一種基于嵌入式的心率測試儀的設計與實現

鄭海鵬 王立友 馮川放

摘要：隨著人們物質生活質量的不斷提高，越來越多的人開始關注自身身心健康狀況，在鍛煉身體的過程中，希望可以借助一些便攜式醫學儀器來檢測自身的身體狀況，例如使用心率測試儀來測量心率，通過心律的測試，來確定適合于自己的運動強度，防止運動量不達標或運動過量，無論您是運動達人還是視運動為娛樂的人，心率測試儀都是一款必備的運動工具.它能讓你能更好地掌握運動過程中運動強度.本文作者將利用單片機與紅外傳感器和精確定時/計數等技術融合嵌入式開發語言（C語言）為您設計一款能顯示每分鐘心跳次數的心率測試儀.

關鍵詞：嵌入式系統開發；IAP15F2K61S2微控制器；紅外線傳感器St188；C語言

中圖分類號：TH72 文獻標識碼：A 文章編號：1673-260X（2019）03-0068-03

1 緒論

隨著現代醫學技術的不斷發展和進步，人們工作之余開始注重自身身心健康，許多便攜式醫學儀器得到了廣泛的應用，越來越多的人體醫學信號測試儀被受眾人群使用，通過醫學儀器對人體體內相關的生理信號的監測，來識別人體的生命健康狀態和特征.

該系統基于STC的IAP15F2K61S2微控制器，外圍由運算放大器，濾波電路、整形電路以及LCD12864液晶屏，反射紅外傳感器ST188等組成.電路設計部分主要采取仿真電路的設計形式，使用Keil C軟件將對應C語言程序生成HEX文件，并使用stc-isp編程燒錄軟件將對應的HEX控制程序嵌入在IAP15F2K61S2微控制器系統中，以便于實現人體的心率測試.使用時，手指需要壓迫在ST188紅外傳感器上，使其感知人體的生理信號.可以通過IAP15F2K61S2微控制器對改變的信號進行濾波，放大等處理來統計心跳次數，以便于計算一分鐘內的心跳次數即心率.

2 心率測試儀的仿真電路設計

本系統設計使用STC公司的IAP15F2K61S2單片機作為核心部件，在Keil C調試環境下，完成軟件調試與設計.使用Proteus仿真軟件完成仿真電路的設計.電路仿真系統主要有：檢測電路、放大濾波電路、單穩態電路和顯示電路組成[1].其中系統檢測部分主要由反射紅外傳感器ST188完成.電路設計如圖1所示：

2.1 檢測電路

2.1.1 使用數字萬用表測量二極管

首先，使用數字萬用表的二極管齒輪測試控制端子發射（淺藍色）正極和負極，并將紅色和黑色測試引線連接到發射管的兩個引腳.對于每次測量，儀表一次顯示“1.0 V”，一旦顯示溢出“1”，表明1.0 V是正確的.紅筆連接到正極，黑筆連接到負極.如果“1”顯示兩次，則表示發射管內部打開，如果顯示兩次均為“0”則表示發射管中短路.然后判斷接收管的c和e極，數字萬用表的2M齒輪以及紅色和黑色測試引線的短路.判斷接收管的c和e極，數字萬用表電阻2M檔，紅色和黑色電表筆連接到e極；如果標題顯示“1”，則黑色筆連接到c極，紅色筆連接到e極.

2.1.2 檢測電路工作原理

首先，我們了解一下人體心跳的過程，心臟在機械收縮之前，先發生電激動而產生微小電流，這一電流可以經人體組織傳到體表，竇房結產生的動作電位，經結內的過渡細胞傳至心房內的結間束、房間束和心房肌[2].這時心房肌會跳動.然后動作電位下傳至房室結（心房心室交界區）短暫的時間差之后下傳至結希區、房室束.心室肌接收興奮，產生搏動，也就是人體的心跳.

由于血容量本身是跟隨心臟的跳動而顯示其心率波形的變化的，而光電信號對于人體的其余組織的感應是不隨時間的變化而變化的，所以反射式紅外線傳感器ST188接收到的波形信號可以用來表示心率的變化特征.

心率本身的波動信號隸屬于低頻率的電信號，頻率在0.5～10Hz之間[3]，使用放大器、濾波器以便于提取有效信號，避免外圍信號的干擾，提高低頻率信號的上下限.反射紅外傳感器ST188通過電容耦合器將血液中的波分量分析到放大器的輸入端.

2.2 放大、整形、濾波電路

該電路的主要功能是放大整形和濾波傳感器檢測到的微弱的信號，并且由光電耦合器檢測血液濃度自身發生的變化，把微弱信號變化為電信號.經整形電路整形（優化液晶屏心率的顯示效果），形成所需脈沖，經LM358芯片對信號進行放大，驅動發光管按照脈搏頻率工作，以模擬心臟跳動的動作.最后輸出反映心跳頻率的電壓.

2.3 比較電路與單態穩電路

比較電路使用LM358芯片，放大電路的輸出信號通過比較輸出方波.

在單穩態電路中，比較器輸出的矩形波輸入到74HC123觸發器的B引腳，因此不同頻率（不同心率）的輸入信號輸出具有不同占空比的方波.通過濾波電路進行濾波后，輸出電壓不同.

3 心率測試儀系統硬件組成

3.1 紅外反射式傳感器ST188

3.1.1 ST188紅外反射式傳感器簡介

由一個光敏三極管和一個發光二極管組成，其中發光二極管作為傳感器的反射模塊，光敏三極管作為傳感器的接收模塊[4]（二者在電路中均正接，但需要串聯相關阻值的定值電阻），ST188系列傳感器有諸多優點：比如體積很小，價格便宜[5]，使用起來非常劃算，具有很高的性價比.ST188紅外傳感器位于A、K之間是發光二極管，位于C、E之間是光敏三極管.

3.1.2 工作原理

通過用手指按壓紅外反射傳感器ST188，并顯示在1602液晶屏上來測量心率.系統以IAP15 F2K61S2微控制器為核心，紅外反射傳感器ST188用作檢測元件.時間的計算由IAP15F2K61S2系統的內部定時器完成.在系統操作期間可以顯示心臟跳動次數和時間.

3.1.3 信號采集

紅外反射傳感器A、K分別接入高電平和低電平，電位器連在R4旁邊用于調節傳感器靈敏度[5].信號采集過程中，紅外反射傳感器ST188與手指接觸，被手指按壓.脈沖信號由紅外反射傳感器ST188感知.IAP15F2K61S2微控制器系統負責統計心臟跳動次數和時間.

3.1.4 信號放大

本文采用LM358芯片用于放大電路的設計.由于人的心跳產生的信號非常弱，導致紅外反射傳感器ST188輸出的信號同樣很微弱，較易受到周邊環境的影響，因此需要對當前得到的微弱信號進行放大處理，放大電路使用兩級反向放大將信號放大到約2-5V的幅度值.輸出波形相對于比較輸入波形而言為同相并被放大的波形.放大后的波形是一個交流信號.在電源旁邊連接一個電容器，以濾除干擾信號和抗電磁干擾.整流后的電壓波形（D2二極管）是正弦半波.放大電路的輸出信號由比較器輸出為方波（2個引腳的比較電壓根據3個引腳的實際輸出電壓設定，通常大致是0.8V）.

3.2 IAP15F2K61S2單片機

IAP15F2K61S2單片機是STC公司推出的新一代支持在應用編程的單片機.具有2KB RAM空間，61K Flash空間，IO具備4種工作模式，8路ADC通道.帶仿真接口，可以在Keil C51中調試程序，適合于嵌入式開發.

3.3 LCD12864液晶屏

一種點陣圖形液晶顯示模塊，具有2線或3線串行，4位/8位并行接口模式，以及簡化的漢字庫； 它可以形成一個完整的中文人機交互圖形界面.它可以顯示8×4行16×16點陣漢字.

4 心率測試儀系統軟件的實現

4.1 系統軟件介紹

4.1.1 keil C51軟件簡介

Keil C51軟件系統的特點是兼容單芯片C語言軟件開發.鑒于C語言擁有出色的移植性，可以在各種體系結構的軟硬件平臺上運行；語法機制靈活，可直接訪問硬件；運行效率高，運行速度較快.在可讀性，功能，結構等方面優勢明顯.Keil提供完整的開發解決方案，包括C編譯器，宏匯編，鏈接器，庫管理以及強大的仿真器調試.通過集成開發環境將它們統一組合起來.因此，運行C語言編程， Keil C51幾乎是不二之選.

本文中Keil C51軟件的主要功能是負責將C語言編譯成可重定位的目標HEX文件，實現C語言程序對單片機的控制.

4.1.2 Proteus電路仿真軟件

Proteus是由英國Labcenter Electronics開發的多功能EDA軟件.是一款可以提供電路仿真、PCB設計和虛擬模型仿真的設計平臺.本文中PROTEUS軟件的主要功能是提供心率測試儀的仿真電路.

4.2 心率測試儀C語言程序實現

4.2.1 心率測試儀計數代碼

#include ”stc15.h”

#include [intrins.h]

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned

sbit LCD_RS = P3^5； //寄存器選擇輸入

sbit LCD_RW = P3^6； //液晶讀/寫控制

sbit LCD_EN = P3^7； //液晶使能控制

sbit LCD_PSB = P0^2； //串/并方式控制

sbit LCD_RST = P0^0； //液晶復位端口

unsigned char i=0，timecount=0，displayOK=0，rate=0，aa=0；

unsignedint time[6]={0}；

#define delayNOP（）； {_nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）；_nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）；_nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； }

uchar code DIS1[] = {” 心率計 ”}；

uchar code DIS2[] = {” 次 /每分”}；

uchar code DIS3[] = {” 你的心率正＼xfd常 ”}；

uchar code DIS4[] = {” ”}；

uchar code DIS5[] = {” 保持平穩的心情”}；

4.2.2 系統延時代碼

void delay（intms）

{while（ms--）

{uchari； for（i=0； i[150； i++）

{_nop_（）； _nop_（）； _nop_（）； _nop_（）；

}}}

4.2.3 檢查LCD忙狀態代碼

bitlcd_busy（）

{ bit result；

LCD_RS = 0； LCD_RW = 1； LCD_EN = 1； delayNOP（）；

result = （bit）（P2 0x80）； LCD_EN = 0； return（result）；

}

4.2.4 寫指令數據到LCD代碼

voidlcd_wcmd（ucharcmd）

{ while（lcd_busy（））；

LCD_RS = 0； LCD_RW = 0； LCD_EN = 0； delayNOP（）；

P2 = cmd； delayNOP（）； LCD_EN = 1； delayNOP（）； LCD_EN = 0；

}}

4.2.5 寫顯示數據到LCD代碼

voidlcd_wdat（uchardat）

{ while（lcd_busy（））；LCD_RS = 1；LCD_RW = 0；LCD_EN = 0；

P2 = dat；delayNOP（）； LCD_EN = 1；delayNOP（）； LCD_EN = 0； }

4.2.6 LCD初始化代碼

voidlcd_init（）

{

LCD_PSB = 1； //并口方式

LCD_RST = 0； //液晶復位

delay（12）；

LCD_RST = 1；

delay（12）；

lcd_wcmd（0x34）； //打開擴展功能，繪圖顯示關

delay（22）；

lcd_wcmd（0x30）； //回到基本指令集

delay（23）；

lcd_wcmd（0x0C）； //退出睡眠模式

delay（23）；

lcd_wcmd（0x01）； //進入待命模式

delay（23）；

}

5 小結

上述程序由Keil C51軟件在最小系統板上成功調試，可以實現人體的心率測試.IAP15F2K61S2微控制器的P32用于連接LED陰極在檢測到信號時顯示帶有LED的心跳.讓被測人很直觀的感受心跳.系統通過IAP15F2K61S2微控制器的INT0中斷處理ST188傳感器的信號，并用T0中斷時序.在時間轉為心率數據的處理上，采用5次取平均值的方法，增加了數據的精確度.最終由LCD12864液晶進行顯示，顯示結果為：系統名稱、心率、健康指數.

參考文獻：

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〔2〕王紅衛，張穎，等.包公藤甲素衍生物（S）-OTS？HCl的心臟電生理效應[J]上海交通大學學報（醫學版），2017（2）：177-183.

〔3〕武靈芝.基于安卓和藍牙通信的智能生理監護儀的設計[J].北京生物醫學工程，2017（4）：415-419.

〔4〕郭金建、雷鳴意.風光互補發電的節能LED燈控制系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2015（1）：46-48.

〔5〕蘭羽.基才紅外傳感器ST188的自動循跡小車設計[J].電子設計工程，2013（3）：64-66.

〔6〕馮祺婷，彭保進.一種簡易光譜實驗儀的設計與實現[J].光學儀器，2013（5）：80-84.