时血液对光线的反射率不同，从而它的接收装置将得到不同的感应电压；而利用对射式方法检测时，将光电发射和光电接收装置相对而放，测量时通常将手指末端夹在两者中间，当体内的血液流动时血液对光线的透射率不同，从而接收装置将得到不同的感应电压，通过这两种方法，只要控制器能正确地处理光电接受装置的电压值，就能得到心率值。
下图为红外脉搏测量的整体流程图：
图1 信号检测处理工作流程图
（三）、元器件的功能介绍
1、单片机AT89C51
(1)、主要性能：
全静态工作频率：0Hz～24MHz
128×8字节内部RAM
8KB可改编程序Flash存储器（可经受1000次的写入/擦除周期）
32条可编程I/O线
6个中断源
2个16位定时器/计数器
可编程串行通道
片内时钟振荡器
三级程序存储器保密
(2)、功能特性描述：
AT89C51是ATMEL公司研发并出产的一种带4K字节FLASH存储器 的单片机，它是一种能在低电压场合中工作的高性能CMOS类型的8位处理器。它内部集成的只读存储器具有高达1000多次的可擦除性，这样好的性能使得它非常适合学生做理论性实验。另外这种类型的单片机已经采用了非易失储存器的高密度的制造技术，AT89C51单片机的通用IO管脚能够和工业上广泛采用的MCS-51类型的指令集相当完美的兼容。ATMEL公司研发的这种高效率的微控制型单片机将FLASH和性能强大的8位CPU集成在一个芯片里使得它在嵌入式领域有着非常广泛的应用。常用的AT89C2052型单片机是AT89C51单片机的精简版本。基于上述的这些特点，在很多嵌入式场合，AT89C51单片机正在发挥着越来越多的作用。下图为DIP-40封装类型AT89C51单片机的芯片引脚图：
一、引言 - 1 -
二、方案论证及元器件介绍 - 2 -
（一）、研究内容及设计指标 - 2 -
（二）、方案介绍 - 2 -
（三）、元器件的功能介绍 - 3 -
三、硬件系统设计 - 9 -
（一）、系统结构图 - 9 -
（二）、红外对管模块 - 9 -
（三）、放大器模块 - 10 -
（四）、比较器模块 - 10 -
（五）、LCD1602显示电路 - 11 -
（六）、键盘电路 - 11 -
四、系统软件设计 - 11 -
（一）、测量计算原理 - 11 -
（二）、主程序流程图 - 12 -
（三）、中断程序流程图 - 12 -
五、系统测试与结果分析 - 13 -
（一）、测试方法和仪器 - 13 -
（二）、测试数据与结果分析 - 13 -
（三）、几种主要干扰因素 - 15 -
总结 - 16 -
参考文献 - 17 -
致谢 - 18 -
附录一：系统原理图 - 19 -
附录二：源程序 - 20 -
一、引言
随着时代的不断发展世界科学技术不断精湛，人们的生活水平大也幅度的得到改善，但与此同时越来越多的疾病却在威胁着人类的健康与发展，健康问题已经成为全世界人类关注的焦点。其中心脑血管疾病对人类的危害是最多最大的，因心脑血管疾病每年的死亡率都非常的高，患者花费的医疗费也十分的高昂，这就给原本十分和谐的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
家庭生活带来了巨大的灾难。心脑血管疾病大多是由于不合理的饮食习惯及生活节奏造成的，其发病率呈上升趋势。如何降低心脑血管的发病率以及其造成的危害已经成为各界广泛关注的话题。
基于上述的现状可以发现，对于心脑血管疾病检测技术的开发已经刻不容缓。许多功能各异的电子医疗器械已经投入到日常生活的使用中，其中一部分不仅能做到方便携带还能够随时随地地测量，这为促进医疗事业的发展具有重要意义，也为人民的幸福安康做了长远的贡献。
20世纪八十年代开始，弹性腔理论和血流动力流变学被越来越的研究学者利用到检测血管功能中去，这种方法能够不伤害血管来达到检测血管的功能。在来自世界各地的科学家、研究员和医学家的努力奋斗下，研发出了迄今为止实用性较强的心率计。例如，液态水子母式、单部单点三部刚性接触式、硅杯式、软性接触式、多点以及气压式等，它们的主要零部件有陶瓷应变片、光敏组件、压电晶体和单晶硅等，应用最广泛的是单部单点应变片式心率计。
如今，已经有很多技术和方法拥有能够检测大动脉的功能了，其中血管造影等造影技术已经可以非常精确的检测分析出动脉壁和动脉管腔的内部结构了，但是美中不足的是，使用这些方法会非常的复杂，并且会带来高昂的成本消耗，这无疑限制了它在临床上的应用。还有很多利用超声波技术和计算机分析超声信号以及图像来研究动脉轴的无创技术，这些方法相对复杂，只有较少部分在临床上得到应用。除了这些技术复杂、代价高昂的检测技术，还有一种相对简单的检测方法--脉搏波速度检测，它已经广泛的用于检测动脉壁的硬度和扩张性。这种方法能够做到无创检测，结果准确、重复性好并且操作非常简单，所以在流行病理学研究和大型医学治疗中被广泛应用，在社区医疗服务和家庭中也非常适合此方法的推广。基于这种方法研究产生的还有日本科林公司的动脉硬化检测仪和法国研制生产的康普乐仪等，欧美国家就比较盛行脉搏波速度检测，国内也有一些医院引进并使用了这种设备。如今国内许多科研单位已经开始了对这种机器的深入研究，已经有相关产品在2007年正式上市了。在研制初期，这些制造成本以及检测的费用相当的高，功能也过于单一，目前还不能实现大众化。
二、方案论证及元器件介绍
（一）、研究内容及设计指标
采用AT89C51单片机为主要控制核心，以红外对接管为传感器加以辅助，再配合软件以及硬件电路上的双重滤波，从而实现在短时间内准确地测量心率并将测量值显示在LCD1602上的目的，同时测量的上下限可以通过按键调节，当心率超出一定范围，蜂鸣器报警。传感器可以感知身体的任何部位，以手指指端最为有效，测量的结果将以液晶显示器反馈给使用者，测量精度可达1次/分。
（二）、方案介绍
光电器件通常是指能将光信号转化为点信号的器件，它能够灵敏的感应到紫外光到红外光光谱范围内的光信号，光电三极管和光电二极管是较为常用的光电器件，其有介电损耗小、输出电压大以及吸收红外线光的能力极强等特点。
光电式检测的基本原理是通过人体内部血液流动时对光的透过率或反射率相同而光电传感器得到的感应电压不同来实现的，其中对反射式和对射式是较为常用的两种方法。利用反射式方法检测时，将光电发射和光电接收装置都指到同一个方向，由于体内的血液缓慢流动时血液对光线的反射率不同，从而它的接收装置将得到不同的感应电压；而利用对射式方法检测时，将光电发射和光电接收装置相对而放，测量时通常将手指末端夹在两者中间，当体内的血液流动时血液对光线的透射率不同，从而接收装置将得到不同的感应电压，通过这两种方法，只要控制器能正确地处理光电接受装置的电压值，就能得到心率值。
下图为红外脉搏测量的整体流程图：
图1 信号检测处理工作流程图
（三）、元器件的功能介绍
1、单片机AT89C51
(1)、主要性能：
全静态工作频率：0Hz～24MHz
128×8字节内部RAM
8KB可改编程序Flash存储器（可经受1000次的写入/擦除周期）
32条可编程I/O线
6个中断源
2个16位定时器/计数器
可编程串行通道
片内时钟振荡器
三级程序存储器保密
(2)、功能特性描述：
AT89C51是ATMEL公司研发并出产的一种带4K字节
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