可穿戴式心率监测及显示系统设计毕业论文（设计）

1、序号 （学号：021241205长春大学 毕业设计（论文）可穿戴式心率监测及显示系统设计姓 名李亚琴学 院电子信息工程学院专 业自动化班 级12412指导教师曹福成（副教授）2016可穿戴式心率监测及显示系统设计摘要：心率是指一定时间a心脏跳跃的次数，通常情况指一分钟跳动的次数，是我们临 床常规检查屮的生理指标。心率监测系统现在在我们口常生活屮已有了十分广泛的应 用。通常在医院都会检查一个人的心率，这样可以初步的确定一个人的健康状况。本 课题设计是设计一个可穿戴式的心率监测及显示系统。本系统以msp430单片机为核 心，红外发光二极管与光敏三极管作为传感器，运用单片机系统的内部定时器可以计 算

2、吋间，用光敏三极管感知心跳脉冲，接着msp430单片机会通过脉冲累加进而得到 心脏跳的次数，在显示屏上显示心脏跳动次数和时间及心电图。本系统实现了心率的 监测与显示、测量还冇报警提醒等功能。实验结果表明，系统工作正常，测量灵敏度 高，实现了设计功能。关键词：心率监测；msp430单片机；光电传感器design of wearable heart rate monitor and display systemabstract： heart rate refers to the number of times the heart is jumping in a certain period of

3、time，usually refers to the number of times a minute，it is the physiological index of our clinical routine examination. heart rate monitoring system has been widely used in our daily life. usually in the hospital will check a persons heart rate，so that it can be a preliminary determination of a perso

4、ns health status. this topic design is the design of a wearable heart rate monitoring and display system. the stc89c51 mcu as the core infrared emitting diode and the photosensitive triode tube as a sensor，using the mcu internal timer can be computed in time，with a photosensitive triode tube pulse h

5、eartbeat perception，then mcu stc89c51 will by pulse accumulation added and have the heart jump times. on the screen display heart beat frequency and time. this system has realized the heart rate monitor and the display，the measurement also has the alarm reminder and so on the function. the experimen

6、tal results show that the system works well，the measurement sensitivity is high, and the design function is realized.keywords： hearting rate monitoring； at89c51 single-chip microcomputer; photoelectricsensor第1章前言11.1本课题的研宄目的和意义11.2本课题的国内外研宄现状21.3本课题的主要内容及要求3第2章系统方案论证42.1单片机控制电路的论证与选择42.2传感器的论证与选择42.

7、3显示模块的论证与选择52.4系统设计5第3章系统硬件设计63.1单片机控制电路63.1.1 msp430 简介63.1.2晶振电路83.1.3复位电路93.2心率信号的采集93.2.1光电传感器的原理93.2.2光电传感器的结构103.2.3光电传感器检测原理103.3信号前置放大电路113.4高通滤波电路113.5低通滤波电路123.6陷波电路133.7电压放大电路143.8报警电路153.9显不电路163.9键盘电路173.10电源电路17第4章软件系统设计194.1主程序流程194.2中断程序流程194.3显不程抒流程20第5章总结22而23参考文献24p付 25第1章前言1.1本课题

8、的研宄目的和意义心率是指我们人体心脏每分钟所跳动的次数，是反应心脏是否正常工作的一个重 耍指标，也是反映人体运动强度的生理指标。每个人跳动的次数是不同的，就算是同 一个人在不同的环境和状态下，跳动的次数也会不同。一般，人在安静或者睡眠的情 况下心率较慢，在运动、情绪不稳或考病情发作时心率过快。所以通过对心脏心率的 监测我们能很好的判断出我们的心脏是否正常运作，是否患有那些潜在的心血管疾 病。而我们现今的社会压力大，生活节奏快，很容易导致心律不齐，久而久之使不少 健康的人受到心脏类疾病的危害。这类病使人的身体和心理上都带来痛苦。所以时常 检查心率，及早发现潜在的疾病，及早的治疗，对人们的健康具有

9、意义。心率携带有的信息对人体健康状况的反应是十分丰富的。自从在我国历史上最 早的脉学著作脉经问世之后，脉学的理论得到了不断发展与提高。我们应该清 楚的知道在中医中的四诊：望、闻、问、切，在脉诊中是具冇十分非常重要的地位 的。它是可以说是我国在传统医学中最最具特点的一项诊断的方法，它的历史非常 的就，而且内容也丰富，它是中医的“整体观念”与“辨证论证”的精神的体现和 应用。值得自豪的是脉诊是“绿色无创”的诊断的手法，这个手法得到了不少中外 人士的关注。中医中的诊脉是要靠手指来获取心跳的信息的，这个手法虽然用起来 简便，对人体没有伤害，不会带来疼痛，比较容易呗患者所接受，可是在长期的医 疗实践还是

10、出现了一些问题，是存在不少缺陷的，例如不能精确的测出心率。在进入21世纪以后，我们的科技在不断的发展，用到的电子产品也越来越多， 各种系统的价格也越来越便宜。而各种产品所含的科技含量的比例却是越来越大， 更为重要的是性能也越来越可靠。这让我们明白人们的日常生产及日常的生活在向 着高度的自动化与智能化的方向前进。随着我们的国民经济的提高，人们生活的质 量在不断的提高，人们对于自己的健康也越来越关注。可是在生活中我们面临的各 种各方面的压力使得我们的健康不能时刻的得到很好的关注，所以对心率进行时刻 的监测回事一个很很好的方法，是一个解决措施。心率监测是在医疗过程中不可少的。目前，许多的医.院里已经

11、有各种样式的心率 监测的仪器，但是价格高，不能随时测，成本也相对较高。如若把心率监测的仪器缩 小体积，降低制作的成本，能使操作简单，售价低，能使人们时刻监测自己的心率， 做成可穿戴的心率监测仪器。这就使人们不需耍经常跑医院，使我们更能方便的使用。 因此可穿戴式的心率监测仪器使我们便捷的监测心率动态观察，对个人的保健具有重要的意义。1.2本课题的国内外研宄现状因为科学技术的不断发展，心率监测的技术也会越来越变先进，所以对心率的测 量的精度也会越来越高。因此对心跳的测量不再满足于人工测量或者是听诊器的测量 了，要明白电子仪器的测量会渐渐的成为心率测量的主流。在国内外先后研究制造出 了各种不同类型不

12、同外形的心率监测的系统。虽然有这么多的系统其实最为关键的对 心率传感器的研宂。对心率的测量可以是通过瓷片式的压力传感器进行测量，这是用 测量得到的波动去确定心率的，知道注意的是这往往会和测量血压的器件连在一起。 也可以是看心电图之屮的相邻波的波峰之间的间隙来确定心率。这两种方式在各大医 院屮都要，可是它的成本会比较高，而且体积会较大，还有就是不能用来方便的佩戴， 这会让使用的人感到不舒适。不过现在基本上都采用光电容积法的这个方法，它的工 作原理是：用红光或者是红外光照射人体的皮k组织，皮卜组织屮的血容量会根据 心脏的跳动以脉冲的形式流动，皮下组织的透明度会变化，血液会吸收、反射、透射 光信号，

13、使光信号转换为电信号，而电信号的变化周期就应该是脉搏的跳动次数。 这个测量方法不仅简单、佩戴起来方便、而ii还十分可靠。起初用于体育测量的心率 测试仪主要集中在对接触式传感器的研究，利用此类传感器所研制的指脉、耳脉等测 量仪各有其优缺点。指脉测量比较方便、简单，但因为手指上汗腺较多，指夹常年使 用，污渍会使测量灵敏度下降；耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，易维护， 但耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号易受环境温度影响，造成测量结果不准 确。过去在医院临床监护和中老年保健中出现的h常监护仪器，如便携式电子血压计， 可以完成心率的测量，但是这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每

14、次 测量都需要一个加压和减压的过程，存在体积庞大、加减压过程造成不适、心率检测 的精确度低等缺点。近年来w内外致力于开发无创非接触式传感器，这类传感器的重要特征是测量探 测部分不侵入机体，不会造成机体创伤，能够自动消除系统误差，测量精度高，通常 在体表间接测量人体的生理和生化参数。人体心室周期性的收缩和舒张引起主动脉的收缩和舒张，是血压以波的形式从主 动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波成为心率波。从心率波中提取人体的痫 理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到了中外医学界的重视。心率波所呈现 出的形态（波形）、强度（波幅）、速率（波速）和节律（周期）等方面的综合信息，在很大程 度上反映

15、出人体心血管系统中许多病理的血流特征，因此对心率波采集和处理具有很 高的医学价值和应用前景。但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频弱信号，心 率波信号更是低频微弱的非电生理信号，因此必需经过放大和滤波以满足采集的要求。国外可穿戴式的心率监测仪器方而的研允已经取得了不错的进步，有amon碗式 健康与预警网络监护仪器，mylleart心血管疾病监测智能穿戴系统，lifeshirt生命 衫。这几样是具有代表性的研宂成果。还有使用导电、压电材料的心电和呼吸率监测 系统，它把传感器、电极、导线与穿戴衣集屮在一起。国内虽然对可穿戴式心率监测方面的研宄起步较晚，但是通过深入的研究不断地 努力。也取得了不少

16、优秀的研宄成果。例如构建脉搏波即血氧饱和数学分析模型，利 用红光或是近红外光双波长半导体激光差分吸收方法，实现对血氧饱和度的测量。总 体来说，因为生理信号的测量方法的限制，对可穿戴式心率监测的研究还要继续深入。1.3本课题的主要内容及要求根据要求设计一个可穿戴式的心率监测仪器，其应具有心率监测、心电图显示、 报警等功能。因此通过查阅相关的资料，提出一种以msp430为控制核心，并结合光 电传感器，滤波放大电路，报警电路，显示器，键盘电路实行控制，通过对己有资料 的研究，现拟采用以下方案。通过光电传感器检测到的信号，经滤波放大电路进入单片机进行计算，在显示器 上进行显示，与预设值进行比较低于或超

17、过预设值得情况及吋发出警报。其原理如图 1所示。图1可穿戴式心率监测及显示系统原理框图第2章系统方案论证可穿戴式的心率监测及显示系统的设计，要知道的是怎样去采集人体因为心率的 变化而引发的某些生物信号，接着是把生物信号转化成为较易明g的物理信号，通过 这些变化的物理信号能清楚明白的反应出心率的变化，这样才能得出每一分钟的心跳 的次数，想要完成这些就要借助相对应的硬件电路和一些芯片来对转化得到的物理量 进行处理并存储心跳的次数。这个设计主要是有信号采集电路、信号的放大电路、低通滤波电路、陷波电路、 单片机控制电路、显示电路、声光报警电路构成的。2.1单片机控制电路的论证与选择方案一：可采用arm

18、处理器对数据进行处理，arm处理器的优点是处理数据 的比较高，端门相对要较多，能处理多个的任务。可是arm处理器的价格较高，想 要入门会比较困难，很难去熟练的掌握，学习所花费的周期会比较长，而这个系统要 处理的数据不是很多，还有过多的10 口会难以去控制。方案二：可采用应用较为广泛的msp430处理器，mso430单片机的优点是运用 的比较广泛，能用来学习的资料会比较多，可以自主的学习与和握，而且与arm处 理器的资料相比msp430单片机的图书与教材会比较多，而且学习的资料较易获取， 最重要的是价格比较低。综合考虑这个系统比较这两个方案，方案二会较容易实现，所以要选择方案二。2.2传感器的论

19、证与选择方案一：运用压电式的陶瓷片来测量脉搏的跳动从而采集到信号，在心脏跳动的 时候，人体手腕处的脉搏与颈部处的脉搏会比较明显，所以把压电传感器的测得的信 号转变成脉冲就能通过处理得出脉搏的次数。方案二：运用光电传感器来采取心率信号，光电传感器是由发光二级管与光敏三 极管两个元件组成的，它的工作原理为：从发光二极管开始，它发出的光会透射过手 指，光敏三级管就会接受透射过手指组织经血液吸收与衰减透射光。心脏的跳动是冇 规律的，所以手指中的动脉血会在血液循环的过程中呈现出一定的周期性。因为动脉 血的周期脉动变化，它对光的吸收与衰减也会是周期性的脉动的。这样根据光敏三极 管的输出信号的变化就能知道动

20、脉血的脉动变化了。对两个方案进行比较，方案二操作起来比较方便，只需要待测人的一个手指就可 以的到人体的心率信号，所以最后选择了方案二。2.3显示模块的论证与选择方案一：可采用由led构成的三位一体的数码管来显示，不仅能够实现显示的 要求，还有的是价格较低。方案二：采用12864字符型的lcd液晶显示屏，它是价格较低的一款的液晶显 示屏。它的优点是能够实现多功能显示，具有超薄轻巧、功耗特别小、显示内容丰富、 体积小等的诸多优点。对两个方案进行比较，采用方案二。2.4系统设计当待测人的手指放在红外的发光二极管与接收三极管之间的时候，人体组织的半 透明度会随着心脏的跳动而发生相应的变化。因为把手放在

21、发光二极管与接收三极管 之间就会影响光的传递，手指血管中血液的饱和度会随着血液循环的变化而变化所以 会对透过手指的光的强度造成影响，这心跳的频率是相对应，通过这些变化接收三极 管的电流也会跟着发生改变，这样就会是红外的接收三极管会输出脉冲信号。输出的 信号在经放大，滤波，整形之后送入单片机中进行计算及显示，这样就达到了本次设 计的目的：能实时的检测心跳。还需一个报警电路以实现报警的功能。第3章系统硬件设计3.1单片机控制电路本系统是基于430系列的单片机来实现功能的，因为此系统没有另外高标准要求, 所以选择了较为晋遍的msp430单片机来完成系统设计。本次的设计采用的是单片机的最小系统来作为信

22、号处理的电路，如下图所示，经 过采集、放大和整形输出电路后的脉冲电平会输入到单片机msp430的/into脚中， 把单片机msp430设置成负跳变的中断触发模式，当每一次的脉冲下降沿到来的时候 会触发该单片机产生中断并且进行计时，每到来一个脉冲心跳就增加一次；定时器的 中断主要是完成为时一分钟内的定时功能。3.1.1 msp430 简介本次设计中使用的msp430的封装形式如图3.1所示。r?dvccp6.3p6.4p6.5p6.6?6.7m'dv 衮 dhlnoal/fscjirlslxsclx51/oal51xd1is0.9di9dsdsi 给 aqsavncxinxouttclk

23、dvssdvsskisp430p1.0/taclkpl1/ta0p1.2ta1p1.3/ta2p1.4smclkoclxlfl 守 £§os?3£ois/1.2slssyd ovfcsd 9£wl/lvo守 7divlzovo/s avl/lflovo/sdwtnd lvl3d cv15c1p5.4/mclkp5.3/uclk1p5.2/somi1p5.1/sbi01 p5.0/ste1 ?二，tbclk p4.6tb6 p4.5/tb5 p4.4tb4 p4.3tb3 p4.2tb2 p4.1/tb1 p4.0tb0 ?3, urxd1 p3.6ltt

24、xd1 p3.5urxd0componi图3-1 msp430引脚图1. avcc为电源电压2. dvss为接地3. 组8位的漏极开路型的双向i/o口，即地址/数据的总线复用口。当该口作为 输出门用的时候，每一位可以用吸收电流的方式来驱动8个ttl的逻辑门电路，且对 于端口po写“1”的时候可以作为高阻抗的输入端用。还有在访问外部的数据存储器 或者程序存储器的时候，该组门线分的时候转换地址（低8位）与数据总线会复位，在 访问期间会激活内部的上拉电阻。4作为一个带有内部上拉电阻8位双向i/o门，且p1的输出缓冲级可以驱动（吸收或 输出电流）4个tte的逻辑门电路。端口写“1”，内部的上拉电阻会把

25、端口拉至高电 平，该吋可作为输入口。当作为输入口使用的吋候，因内部存在着上拉电阻，当某个 引脚被外部信号拉低的吋候就会输出一个电流（ill）。这与at89c51的不同之处为 p1.0与p1.1还可以分别的作为定吋器/计数器的外部计数。flash编程与程序校验的期 间，p1会接收到低8位的地址。5. 个有内部上拉电的8位双向i/ou,且p2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电 流）4个ttl的逻辑门电路。端口p2写“1”，内部的上拉电阻会把端口拉至高电平， 这时可作输入口，当作为输入口用的时候，因内部存在着上拉电阻，当某个引脚被外 部的信号拉低的时候会输出一个电流（ill）。访问外部的程序存储器或者

26、16位的地址 外部的数据存储器（例如执行movx dptr的指令）的时候，p2口会送出高8位的地址 数据。访问8位的地址外部的数据存储器（如执行movxri的指令）的时候，p2口会 输出p2是锁存器的内容。6. 组在内部带有上拉电阻8位双向的i/o口。p3口的输出缓冲级可以用来驱动 （吸收或输出电流）4个ttl逻辑门的电路。p3口写入“1”的时候，他们会被内部的上 拉电阻拉高且可以作为输入端口。这时，被在外部拉低的p3口会用上拉的电阻输出电 流（ill）。还有p3口除了可以作为一般i/o口线外，还有更重要的用途。7. rst是复位输入。振荡器工作的时候，rst引脚会出现两个机器周期以上的 高电

27、平来使单片机复位。8. ea/vpp为外部访问允许。想要使cpu只访问外部的程序存储器（地址为 ooooh-ffffh ）。ea端一定要保持在低电下（接地）。要注意的是:如若加密位lb1被编 程，那么复位时，内部会锁存ea端的状态。若ea端是高电平（接vcc端），那么cpu 会执行内部的程序存储器屮指令。flash存储器在编程的时候，这个引脚在加上编程 允许的电源vpp，当然这一定是这个器件使用编程电压vcc。9. 振荡器的反相放人器及内部时钟的发生器的输入端。10. 振荡器的反相放大器的输出端。11. 数据存储器：内部的ram是冇256个字节的，80h-ffh的高128个字节和特殊 功能的寄

28、存器（sfr）的地址是重叠的，那么也就是高128个字节的ram与特殊功能的 寄存器的地址是一样的的，可是在物理上来说它们又是分开的。一条指令在访问7fh 以上内部地址单元的时候，在指令中用的寻址方式会不同，也就是寻址方式会决定是 访问高128字节的ram还是去访问有特殊功能的寄存器。如若指令为直接寻址方式那 么就访问特殊功能的寄存器。12. 屮断：一共有6个屮断向量，有两个外屮断（into和int1）,有3个定时 器屮断（定时器0, 1，2）与串行口屮断。13. 有一个用于构成内部振荡器的高堉益反相放人器，引脚xtal1和xtal2 分别是该放人器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片

29、外石英晶体或 陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路。3.1.2晶振电路在msp430单片机的内部就有一时钟电路，它的核心为一高增益的单极的反相的 放大器，是为丫把晶体振荡器提供来的振荡信号进行放大，xtal1引脚是这个放大 器的输入端，而xtal2引脚就是这个放人器的输出端了。虽然单片机的内部就有这 样的一个时钟电路，可是要想形成时钟，就一定要在外部接一附加的电路。所以是否 用这个内部的放大器，就会使单片机的吋钟的产生形成两种不同的方式：如果采用的 是内部的这个放大器，就叫内部方式；如果采用的是外部的放人器，就是外部方式。晶振频率是可以在1.212mhz的范围之间任意选择的，因为制造工艺的不

30、断改 进，一些单片机所接受的振荡频率范围在向这两端延伸，有的可以达到40mhz。单 片机的运行速度是会受到振荡频率影响的，振荡的频率越高笮片机的运行速度就会越 快，这样一来对存储器的速度及印刷电路板质量的要求也会变高。就算单片机的运行 速度再快若是存储器的存储速度不能跟不上的话，就算有再快的cpu那也是内有用 处的。虽然并联的谐振电路对电容的大小没有严格的要求，可电容的大小或多或少是会 影响到振荡器a有的稳定性及振荡器频率的高低及起振是的快速性的等等。因此一般 在外接晶体的时候，c8、c9的值通常的情况下是在20loopf之间的，在6070pf 的时候振荡器具有比较高的频率的稳定性。这个系统采

31、用的是石英晶体振荡器，这个的晶振频率是12mhz, cl、c2选取的 值是33pf,要注意的是在设计电路板的时候，晶振、电容等别的器件应该尽可能的 靠近芯片，这样能减小分布电容，从而可以进一步的确保振荡器的稳定性。xt2ov7图3-2超振电路3.1.3复位电路单片机对复位电路的要求是要能有一个持续的时间的，如果加上电容就可以利用 它的两端电压不可以突变的特性，以至于可以使复位电平能够维持一定的时间，让单 片机复位。我们应该知道单片机的复位方式可以分为两种：一是上电复位，这个方式 的原理是在系统上电的吋候利用电容两端的电压不能发生突变的能给系统提供一个 较为短吋的高电平；二是按键复位，这是通过按

32、键来接通高电平来吋系统复位。这个 系统设计把上电复位与按键复位都接了，也就是说这两总方式是同吋有效的。单片机复位电路（如图3.3）就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机， 按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行 中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头幵始执 行。按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当幵关按下时电容被放电、rst也 被拉到高电平，而1.由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。vcc图3-3 位电路3.2心率信号的采集就目前而言心率监测系统总共有以下那么几种的检测方法：一是光电容积的脉 搏波法；二是

33、液体耦合腔的心率传感器；三是压阻式心率的传感器：四是应变式心率 的传感器。就近几年来，光电的检测技术的发展在临床的医学运用中尤为快速，最主 要的是光可以避开较为强烈的电磁的干扰，还兵有特别高的绝缘性，这样可以不侵入的 来为病人检测身体各种症状的信息，这是具有结构相对简单、没有损伤、精度较高、 同时可以重复等等的优点。光电法来提取指尖的脉搏光的信息受到了那些投身于生物 医学仪器的工作专家及一些学者的青睐。3.2.1光电传感器的原理依据朗伯比尔的定律，物质在处于一定的波讼处时的吸光度与它的浓度会成正 比。在恒定的波长的光照到人体的组织上的时候，在通过人体组织的吸收以及反射的 衰减后，这样测量到得的

34、光照强度会在一定的程度上来反映出被光照射的部位的组织 的结构的特征。心率主要是通过人体的动脉舒张与收缩來产生的，而动脉的成分含量比较高的地 方是在人体的指尖组织屮，切在与其他的人体组织比较的时候可看出人体指尖的厚度 相对来说要较薄，这样可知想要检测到相对较强的光就得透过手指来检测，因而光电 式的脉搏传感器测心率的部位一般是在人体的指尖。手指的组织可以分为皮肤、肌肉、骨骼及非血液和血液的组织，而在非血液组织 中的光的吸收量通常会是恒定的。而我们都知道在血液中，在静脉血中的搏动相较于 动脉血中的搏动来说是十分微弱，因此我们一般来说是会忽略的。这样我们可以这样 认为在光透过手指之后引起的变化仅仅是因

35、动脉血中的搏动而引起的，这样在恒定的 波长光照致下，可以检测到透过手指的光照强度我们可以比较间接的检测到一个人的 心率的信号。3.2.2光电传感器的结构光电传感器是由红外的发光二级管与接收的三极管而组成的。当运用gaas的红 外的发光二极管当作光源的时候，这样可以基本的来抑制住由于呼吸运动所引起的心 率波曲线的变化。因为红外的接收三极管通过红外光照射会产生电能，其特性是可以 将光信号转变成电信号。在这个设计中，红外的接收三极管与红外的发射二极管面对 面的放可以得到比较好的指向特性。从光源所发出的光一部分会被手指组织所吸收，还有一部分会通过血液的漫反 射返回，剩下的部分会透射出来。通常情况下光电

36、式的心率传感器可以按光接收的方 式的不同分为两种，一是透射式，另一种是反射式的。透射式的布置情况是发射光源 和光敏接收器件之间的距离要相等且位置对称，选择该种方法可以比较好的反映出来 心律的时间关系。所以木次设计的系统运用的是指套式的采用透射式的光电传感器， 可以实现光电隔离，以此来减少对后级的模拟电路造成的干扰。器结构如下图3.4所示发光二极管光敏三极管图3-4透射式光电传感器3.2.3光电传感器检测原理根据心脏的跳动，我们人体组织的半透明度会随之发生变化：随着血液被送到人 体的组织，我们组织的半透明度会随之减小，而当血液流回到心脏，和同的组织半透 明度会随之增大；面这种现象会在人体组织比较

37、薄的部位会较为的明显例如手指尖、耳垂等。因而这次的设计是将红外的发光二极管所产生的红外线通过照射人体的手指 部位，光敏三级管（装在手指部位）会接收经手指组织反射与衰减而通过的透射光并 将其转换为电信号。因为心脏的跳动是有规律的所以手指屮水温动脉血会在血液的循 环过程屮也呈显出周期性脉动变化，这样可以知道它对光的所产生的反射和衰减也会 是周期性的脉动，于是红外的接收三极管所输出的信号的变化也就是反映出了动脉 血屮的脉动变化。我们只要把这个电信号通过转换变成脉冲接着通过整形，计数及显 示，最后就可以实时的检测出心脏跳动的次数并加以监测。3.3信号前置放大电路在硬件电路屮，心率信号的采集是关键的一步

38、。本系统所采用的是红色的发光二 极管与硫化镉制成的光敏电阻来组成透射的遮光指套式的光电传感器。红色的发光二 极管的稳定性较好，遮光的指套式装置相对减少了外界光对接收光的干扰，待测人只 需亚将待测的手指插入指套屮，就可进行测量了。在测试的时候，被测的手指正好会 处于发光二极管与光敏电阻的屮间，这样光敏电阻的电阻值便会随着手指的血容量的 变化相应的发生变化。因为心率信号是在高强噪声下的低微的弱信号，所以在选择前置放大器的吋候要 明白要具冇高输入阻抗的，低噪声低漂移，有一定的电压放大能力的，所以选择仪表 放大器就可以。这里选用的是ad620,为了避免在较强的干扰下，放大器的输出信 号出现失真情况，前

39、置放大器的电压放大不要太高，这里选的放大倍数是10倍。同 时还采用了右腿驱动电路来提高前置放大器的抗干扰的能力与共模抑制比，这样可以3.4高通滤波电路正常的心电信号的频率是在0.05至100hz之间的。而基本上大多数的是在0.25至 35hz之间的。噪声的来源有很多，为了消除这些干扰在心电信号的放大电路中加入了滤波器。高通滤波器选用的是op07,是一种低噪声的，非斩波稳零的双极性的运 放，它有非常低的失调电压，高精度低漂移。要求截止频率为0.05hz,品质因数0.707, 电容47uf,放大倍数为1.586.3.5低通滤波电路op07的系列是由单个的，具有高增益的，内部具有频率补偿的运算放大器

40、，是 专门为了从单电源提供电源的电压的范围经营的。它的运用领域较广，其中有传感器 的放大器，直流的增益模块及几乎所有的传统的运算放大器中，现在还可以更容易的 在单电源系统中实现的电路。例如，可直接操作的op07系列，这是用来在数字系统 中，轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的±15v电源标准的5v电源电压。op07是单个运放的集成电路，它采用的是14脚的双列的直插式的塑料封装。其 内部含有一组运算放大器，但是它除电源可以共用致外，运放是完全相互独立的。每一组的运算放大器可以用如下图3.4展示的符号来表示，其共拥有5个引出脚， 当中的是两个信号的输入端，“v+”、“v-”则是正、负

41、的电源端，而“vo”则为 输出端。在两个信号的输入端中，vi-(-)则是反相输入端，它表示的是运放的输出端 vo的信号和它的输入端的相位正好是相反的；vi+(+)则是同相输入端，它表示的是 运放的输出端vo的信号和它的输入端的相位是相同。因为op07单个运放电路的电源电压的范围较宽，静态的功耗较小，且价格比较低等的优点，所以它被较为广泛的运用在各类电路之屮。因为通过光电传感器所接收的信号会十分的微弱，会特别容易的被外围的电路干扰，所以系统一定要为信号的处理电路提供相应的电源。通过信号采集电路检测到 的信号在通过op07放人器放大致后仍然会有较大的偏置电压存在，因而一定要在信 号的输入端加如一个

42、滤波电容，在不会影响交流信号传递的情况下把电路中的那部分直流成份给滤掉。本系统是按照人体的心率在运动之后跳动的次数能达到200次/分钟的情况计算来设计这个低通放大器的，如下图3.6所示，是低通滤波电路，它是一种只允许低于规定的截止频率的信号才能通过，高于截止频率的都不会通过。对于不同的滤波器来说，每个频率的信号的强弱都是会不一样的。它利用的是电容通高频阻低频。对于需耍截止的频率用电容吸收，电感阻碍。对于需要通过的低频来说是利用电容高阻，电 感低;阻的戸抑片ep的截丨卜®志县访+俟粉县1图3-7低通滤波电路若按照人体的心率跳动是200次/分钟的吋候的频率考虑的话，这个低频特性是 比较满

43、意的。在通过低通放大器放大后所输出的信号会是通过叠加的且是一定有噪声 的脉动的正弦波。3.6陷波电路50hz工频信号陷波可以采用应用范围比较广泛的双t型的有源的带阻滤波，如 下图所示的是自举式的双t桥的二阶的有源带阻的滤波电路。这种滤波器的优点是品 质因数可以调节，便ii和这个带阻滤波器的中心频率是没有关系的。在这个电路，在 a2的同向的输入端接地的吋候即反馈系数最小，滤波器的相关系数是最小的，约为 0.3；在a2的同向输入端电位接近于滤波器的输出电位的时候即反馈系数最大，这吋 的相关系是最大的。但是相关系数太大了会造成电路的不稳定更有可能是电路发生自 激，一般的情况下相关因数会选在十到几吋的

44、这个范围内，调节变阻器可以改变相关 因数。这个图的带附滤波器的中心频率是50hz,相关系数20。图3-8陷波电路这里可以运用反向的滞lh电压比较器来进一步的提高电路的抗干扰的能力。可以 通过测试心率信号的强弱及对它的统计分析来确定其阈值。在检测到输入信号的时候，u3: b会在比较器的输入的信号每个后沿的到来的 时候输出高电平，致使c7用r14来充电。时间大约耍持续20ms左右，这个时间之 后因为c7的充电的电流会减小从而会使u3: b的同相输入端的电位下降，从而是同 相的点位低于反相输入端的电位，这样u3: b会改变状态并且会再次的输出低电平。 因为脉冲的高电平会和心跳保持同步，红色的发光二极

45、管d2会通过闪亮来指示出来, 也就是说发光二极管是作心跳状态的显示，发光二极管每闪亮一次就是心脏跳动一 次。3.7电压放大电路对于电压放大器的要求：具有低噪声的、低漂移的，还要有足够大的电压的放 大的能力的和一定的频带的宽度的，与此同时还有具有较大的动态的范围。所以这里 选用的是低噪声的，宽频带的集成运算放大器ne5532。它和很多的标准的运放和似, 不过的是它具有更好的噪声的性能，具有优良的输出的驱动能力，更重要的是相当高 的小信号的带宽，而且它的电源电压的范围较大大等。因此很适合被应用于高品质与 专业的音响的设备、仪器、控制电路和电话的通道放大器中。在用作音频放大的时候 它的音色温暖，且保

46、真度较高，要知道的是在上世纪的九十年代初的时候，它在音响 界是被发烧友们叫做“运放之皇”的，到现在仍然还是有很多的音响发烧友们手中必备 的运放。由于心电信号微弱，虽然有前置放大，可是这里得把电压放大的倍数达到1000 倍左右。前边的电路己经有了一定的放大作用，所以这里的电压放倍数只要能达到v04ne5532c?30页第14页63倍就可以满足要求。图3-9电压放大电路3.8报警电路报警电路的接线部分如下图所示，这里使用的报警装置是一个蜂鸣器，它的一 端接u，另外一端则接的是地。在u处于高电平的吋候就会发出嘟的声响，这就是报 警的提示音。当我们在完成系统初始化的吋候会发出“嘟、嘟、嘟”的连续三声。

47、当系 统在正常运行之后，当检测到的生理参数值超出正常阈值的时候，报警电路就会“嘟 嘟嘟”的报警，当生理参数值变回正常阈值之内或者是重新启动监测仪时警报才会得 到解除。因为mcu的10的电流驱动的能力是十分有限，所以我们在这里使用了一个 pnp型的三极管用来驱动蜂鸣器。如下图所示是具体的连接关系。在p6.7端口的输出 是高电平，pnp型的三极管将就会被导通，蜂鸣器就会发声；在p6.7端口的输出为低 电平的时候，pnp三极管就会截止，那么蜂鸣器就会被关闭。?6.7r16itq1图3-10报警电路3.9显示电路本次设计采用丫的是液晶显示，如下图所示12864字符型的lcd液晶的显示模块是价格较低的一

48、款的液晶。本次设计所用 的是lcd 12864是带有背光的一种液晶显示屏。液晶显示器具有超薄轻巧、功耗特别小、显示内容丰富、体积小等的诸多优点， 这也使它在袖珍式的仪表与低功耗的应用系统之中得到的运用越来越广泛。1602所 采用的是标准的16脚的接口，vss是地电源，vdd则接的是5v的正电源，v0就 是液晶显示器的对比度调整端，需要知道的是接正电源的吋候对比度是最弱的，接地 电源的吋候对比度是最高的，但是要注意的是对比度如果过高就会出现“鬼影”的现 象，出现这种情况可以通过调整2kq的电位器来达到满意的对比度。rs是寄存器选 择，是高电平的时候选择的是数据寄存器，为低电平得时候选择的是指令寄

49、存器。rw 是读写信号线，当为高电平的时候进行读操作，当为低电平的时候进行写操作。rs 与rw同样是低电平的时候可以写入指令，要么显示地址；当rw是高电平且rs是 低电平的时候是可以读忙信号;若rs是高电平且rw为低电平的时候可以写入数据。 需知道e端是使能端，在e端从高电平跳转成低电平的时候，液晶模块就会执行命 令。双向数据线则是d0d7，是8位的。需要注意的是在对液晶屏进行操作的之前，一定要先设罝好正确的数据的传输模 式，然后耍控制液晶模块来完成一次复位的动作，就是通过控制74hc595(u11)的qc 和qb端口的电平来实现。液晶控制端口使用3.3v的逻辑电平，背光驱动电压同样 为 3.

50、3v。图3-11 12864显示器图3.9键盘电路在这个系统屮键盘模块是可以人机进行交流的模块，键盘主要是为y是用户 能清楚的使用这个系统。为丫能够节省i/o口的资源，这个系统采用丫四个按键，分 别为开机、测试、暂停、重测。由于变成扫描、定式扫描的键盘工作方式过多的占用 cpu时间，本系统为了不过的占用cpu时间，这个键盘是4x4的矩阵式键盘与四个独 立式按键复用的键盘，其电路原理图如图3.14所示。如果p1.7输出低电平，则k1k4 四个按键就构成了四个连接到p1.0p1.3端口的独立式按键；如果p1.6输出低电平，则 k5k8四个按键就构成了四个连接到p1.0p1.3端ui的独立式按键；如

51、果p1.5输出低电 平，则k9k12四个按键就构成了四个连接到p1.0p1.3端口的独立式按键；如果p1.4 输出低电平，则k13k16四个按键就构成了四个连接到p1.0p1.3端u的独立式按键。 如果用户不需要独立式按键，那么直接用程序控制p1端口的扫描信号，键盘电路就是 一个工作在扫描方式的4x4的矩阵式键盘了。vccfikfliefikllieh.0h.th.2h.3sts?s?s?:.c| l11 *h0 1幻s?,*oo1<1-1 &mb0113幻-:.c|11 h0 1幻s?,*紀闺l 'li&v-pb01fll.4pi.spl，3.10电源电路因为m

52、sp430是3.3v供电的，所以要用一个电压芯片转换来的到3.3v。所以这里用到的是ams1117。转换电路如下图所示。vcc5vcc1-3-1 *匕 v,為、* m第4章软件系统设计4.1主程序流程系统主程序就是使单片机系统能够按照事先预定好的顺序进行，主程序就是单片 机系统的程序的框架。在系统上电之后，我们要知道对系统进行初始化时必要的。初 始化的程序负责的是对单片机内部的专用的寄存器和定时器的工作方式以及各个端 口工作状态的设定。在对系统进行初始化之后，还要进行定时器的中断、外部的中断 以及显示数据等的工作。不一样的外部硬件对应的不子程序是不会相同的。主程序的 流程如下阁4.1所示。图4

53、-1主程序流程图4.2中断程序流程一分钟内计时、能否测试到信号的判断及其它的部分组成了定时器的中断服务程 序。在定时器的中断进行执行之后，就对一分钟的心跳进行计时，只要60s的时间到 了就会停止并切回保存所测得心跳的次数。与此同时还可以对电路中的按键进行检 测，想要进行重新测试我们只需要把原有的测试值进行复位。中断程序主要完成的是 对一分钟内的定时功能以及保存测试所得到的心跳的次数。还有外部中断程序主要完 成的是对外部的信号进行测量与计算。外部中断所采用的方式是边沿触发这个方式， 在处于测量状态时，测得一个脉冲就耍对心跳次数加一。设定的一分钟是由单片机的内部定时器控制的，依次累加所得到的就是一

54、分钟内人体的心跳次数。中断程序的流 程图如下图所示。图4-2中断程序流程图4.3显亦程序流程显示程序不仅要显示出上次测得得心跳的次数还要显示出在测中的时间以及心 跳的次数。在中断程序之中得到结果之后，首先需要显示出上次测得的心跳次数，然 后在经过10ms延时之后显示出在测试中的心跳的次数，接着还要经过101的延时之 后显示出测试中的时间。显示程序的流程图如下图所示。取结果显示上次的结果图4-3显75程序流程图第5章总结随着现代科技及经济的发展，人们对自身的健康越来越重视，不在是简单的关注 丫。同样的对那些健康监护的产品也越来越重视，要求也越来越高，随之而来的是需 求量不断的提升。所以心率的监测

55、系统不在只是在危重病房屮了，现在在普通的病房 当屮也是需要的。它的应用范围变得越来越广泛，与以前相比有了很大的提升，所以 现今的市场对心率监测系统的需求变的越来越大，发展的前进是巨大的。本次所设计的可穿戴式的心率监测及显示系统实现起来简单，能方便的使用，还 能在我们的日常中使用，所以具有实际意义。可是准备的吋间比较短，自己所掌握的 知识量不是特别的充足，所以这个系统还冇许多不足的地方。遗憾的是这个测量仪的 功能会比较单一，没有那种语音播报这样人性化的功能，不能使系统读出心跳的次数。 在这个设计的硬件电路中用到的运算放大器的数量也比较多，这对电源的管理加大了 一定的复杂性。现在的科技是发达的，每

56、天都会有新鲜的事物产生，像这种心率测量 及监测的系统的功能一定会得到进一步的发展，还有很大的提升空间，这会使我们的 生活能更加丰富多彩，还能给我们的生活提供不少的方便。通过这次的毕业设计让我明白了许多。以后不管在做仔何的事情的时候都要在动 手之前做好相关的工作，不要为了完成而完成，被动的盲目的去做。对心率监测系统 在w内外的发展有了一些了解，知道了它应用该范围的宽广，还有巨大的市场前景。 让对硬件的设计及一些模块的功能有了进一步的了解。明白了要完成一件事情不懈的 毅力是会有难以想象的影响的。致谢眨眼之间大学的四年生活就要走完丫，在这个四年当屮，我学到的一些知识，交 到了新的朋友，明白了之前为人处世没有的新技能。这要感谢学校提供了一个这样能 让我们自由发挥的舞台，让我们能在校园里展现自己的特长。在这样的一个小社会里, 我们一起生活一起学习，相互之间的关系因此而拉进。要感谢老师对我的指导，让我 明白丫知识的无穷性。指引我顺利的完成这次毕业设计，认真的审查，指出其中的不 足以及那些需要改进的地方，使我能及时的修改。父母是在我生命中最最重要的人， 不管我做什么他们都会支持我，从来没有变过，他们是我在前进道路上的动力，是我 或得成功的基石，十分感谢他们这么多年来对我的付出与培养。还要感谢我的室友们，离幵远方的家来到这个完全陌生的城市，你们与我一起