基于單片機的智能SMS心率計設計

張建民　郭伙令　龍佳樂　李燁

摘 要： 設計實現了從單片機為控制核心的智能SMS心率計。通過被測人將手指放在紅外傳感器中間時，由于指尖的血液透明度隨脈搏跳動會有明顯變化，可根據光敏接收管收到的信號，對脈搏檢測信號進行放大、濾波、整形，得到一個矩形波計數信號，此信號被STC89C52單片機識別用于被測人的脈搏計算。該設計合理地利用軟件編程的方法，只需2 s即可在LCD1602液晶屏上顯示心率值，還具備心率報警功能，可以自由設置限值，如果低于下限值或高于上限值，則該模塊會發出響聲和發短信給相關的監護人進行報警。實驗表明，該研究對實際應用具有一定的參考價值。

關鍵詞： 智能SMS心率計； 脈搏計算； 紅外傳感器； STC89C52； 短信服務

中圖分類號： TN911?34； TM912； TP216 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）06?0148?03

Abstract： The intelligent SMS cardiotachometer based on microcontroller was realized with this design. When a person puts his fingertips in the middle of infrared sensors， because the transparency of his blood has obvious changes with pulse beat， the pulse detection signal is amplified， filtered and shaped according to the signal received by the infrared sensors of phototransistor to obtain a square wave signal which can be recognized by the single chip microcomputer STC89C52 to calculate the pulse of the person under test. With rational software programming method， the heart rate is displayed on LCD1602 within 2 seconds. This intelligent SMS cardiotachometer can set the threshold of heart rate by buttons. If the heart rate is out of scope between the lowest and highest thresholds， it will make a sound alarm and send a SMS message to guardians mobile phone. This research has a certain value for actual application.

Keywords： intelligent SMS cardiotachometer； pulse calculation； infrared sensor； STC89C52； SMS

0 引 言

每年死于心腦血管病的有近200萬人，是所有疾病中死亡人數最多，治療費用最大的，因此有必要對心腦血管病引起足夠的重視。據科學研究，對心率的檢測可以在一定程度上預防心腦血管病的發生。

心電圖機可以精確測量人體心率，但是由于費用巨大，所以不能普及。市面上一些精確的測心率的儀器大部分都是采取壓力傳感器，另外配備一些數字芯片驅動數碼管，達到心率顯示的目的，這種心率測試儀性能穩定，但是功能單一，測試速度很慢，可擴展性差，而且價格比較貴[1]。本文設計基于光電傳感器的便攜式心率計，其是一款低成本、多功能、便攜式和智能化的心率測試儀，可以很好解決市面上心率測試儀的不足并且有一定的創新性[2?4]。

1 硬件設計

本設計主要以STC89C52單片機作為核心控制，兼具ATK?900A的遠程報警模塊，當被測人心率不在設置的范圍內就發短信給相關的人，進行報警，引起他們的注意。采用直徑為5 mm的紅外對管作為脈搏傳感器，根據脈搏跳動時，指尖的血液濃度發生變化，從而紅外對管可以采集到脈搏信號。直接采集到的信號很微弱且夾著很多干擾，因此需要放大、濾波、整形后方可讓單片機識別，利用軟件編程的方式進一步濾波，篩選出準確的脈搏信號，并通過檢測計算兩個脈搏信號的上升沿所用的時間，從而在LCD1602上快速顯示每分鐘的心跳數目，大概1～2 s。當心率不正常時，蜂鳴器會發聲同時發短信給相關的親朋好友，引起重視。通過按鍵切換的方法可以實現時鐘顯示和溫度檢測功能。心率計電路結構框圖如圖1所示。

通過把指尖放到紅外對管的中間，當脈搏跳動時，血液濃度高、透明度低，接收管不能導通，輸出的電壓較大；當沒有脈搏跳動時，血液透明度高，接收管導通，輸出電壓較低[5]。

脈搏信號處理過程如圖2所示。

由于紅外傳感器采集到的脈搏信號小且干擾多，需要進行放大、濾波和整形。信號通過隔直電容C2、去除直流分量，取C2的容值為1 μF，保證所有的交流信號能通過，因為此信號很小，所以需要放大。

在用運算放大器對此信號進行放大之前，為了保證當信號為0時，能夠讓運放的輸出直流量也為0，需要加上一個幾十千歐的電阻，所以本設計加了一個60 kΩ的電阻。去除直流信號影響后，需要對前面的交流信號進行濾波。當人的心率為50次/min，則頻率為0.78 Hz；當心率達到199次/min，則頻率[6?7]可以達到3.33 Hz，因此人體脈搏是屬于低頻信號。

C3，R8并聯組成低通濾波電路，濾掉高頻分量，提取出脈搏信號。將提取出的脈搏信號進行放大，放大倍數主要由6腳的10 kΩ電位器決定，通過調節該電位器，大概放大200倍即可。濾波放大后的低頻信號經過C4隔直電容后，可以進一步去除干擾信號，純凈的脈搏信號通過一個比較器與2.5 V電壓比較，得到一個方波信號，用LED指示燈的一閃一滅模仿人體的脈搏跳動情況。

2 軟件設計

主程序流程圖如圖3所示。

首先將各部分進行初始化，具體是LCD1602初始化、定時計數器T0/T1初始化、DS1302初始化、DS18B20初始化、心率計算清零，為后面做好準備。初始化程序執行完畢后，程序對按鍵進行循環檢測，并做好防抖。

心率計算程序設計流程圖如圖4所示[8?9]。步驟如下：

（1） 如果目前LCD1602顯示的不是“Heart rate”，則先按下心率顯示按鍵；

（2） 按下相應的按鍵進行心率上下限設定，設定好后，進行下一步；

（3） 賦初值和設置相關的位，初始化T0，T1，M；

（4） 等待10 ms，檢測單片機的P3^2口的狀態，判斷脈搏信號是否存在；如果存在則M加1，如果不存在則M清0，重新開始檢測；

（5） 當連續成功檢測3次穩定的脈搏信號時，則開始清xintiao_jishu變量，并開始計時；

（6） 重新檢測3次P3^2口狀態，如果脈搏信號穩定，檢測成功，則開始查看xintiao_jishu的值；

（7） 用公式Count=60 000/xintiao_jishu得出心率值；

（8） 分解Count的百位、十位和個位并送到LCD1602顯示。

3 數據測試與分析

為了驗證本設計測量心率的準確性，做了一組高精度的腕式脈搏測量儀與本設計的對比實驗，測試結果如表1所示。

從表1計算出心率計的相對誤差是1.43%，原因是本設計采集到的信號相對腕式傳感器來說，不夠穩定，存在一定的干擾，因此誤差為1.43%是可以接受的。

4 結 論

本設計以STC89C52為控制核心，紅外對管作為脈搏信號傳感器，由脈搏信號的濃度差提取出人體微弱的脈搏信號，利用軟件編程的技巧可以快速顯示人體的心率值，通過指示燈也可以得知脈搏跳動情況。此外本設計還具有心率異常報警功能、溫度和時鐘顯示功能等，增加了本設計的額外價值。本文設計的心率計具有低成本、功能多、便攜式、安全可靠的特點，具有一定的實用性。

參考文獻

[1] 毛永明.心率監測在高校體育訓練與比賽中的應用價值[J].體育科技文獻通報，2011，19（1）：69?71.

[2] 管芳，黃新，胡鴻志.便攜式心率監測計的設計[J].儀表技術，2014（1）：37?39.

[3] 李戰勝，萬葉麗.基于ZigBee技術的便攜式心率計的設計[J].電子世界，2015（13）：51?52.

[4] 魏慶國，奉華成.基于FPGA的數字式心率計[J].電子技術應用，2005，31（7）：75?77.

[5] 孫亮，胡澤，李丹.智能人體心率檢測裝置的設計[J].現代電子技術，2009，32（2）：164?166.

[6] 黃川.基于單片機的數字心率計設計[J].科技資訊，2013（26）：14.

[7] 王磊，王軍.基于SIM900A的嵌入式遠程家電控制器設計[J].蘇州科技學院學報，2014，27（1）：77?78.

[8] 石建飛.數字心率計的單片機設計與實現[J].自動化技術與應用，2013，32（5）：67?69.

[9] 徐宏祥，田豐，劉國權，等.基于FPGA的數字心率監測儀設計[J].微處理機，2011（6）：84?86.