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文档简介
1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业微机式医学仪器设计课程论文基于单片机的心率监控系统设计班级学号:姓 名:生物医学工程2013年12月摘 要心率是指单位时间内心脏跳动的次数,一般指每分钟的心跳次数,是临床常规检查的生理指标。心率监测系统在我们的日常生活中已经得到了非常广泛的应用。在医学上,通过测量人的心率,便可初步判断人的健康状况。本课题设计完成了一个基于51单片机的心率监测系统。系统以AT89C51单片机为核心,以红外发光二极管和光敏三极管为传感器,利用单片机系统内部定时器来计算时间,由光敏三极管感应
2、心跳脉冲,单片机通过脉冲累加得到心脏跳动次数,在数码管上显示心跳次数和时间。系统实现了心率的实时监测与显示、定时测量以及报警提醒等功能。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;AT89C51单片机;光电传感器AbstractHeart rate generally refers to the number of heart beats per minute. It is one of the physiological indexes in clinical routine examination. The heart rate monitoring sys
3、tem has been widely used in our daily life. In medicine, it can preliminarily determine the health status by measuring heart rate. This paper proposes a new system based on a single-chip microcomputer and two sensors of an infrared light emitting diode and a photo transistor. The sensors detect hear
4、t beating and the single-chip microcomputer gets the frequency by accumulating the times of heart beating. The time is obtained by the inner timer of the single-chip microcomputer. This system can not only display the heart rate, the test time online, but also give alarming as a reminding when the h
5、eart rate is not normal. The test result shows that the system works well with high sensitivity and short delay. It has realized the functions of design.朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典Keywords: Hearting rate monitoring;AT89C51 single-chip microcomputer;Photoelectric sensor目录 TOC o 1-3 h z u 第一章 概述1.1选题背景和意义心率(Hear
6、t Rate)是用来描述心跳周期的专业术语,是指心脏每分钟跳动的次数, 它不仅是反映心脏功能强弱的重要标志,也是反映人体运动强度的生理指标。 心率携带有丰富的人体健康状况信息。进入21世纪以来,科技不断的发展,电子产品越来越多,系统的价格越来越便宜;产品的科技含量比例也越来越大,性能越来越可靠。人们日常的生产、生活都在慢慢走向高度自动化和智能化。医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟心跳数,方法是用听诊器放在胸口处,根据心脏的跳动进行计数。为了节省时间,一般不会作1分钟的测量,通常是测量10秒内的心跳数,再把结果乘以6得到每分钟的心跳数,这样做还是比较费时,而且精度也不高。为了提高心
7、率测量的精确性与速度,多种心率监测仪被运用到医学上来,从而开辟了一条全新的医学诊断方法。随着国民经济的不断发展,人们生活水平不断提高,健康已成了人们关注的焦点和追求的目标。目前心率监测仪在多个领域被广泛应用,除了应用于医学领域,如无创心血管功能检测、妊高症检测、中医脉象、脉率检测等等,商业应用也不断拓展,如运动、健身器材中的心率测试都用到了技术先进的心率监控仪。1.2心率监测系统的发展与应用随着科学技术的发展,心率监测技术也越来越先进,对心率的测量精度也越来越高,国内外先后研制了不同类型的心率监测系统,其关键在于对心率传感器的研究。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
8、用此类传感器所研制的指脉、耳脉等测量仪各有其优缺点。过去在医院临床监护和中老年保健中出现的日常监护仪器,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。近年来国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
9、中提取人体的病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。第二章 心率监测系统工作原理本设计采用单片机AT89C51为控制核心,实现心率监测系统的基本测量功能。该系统的硬件框图如下图所示:外部中断信号光电传感器低通放大器比较器/振荡器单片机AT89C51数码显示
10、电路外部晶振报警电路当手指放在红外发射二极管和接收三极管中间,随着心脏的跳动,血管中血液的流量将发生变换。由于手指放在光的传递路径中,血管中血液饱和度的变化会引起光的强度发生变化,因此和心跳的节拍相对应,红外接收三极管的电流也跟着改变,这就使红外接收三极管输出脉冲信号。该信号经放大、滤波、整形后输出,输出的脉冲信号作为单片机外部中断信号。单片机电路对输入的脉冲信号进行计算处理之后把结果送到数码管显示。第三章 硬件系统设计3.1光电传感器结构传感器由红外发光二级管和接收三极管组成。采用GaAs红外发光二极管作为光源时,可基本抑制由呼吸运动造成的心率波曲线的漂移。红外接收三极管在红外光照射下能产生
11、电能,它的特性是将光信号转换为电信号。在本设计中,红外接收三极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。从光源发出的光除了被手指组织吸收以外,一部分由血液漫反射返回,其余部分透射出来。光电式心率传感器8按照光的接收方式可分为透射式和反射式两种。其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置,这种方法可较好地反映出心律的时间关系。因此本系统采用了指套式的透射型光电传感器, 实现了光电隔离,减少了对后级模拟电路的干扰。结构如图3.2所示。图3.1 透射式光电传感器3.2 信号取样电路硬件电路中,关键部分在于心率信号的检测。系统采用红色发光二极管和硫化镉光敏电阻组成透射遮光指套式光电
12、传感器。红色发光二极管稳定性好,遮光指套式的装置减少了外界光的干扰,只需将待测手指插入,便可进行测量测试时,被测手指正好处在发光二极管和光敏电阻之间,这样一来,光敏电阻的阻值便将随着手指的血容量的变化而变化。心率信号取样电路如图3.2所示,U4是红外发射和接收装置,由于红外发射二极管中的电流越大,发射角度越小,产生的发射强度就越大,所以对R17阻值的选取要求较高。R17选择270同时也是基于红外接收三极管感应红外光灵敏度考虑的。R17过大,通过红外发射二极管的电流偏小,红外接收三极管无法区别有心跳和无心跳时的信号。反之,R17过小,通过的电流偏大,红外接收三极管也不能准确地辨别有心跳和无心跳时
13、的信号。硬件系统是通过检测指尖来采取脉搏信号,从而得到心率信号。当手指离开传感器或检测到较强的干扰光线时,输入端的直流电压会出现很大变化,为了使它不致泄露到U3A输入端而造成错误指示,用C8、C10串联组成的双极性耦合电容把它隔断。图3.2 信号采集电路3.3信号放大电路LM324 是四运放集成电路,它采用14 脚双列直插塑料封装.它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图3.3所示符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,
14、表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相同。LM324 的引脚排列见图3.4。 图3.3 运算放大器 图3.4 引脚排列由于LM324 四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小, 价格低廉等优点,被广泛应用在各种电路中。3.4 低通放大电路由于通过光电传感器接收到的信号极其微弱,容易被其外围电路所干扰, 因此系统必须为信号处理电路提供电源。检测到的信号经过LM324放大器放大后仍存在较大的偏置电压,因此必须在信号输入端加滤波电容,将电路中的直流成份滤掉并保证不影响交流信号的传递。该系统按人体心率在运动后跳动次数达20
15、0次/分钟的计算来设计低通放大器,如图3.5所示。R24、C6组成低通滤波器以进一步滤除残留的干扰,截止频率由R24、C6决定,运放U3A将信号放大,放大倍数由R22和R24的比值决定。经过低通放大后输出的信号是叠加有噪声的脉动正弦波。图3.5 信号低通放大电路根据一阶有源滤波电路的传递函数,可得: (3.1)放大倍数为: () (3.2) 截止频率为: (3.3)按人体心率跳动为200次/分钟时的频率是3.3 Hz考虑,低频特性是令人满意的。经过低通放大后输出的信号是叠加有噪声的脉动正弦波。波形如图3.6所示。图3.6 脉动正弦波3.5单片机控制电路本设计采用单片机最小系统作为信号的处理电路
16、,如图3.7所示,来自取样和整形输出电路的脉冲电平输入单片机AT89C51的/INTO脚,单片机设为负跳变中断触发模式,每次脉冲下降沿到达时触发单片机产生中断并进行计时,来一个脉冲心跳次数就加一;定时器中断主要完成一分钟的定时功能。图3.7 单片机处理电路3.6 LED显示电路本设计采用LED数码管动态扫描来显示数据。两个4位的共阳极LED数码管组成8位显示,其中0、1两位显示测量中的时间,3、4两位显示测量中的心跳次数,6、7两位用来显示上次测量的数据,如图3.8所示。单片机P0口控制显示字型,P2口控制显示字位。图3.8 单片机处理电路3.7 报警电路报警电路部分如图3.9所示,它使用的是
17、一个蜂鸣器,其一端接P1.1,另外一端接地。当P1.1为高电平是就发出嘟的声音,为报警提示音。在系统初始化完成时会“嘟、嘟、嘟”连响三声,系统正常运行后在出现生理参数超出正常阈值时,报警电路会嘟嘟嘟的报警到生理参数回到正常阈值内或重启监测仪才会解除报警。图3.9 报警电路3.8硬件系统原理该硬件系统由信号取样,信号放大,波形整流,数码管显示以及报警等以上所述几部分电路组成,心率信号通过取样电路的传感器检测,经过信号放大,滤波,整流后,由单片机内部进行处理,最后将检测到的信号通过显示电路显示出来,其硬件原理图如图3.10所示。图3.10 电路原理图 第四章 软件系统设计4.1 主程序流程系统主程
18、序控制单片机系统按预定的操作方式运行, 它是单片机系统程序的框架。系统上电后,对系统进行初始化。初始化程序主要完成对单片机内专用寄存器、定时器工作方式及各端口的工作状态的设定。系统初始化之后, 进行定时器中断、外部中断、显示数据等工作,不同的外部硬件控制不同的子程序。流程如图4.1所示。图4.1 主程序流程图4.2 中断程序流程定时器中断服务程序由一分钟计时、有无测试信号判断等部分组成。当定时器中断开始执行后,对一分钟开始计时,到60s到了再停止并保存测得的心跳次数。同时可以对按键进行检测,只要复位测试值就可以重新开始测试。主要完成一分钟的定时功能和保存测得的心跳次数。外部中断服务程序完成对外
19、部信号的测量和计算。外部中断采用边沿触发的方式,当处于测量状态的时候,来一个脉冲心跳次数就加一,由单片机内部定时器控制一分钟,累加得出一分钟内的心跳次数。流程如图4.2所示。图4.2 中断程序流程图4.3 显示程序流程显示程序包括显示上次的心跳次数、本次测量中的时间和心跳次数。从中断程序中取得结果后,先显示上次的心跳次数,经过10ms的延时后再显示测试中的心跳次数,再经过10ms的延时显示测试中的时间。流程如图4.3所示。图4.3 显示程序流程图第五章 系统测试结果5.1 硬件调试根据系统设计方案,本系统调试分为两大部分:模拟部分和MCU部分。系统设计采用模块化设计,方便各电路功能模块的逐级测
20、试。断开两部分连接点,先调试MCU部分,试着输入一系列脉冲,观察MCU部分能是否能显示;模拟部分用不透明的笔在红外发射二极管和接收三级管之间摇摆,用示波器观察波形效果如何。单片机软件先在最小系统板上调试,确保工作正常之后,再与硬件系统联调。最后将各模块组合后进行整体测试,使系统的功能得以实现。调试过程中的问题及解决办法:(1)传感器输出的正弦波幅度很小,经整形输出后检测到的脉冲还是很弱,在确定电路没有问题的情况下,加强信号的放大倍数,调整电阻R22和R24的阻值。(2)测量显示正常但经适当运动后测量,心跳次数没有增加,经检查是前置放大级有问题,更换之后系统运行正常。(3)进人测量状态后,测量值
21、不稳定,主要是光电传感器受到手机等电磁波干扰,其次是指尖汗液影响测量,将手机关机且测量前擦干指尖汗液即可。5.2 系统测试表5.1 测量结果标准第一次测量第二次测量第三次测量第四次测量第五次测量6864676667637270716969707676757574738280807981808583838582845.3 误差分析根据均方差公式对以上表格数据进行计算得: =0.28 (5.1)误差分析结果,均方差越小,结果就越接近平均值,该处平均值即为实际测量的标准值。由于冬季和夏季的心率值不同,本实验的数据使用夏季测量的值。实验结果产生的误差主要来自硬件方面,实验室的背景光、电磁波等以及手指汗
22、液都会影响传感器的信号采集,最终导致测量数据的偏差。由于传感器和其他器件本身并非理想线性,因此实测数据进行了线性补偿,使得误差值能保持在合理范围内。经校准,非线性补偿后,误差在合理范围内。总结与展望随着现代经济的快速发展,人们对健康的重视程度越来越高,对健康监护产品的需求量也稳步提升,心率监测系统已从危重病人监护,发展到如今普通病房的监护,其应用范围越来越广泛,市场对心率监测系统的需求也越来越大,具有很大的发展前景。本次所设计的监测系统实现简单、功能稳定、使用方便,应用广泛,具有实际意义。由于时间比较短,同时本人掌握的知识有限,本次设计还存在很多不足,如程序不够简练,电路板不够美观,光电传感器
23、灵敏度不够高,数码管显示部分不够完美等,同时此次设计的测量仪功能比较单一,没有如语音系统实现自动读出心跳次数等人性化功能,且在设计过程中使用的运放数量也较多,加大了电源管理的复杂度。但我相信科技的进步势必会使监测仪的功能日益强大和完善,应用领域会不断扩大,会给我们的生活带来更多的方便和精彩。为了更好的进行心率监测系统的设计,在近一个学期的时间里,认真收集有关资料,并做相关的整理和阅读,为这次的设计做好充分的准备。经过此次毕设,我受益良多:(1)无论做什么事都应该事先做好充分的准备,不应该为了完成任务而被动盲目的学习;(2)了解了心率监测系统在国内外发展之迅速、应用领域之广、市场前景之大;(3)
24、对硬件设计和各模块的功能有了更深的了解,同时提高了动手能力;(4)体会到坚持不懈的毅力对完成一件事情起着巨大的作用;(5)体会到团队合作精神的重要性及相互讨论过程中的乐趣。参考文献1 欧阳俊,谢定基于BL-410的指端脉搏波采集系统应用研究J实用预防医学报,2004,第11卷,第2期,2-42 程咏梅,夏雅琴,尚岚人体脉搏波信号检测系统J北京生物医学工程报,2006,第25卷,第5期,1-33 郁道银,谈恒英工程光学M北京:机械工业出版社,19984 何忠蛟. 基于单片机控制的心率计J邵阳学院院报,2008,第5卷,第2期,28-29 5 Yunus A Cengel,John M Cimba
25、laElectronic Fundamentals and ApplicationsMAmerica:McGraw-Hill Science,20046 Koenig L JAccelerated C+Practical Programming by ExampleMAmerica:Addison Wesley,2000附 录参考程序心率监控智能系统的信号采集、处理、显示的程序#include #define uint8 unsigned char#define uint16 unsigned int#define TIMER0_HIGHT 0 xDC/设置定时器0工作方式1自动装载初值,定时
26、10ms,Fosc=11.MHZ#define TIMER0_LOW 0 x00sbit keyin = P31;/按键输入bit starttest;/启动测心率标志uint16 cnt10ms;/10ms计数器uint8 cnt1s;/1秒计数器uint8 Pulsecnt;/心跳次数,计数器uint8 Pulsenum;/上次测试的心跳次数uint8 codeDispCode=0 xC0,0 xF9,0 xA4,0 xB0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,0 x90;/共阳数码管段码表void Init_Extint(void);void TimerInitP
27、roc();void initvar();void Init_System(void);void Display(uint8 chose_dat, uint8 dat);void ShowDisp(uint8 tPulsenum, uint8 tPulsecnt, uint8 tcnt1s);void DelayMs(uint8 Ms);void main()Init_System();/初始化while(1)ShowDisp(Pulsenum, Pulsecnt, cnt1s);/显示/* 函 数 名: Exti0_interrupt* 函数功能: /INT0引脚下降沿进入中断* 入口参数: 无* 返 回: 无*/void Ext0_interrupt(void) interrupt 0if(starttest = 1)/处在测试状态Pulsecnt+;/来一次中断心跳计数器加1/*函数功能:定时器/计数器0中断处理入口参数:null返 回:null备 注:null*/void Timer0IntProc() interrupt 1TH0 = TIMER0_HIGHT;/设置定时器0高字节初值TL0 = TIMER0_LOW;/设置定时器0低字节初值if(+cnt10ms = 100)/1s计时到cnt10ms = 0;if(starttest
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