心率監測系統設計

羅通

摘? ?要：隨著社會的發展，人們從最初滿足現狀的心態過渡到了為追求美好生活而不斷奮斗的狀態，健康問題變得愈發重要，同時，也在不斷困擾著人們，對于家庭幸福、社會和諧具有重要影響，尤其在老年疾病預防、老年健康宣傳指導等方面，更要引起重視。文章采用AT89C52單片機作為系統控制的核心，采用GMS模塊和脈搏式心率傳感器設計一款心率檢測系統，能夠及時檢測人的心率狀態，達到有問題及時就醫的目的。

關鍵詞：心率傳感器;心率監測;GMS模塊

心率是用來描述心動周期的專業術語，指心臟每分鐘跳動的次數，以第一聲音為準。現代漢語將心率解釋為“心臟跳動的頻率”。頻率就是在單位時間內，某件事情發生的次數。兩種解釋合起來就是，心臟在一定時間內跳動的次數，也就是在一定時間內，心臟跳動快慢的意思。一般為60～100次/分鐘，可因年齡、性別或其他生理因素存在個體差異[1]。一般來說，年齡越小，心率越快，老年人心率比年輕人慢，女性的心率比同齡男性快，這些都是正常的生理現象。安靜狀態下，成人正常心率為60～100次/分鐘，理想心率應為55～70次/分鐘。如何實時地監測自己的心率是否屬于正常值范圍是很重要也很必要的事情。

當下高新科技遍布工業制造和生活領域，尤其信息技術、網絡技術融入著人們的生活，并改變了人們的生活方式，推動了許多重大的科學研究，實現了生產的飛躍，電腦也越來越多地應用到人們的生活和工作等方方面面。單片機一經問世，就憑借其集成度高、功能多元、性能穩定、造價低廉、體積小等技術優勢和性能優勢，快速搶占實時控制與數據處理等應用市場，并相繼開發出工業控制單元、移動設備、通信終端、機器人、汽車電器、小型家電及辦公自動化設備等一大批產品，而且單片機技術也在不斷發展和完善，推動傳統控制領域的變革與發展。

截至目前，人們習慣于通過評估單片機應用技術，來評定某國的科技發展水平。本文開發的基于全球移動通信系統（Global System for Mobile Communication，GSM）網絡的心率檢測系統使用單片機進行調控，能夠快速測定人體的心率特征，獲悉被檢查者的機體狀態，整個操作過程較為簡易，適應于普通人的應用需求，而無需專業人士的指導、協助，尤其適合老年群體使用，具有廣闊的市場價值。

1? ? 系統硬件設計

1.1? 系統工作原理

系統主要是由AT89C52微控制器及其他集成電路組成，具體來說由GSM模塊、數據存儲、顯示模塊、心率傳感器、溫度等傳感器的電路和電源6個部分組成。首先，溫度傳感器初始化，收集溫度數據。

心率傳感器將收集到的數據值傳輸到微控制器上，由微控制器來處理收到值，并且把數值傳輸到顯示模塊。當溫度值高于設定溫度時，利用GSM短信模塊向匹配的手機用戶傳送消息提醒，使用戶及時了解自身健康。微控制器上心率傳感器將進行信息收集，異常情況下會發短信通知手機用戶。

1.2? AT89C52

在單片機投入市場后的一段時間內，主要被用于工業控制領域，是一種高集成度的微控制器。初期，單片機采用4位或8位，之后發展出16位，雖然控制性能更突出，但是造價高昂，市場歡迎度不大，只在特定場合才會加工、使用，因此整體規模不大。20世紀末，電子類產品發展迅猛，市場需求量連年攀升，極大帶動起單片機技術的發展和單片機產品的生產，尤其是8位單片機的性能取得了飛躍發展，在處理數據方面的效率與10年前相比增長了近百倍。從單片機走過的40多年發展歷程看，在提高性能、擴充容量的同時，還實現了外圍電路內置、外圍接口增設等功能。

單片機89系類的引腳功能都一樣，唯一有區別的是單片機存儲的大小。就單片機AT89C52來說，配置了8 k字節Flash，32位I/O口線，3個16位定時器/計數器，256字節隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM），片內晶振，一個6向量2級中斷結構，時鐘電路及全雙工串行口等構件[2]。此外，AT89C52具備0 Hz靜態邏輯操作功能，可為用戶提供節電模式，在此狀態下，內置CPU處于停轉狀態，只有串口、RAM、中斷等基礎單元仍舊運行，從而節約能耗，突出了單片機低能耗的優勢。

1.3? GSM模塊

移動通信是實現通信終端目標的有效手段，而移動通信在商業市場中的巨大潛力也越來越得到人們的認可。第一階段從20世紀20年代至40年代，為早期發展階段;第二階段從20世紀40年代中期到60年代初期，公用移動通信技術獲得大發展，相關產業迅速壯大;第3階段從20世紀60年代中期到70年代中期，西方科研人員研制出移動電話系統，開啟了移動通信的征途;第4階段從20世紀至今，20世紀70年代中期至80年代中期是第一代蜂窩移動通信系統的發展階段，之后發展至20世紀末，2G網絡通信技術較為完善，市場應用也較為廣泛，人們深刻感受到網絡技術變革帶來的便捷，相關技術的研發也變得更加快速，自2000年左右開始，伴隨著對第3代移動通信的大量論述以及2.5G產品GPRS系統的過渡，3G走向了通信的舞臺前沿。

1.4? 心率傳感器

脈沖測量主要有3種：（1）從心電圖中提取。（2）通過測量壓力傳感器的波動來計算脈搏率。（3）光電體積法。前兩種方法限制病人的活動，如果長時間使用會增加病人身體和心理上的不適。作為測量光電體積的最常用的測量方法之一，具有操作簡單、佩戴方便、可靠性高的優點。此次采用脈搏式傳感器，方便簡潔，經濟適用。

1.5? 液晶顯示屏LCD1620

LCD1620液晶顯示模塊由液晶材料構成，液晶材料不同形狀的排列會影響模塊的遮光和通光，使顯示的字符顏色發生變化。根據液晶的物理性質可知，液晶分子具有流動性，當電場發生變化，液晶分子也隨之發生特定的轉向。通過這種特殊化原理，使用者就可以設計顯示字符產生不同的光學。

LCD1620液晶模塊有兩種型號：（1）背光。（2）無背光。為了使設計美觀實用，本系統采用的是有背光的顯示模塊。LCD1620模塊接口控制時序有讀寫兩個操作時序，不同的時序對應的模塊內部的不同運作，所以在設計時要參考液晶顯示模塊的時序圖。LCD1602具備功率消耗低、輕重量、顯示屏薄、整體輕巧等優勢，應用越來越廣泛。

2? ? 系統軟件設計

軟件設計重要的是串口通信部分，首先設置單片機的串行口，包括波特率、工作方式等，再根據手機模塊的AT指令，手機用戶可以看到檢測系統心率和溫度，并且單片機會把測量的數據存儲下來，通過檢測幾個傳感器的輸出信號，從而判斷使用者是否有身體不適等情況。

心率傳感器軟件設計模塊首先進行初始化完成后，再判斷是否開始測量心率，確定開始測量后運行計數子程序并存儲測量值。

顯示流程首先設置好初始化例如設置顯示的方式、設置緩存的清理、設置模式顯示，然后設置字符位置的顯示，再設置字符數據顯示。

3? ? 結語

隨著中國經濟的快速增長，人民的物質保障更加堅實，廣大人民更加向往美好生活，人們開始更多地關心自己的家人。在過去的幾年中，智能檢測系統銷售數量在全球呈直線增長。幾年來，市場不斷涌現出各種健康檢測產品，具有品種多樣、以網絡發展為主要趨勢、智能化、集成化、成本低廉等特征。在設計中，主要以老人需求為導向，以現在科技研究狀況作為背景，以學習知識、應用知識為目的，從實用角度出發設計智能檢測系統對心率進行檢測。

本課題的設計目的是通過手機或者其他通信設備根據預定的規則，可實時監測自己的心率，對于子女不在身邊的老人，通過無線設備能夠實時檢測并了解老人身體健康的變化，使子女、老人生活更加舒適放心、安全有效。

本設計進一步研究以AT89C52單片機為控制平臺，結合GSM模塊、溫度傳感器、心率傳感器以及數據存儲模塊和顯示模塊實現。傳感器模塊可以實時檢測身體狀況，信息處理中心對傳送的數據信息進行處理，并將處理后的信息發送到手機上。目前，市場上可穿戴的智能設備越來越繁多，而且功能越來越復雜。很多互聯網公司都相繼設計出了各種各樣的智能手環、智能手表等，但是智能手環大多都是檢測人的運動狀況和睡眠狀況，使用起來比較復雜。而且這些可穿戴的智能設備主要都是針對年輕人來設計的，忽略了老年人市場。但是往往老年人是最需要檢測自身健康狀況的，基于單片機設計的心率監測系統體積小、使用方法簡單易懂，性價比很高，因此，相信心率監測系統會有廣闊的發展前景。

本設計中作品基于方便、高效和實用的思想原理，利用芯片和模塊進行設計，性價比非常高，具備很大的實用價值。

[參考文獻]

[1]張欣.張金君.單片機原理與C51程序設計教程[M].北京：清華大學出版社，2014.

[2]黃俊驍，王志宇，丁仲祥，等.警員可穿戴多體征參數監測系統的設計[J].傳感技術學報，2017（4）：635-640.

Abstract：With the development of society， people have changed from the mentality of satisfying the present situation to the state of continuous struggle for the pursuit of a better life. At the same time， health problems have become more and more important. At the same time， they are also constantly perplexing people， which have an important impact on family happiness and social harmony， especially in the prevention of diseases in the elderly， health propaganda and guidance for the elderly， and so on. In this paper， AT89C52 single chip microcomputer is used as the core of system control， GMS module and pulse heart rate sensor are used to design a heart rate detection system， which can detect human heart rate state in time and achieve the purpose of seeking medical treatment in time for problems.

Key words：heart rate sensor; heart rate monitoring; GMS module