基于51單片機心率測量電路設計

蔣鐵生

1.1選題背景

心率是人的重要的可被測量的生理指標。

在現代社會，隨著人類社會生活水平的提高，人們的生活方式和飲食結構的改變，高血壓，冠心病等心臟方面的疾病漸漸成為人們的常見病。由有關數據顯示，中國城市人口每五個成年人中就有一個人患有不同程度的心血管方面的疾病。由于心臟不健康而導致的心肌梗塞，猝死等事件時有發生，并且心臟疾病方面發病率逐年提升，發病年齡也是下降趨勢。

要減小心血管疾病給人們帶來的健康危害，早期有效的測量設備與判斷方法是十分重要的。心率是人體十分重要有效的信息，是可以被檢測的生物信號，它是反映心臟是否正常工作的一個重要參數，可以根據心率值判斷一個人是否患有心率過速，早搏等幾種常見的心臟病。因此，設計一種簡單，能顯示心率的儀器十分有必要。

1.2 主要內容

本心率測量電路設計是一個硬軟件相結合的設計類題目。要求設計一個基于51單片機的心率的檢測電路。可以實現與心率檢測功能，整個系統電路的設計功能包括：

1、使用MAX30102心率傳感器模塊進行心率采集；

2、使用STC89C52芯片為控制核心；

3、使用OLED液晶進行顯示。

2 總體方案設計

2.1整體設計思路

本設計采用的是STC89C52芯片，通過STC89C52最小系統，心率模塊、液晶屏，實現心率的測量與現實。實時的心率顯示在OLED液晶上。由于STC89C52有較多的引腳數，能實現OLED液晶驅動以及實時心率測量等這些功能。電源部分是通過USB線來外接可移動電源或電池供電。

2.2心率測量模塊

光電式傳感器。光電式傳感器測量方法靈活多樣，可測量參數較多，具有非接觸，高精度，高分辨率，高可靠性，反映快等特點。適合用來測量心率。

測量原理：隨著心臟的跳動，人體組織半透明隨之改變，當血液到達人體組織時，組織班透明度減小，當血液回流心臟時，組織的半透明度加大。這種現象在人體組織較薄的地方比較明顯，例如手指尖，耳垂部位。所以，將紅外發光二級管產生的紅外線照射到人體手指尖，用裝在手指尖另一側的紅外光電管來檢測人體組織的半透明度并把它轉換為電信號，此信號頻率與心率成正比，再把它轉換成脈沖信號并進行整形，計數和顯示，這樣就能實現心率實時檢測。

選用MAX30102光電式心率傳感器模塊進行測量。

2.3顯示屏

顯示屏選用用OLED屏。OLED屏是有機電激發光二極管同時具備自發光、不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、驅動電壓低、能耗低，可與太陽能電池、集成電路等相匹配。

OLED屏幕小巧低功耗，能夠數字化顯示，讓人一目了然，用OLED屏，外形小巧，方便攜帶與顯示，正好配套本次STC89C52的設計使用。

3 系統硬件設計

3.1 主控電路設計

MCU最小系統由主芯片STC89C52以及外圍器件組成。STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器。STC89C52使用經典的MCS-51內核，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，但做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。

18，19引腳接系統時鐘電路。系統時鐘電路由電容、晶振組成；C5、C6是電容20pf，滿足要求的電容，Y1提供穩定的時鐘頻率，不會造成其他不必要的程序問題；串口通信問題。使用外部晶振能更好的發揮芯片的性能系統時鐘。

3.2 心率測量模塊電路設計

心率測量模塊采用的是MAX30102模塊。它本身集成了完整的發光LED及驅動部分，光感應和AD轉換部分，環境光干擾消除及數字濾波部分，極大的減輕了用戶設計。將它應用于本設計，采集指尖心率信息，通過IIC接口，將采集到的信息傳給單片機，通過編寫相應的算法進行計算就可以得到心率信息。此外，它集成了玻璃蓋可以有效的排除外界干擾和內部干擾，其綜合性能優秀可靠。

心率測量模塊電路設計如圖1中header所示

3.3顯示模塊電路設計

顯示模塊采用的是OLED顯示。它具備自發光，無需背光源，反映速度快，使用溫度范圍廣，結構相對較簡單的優點。SCL，SDA分別接單片機39，38引腳，分別為時鐘線和數據線。

3.5供電電路設計

采用電池供電。持續按住sw1鍵，電池作為供電電源。431穩壓電路，內部含有2.5V的基準電壓，REF端引入輸出反饋時，器件可以通過陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。

4 測試

4.1測試結果

心率測量結果如表1所示：

標準數據是五個時間段人體心率記錄，使用的是脈搏測量獲得的數據，而實際數據就是自己設計的電路測出的數據。根據表格的實驗對比數據可以知道該心率測量的數據偏差不超過4%，該設計是符合設計要求的。

（作者單位：湖南人文科技學院）