基于STC89C52單片機的心率檢測系統設計與實現

趙光晶，趙 鳴，張友浩，徐夢瑤

(上海工程技術大學 航空運輸學院，上海201620)

0 引 言

心率是體現血液循環機能的重要生理指標，如果能穩定地記錄這項數據，可以及時有效預防心血管疾病，測量的數值在日后的問診過程中也能起重要作用。本設計的目的就是讓用戶可以便捷測量自身心率。本設計的中心控制單元選擇STC89C52，利用人體指腹血液透光性不一樣的特性，讓傳感器接收不同信號從而間接測量人體心率，傳感器和液晶顯示器對接顯示心率數據，功耗低且穩定，方便日常生活的使用。

1 心率檢測系統設計

本設計硬件電路的控制核心選用的是單片機STC89C52，通過光電傳感器、信號采集電路、鍵盤電路、顯示電路以及報警電路實現對人體心率的穩定測量。心率檢測系統的組成如圖1所示。

圖1 心率檢測系統組成Fig.1 Composition of heart rate detection system

單片機STC89C52是設計的核心部分，可以實現算法；傳感器電路使用ST188用于心率采集；信號采集電路將收集到的心率信號通過傳感器轉換為合適的電信號；鍵盤電路用于上下閾值的設定以及開關和復位等；LCD1602顯示電路用于顯示實測心率數值及閾值；報警電路用于超過閾值觸發報警。

2 主要電路硬件設計

2.1 STC89C52單片機電路

本設計采用的是宏晶產生的單時鐘／機器周期的8位單片機STC89C52，擁有MCS-51的內核［1］。具體的單片機管腳功能見表1。

表1 單片機管腳功能Tab.1 Single chip microcompute pin function

2.2 傳感器電路

本設計中的傳感器部分選用了紅外光電轉換器，因為在同一個紅外光照射下的動脈血液充盈的透光性不同，所以采集到的光電信號也不同。本設計選用型號為ST188的傳感器。選擇330 Ω和20 KΩ的電阻，外部提供一個+5 V電源。將手指的指腹置于發送端和接收端之間，光電二極管會因為心率不斷發生變化而采集到不同時刻的信號［3］。具體電路連接如圖2所示。

圖2 傳感器連接原理電路圖Fig.2 The connection principle circuit diagram of the sensor

2.3 信號采集電路

信號采集模塊就是將收集到的心率信號通過傳感器轉換為合適的電信號，但是由于人體心率是比較微弱的，所以一般采集到的心率信號也比較小，再加上外界的噪聲干擾，波形比較雜亂，很難從中提取出有用信號，所以經傳感器收集到的心率信號需要再次經過放大、整形以及濾波才能得到所要求的信號。一系列電路系統框圖如圖3所示。

圖3 信號采集電路系統框圖Fig.3 Block diagram of signal acquisition circuit system

2.3.1 放大濾波電路

由于人體的脈搏信號即心率信號非常微小，直接測量可能數值不準確，在電路中也可能伴有干擾信號影響測量數值，因此本設計要采用LM358對接收的信號進行放大和濾波。LM358的內部是由2個增益較高、相互獨立并且對頻率具有補償作用的運放構成的，可以放大電壓信號，內部雙運放的本質是2個電壓比較器，當輸入電壓IN1＞IN2時，正輸入端的電壓較高，輸出高電平VCC；當輸入電壓IN2＞IN1時，負輸入端的電壓較高，輸出低電平0 V。

濾波電路分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器。人體心率信號比較微弱，需篩選特定頻率范圍內的信號，因此選用3個電阻3個電容將高通和低通濾波器串聯成一個帶通濾波器，只讓測量所需要的這一頻段信號通過并且抑制此頻段外其它信號，放大濾波電路具體設計如圖4所示。

圖4 放大濾波電路圖Fig.4 Circuit diagram of amplifying and filtering

2.3.2 整形電路

雖然經過了放大和濾波后的信號變得更易于測量，但存在低頻的干擾和不規則的脈沖信號還會影響測量，為了解決這一問題，就需要對電路再加一個滯回比較器來進行一個整形的處理，為了節約成本，可以直接選用一個雙運算放大器元器件LM358。此元器件的內部由2個電壓比較器構成，波形整形電路如圖5所示。

圖5 波形整形電路Fig.5 Waveform shaping circuit

2.4 鍵盤電路

鍵盤電路共有5個按鍵，分別作為電源自鎖開關、數據的復位以及獨立設定閾值。按下按鍵時，負跳變會使INT1中斷，再查詢詳細按鍵后觸發相應功能。此結構不僅擴充了外部中斷源，減少了CPU的工作負擔，又能對按鍵進行實時處理。

2.5 LCD液晶顯示器

顯示電路是人機交互的核心，本設計選用本身即帶有字庫的5×7點陣LCD1602顯示管，此顯示管編寫程序和外接電路較為簡單，共有2行并且每一行能夠顯示16個字符。P1.2、P1.1、P1.0分別連接LCD的EN、R／W、RS，啟動初始化清屏，接著將接口端的數據的位數設為8位，P0.0至P0.7與LCD1602的DB0到DB7分別相接［4］。

2.6 報警電路

蜂鳴器用于超限報警，若實時檢測的脈搏數據不在設備設定的閾值范圍內，則單片機驅動蜂鳴器發出鳴叫。注意蜂鳴器的長腳接+極，短腳接-極。因蜂鳴器正常工作時的工作電流較大，單片機的I／O口無法直接驅動，因此在電路中使用一個PNP型的三極管來放大電流。

3 系統軟件設計

本系統軟件設計包括主程序、液晶顯示子程序、按鍵子程序、中斷服務子程序等。主程序流程如圖6所示。單片機上電后先進行初始化，清除一些參數的初值，等待用戶按下對應的按鍵并進入對應的功能，當用戶按下測量按鍵的時候，單片機根據用戶按下的按鍵增加或減少范圍，按鍵子程序流程如圖7所示。按下按鍵后，單片機通過定時15 s測量人體的脈搏次數，再換算出對應的真實的脈搏次數在液晶屏幕上顯示。液晶顯示子程序先調用液晶自定義的字庫，設置好DDRAM地址后在第一行顯示，根據程序中的數據設置顯示數據的首地址并設置循環量，在循環過程中不斷的取字符代碼直到終止，第二行的顯示過程同第一行的顯示過程一樣，2行顯示完畢后便結束子程序。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

圖7 按鍵子程序流程圖Fig.7 Key subroutine flow chart

4 系統調試

LCD顯示模塊調試:若能在顯示模塊顯示初始化子程序的文字說明，則LCD寫入命令或數據子程序無誤；若不能，則需檢查LCD顯示模塊的讀寫位和使能端位，以及變量是否與電路圖所連接的端口一致。再檢查是否在第一行顯示當前測量值，如果在指示燈均勻閃爍的情況下測量值一直不變化，則需檢查定時器中斷服務子程序是否正常計數。

傳感器模塊調試:使用萬用表測量R5 2端電壓，若低于0.3 V，則更換更大阻值的R5；若高于0.6 V，則更換更小阻值的R5。

單片機模塊調試:若30腳與地間電壓是5 V，則檢查單片機最小系統，最小系統包括晶振電路和復位電路，檢查18、19腳是否接12 M晶振，分別調整電容與電阻的兩腳接法，檢查無誤后再次測量30腳和地間電壓。

5 結束語

本設計以STC89C52為控制核心，連接LCD1602液晶顯示和LM358運放以及蜂鳴器，再加上各種電阻電容，實現了人體心率的計數及顯示功能。此心率檢測系統采用光電傳感器直接外部接觸式的測量方式，能夠保證對人體心率信號測量的精確性和簡便性，其使用簡單，攜帶方便，價格低廉，具有廣闊的市場前景。