基于AT89C51的心率测量系统设计与实现

赵伟　卢涵宇　刘荣娟

摘要：随着我国物联网技术发展和人民生活水平的逐步提高，智慧医疗应用越来越广泛。本文基单片机AT89C51作为主控芯片设计开发了一种心率测量系统。可以将人体1分钟的心跳次数数字显示出来，实现人体心率异常时进行健康报警等功能，操作方面，经济实用。

关键词：AT89C51；单片机；心率测量

中图分类号： TP208 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）15-0281-02

Design and Implementation of Heart Rate Measurement System Based on AT89C51

ZHAO Wei，LU Han-yu ，LIU Rong-juan

（ College of Big Data and Information Engineering，Guiyang 550025，China）

Abstract： With the development of Internet of things in China and the improvement of people's living standard， intelligent medical applications are more and more widely used. In this paper， a heart rate measuring system is designed and developed based on MCU AT89C51 as main control chip. It can display the heartbeat number of the human body for 1 minutes， perform health alarm and other functions when the heart rate is abnormal， and is economical and practical in operation.

Key words： AT89C51； Singlechip；Heart Rate Measurement

随着人们的生活提高，人们越来越重视身体健康，而心率测量的传统方法是切脉或听诊，这种方法操作不便，且计数也不准确直观，很容易由于测试过程出错，而造成就医诊断的误差。

本文设计的基于AT89C51的心率测量系统，主要有数据处理、显示与键盘输入等功能，通过利用AT89C51单片机进行实现。红外发射二极管和红外接收二极管对人体心跳进行探测，再由压电陶瓷传感器转换而来的电信号，将初始的电信号经过放大、滤波、整流等处理，转变为单片机能够运行的规范的脉冲信号；最后，通过采用数码管显示数字，将1分钟的心跳次数通过数码管显示出来，从而实现了心率测量的数字化。

1 整体系统电路设计

本系统是由信号采集电路、信号放大电路、波形整形电路、键盘、单片机、显示电路、以及一个对人体心率异常时进行提醒的健康报警提示电路构成。其中，信号采集电路是由红外发射管和红外接受管构成的传感器，以及一些相关处理电路构成。系统原理框图如图1所示，系统整体设计电路图如2所示。

2 硬件设计

2.1 信号采集电路

设计的红外接收二极管在红外光的照射下能产生电能，单个二极管能产生O.4 V电压，0.5 mA电流。BPW83型红外接收二极管和IR333型红外发射二极管工作波长都是940nm。红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大。当红外发射二极管发射的红外光直接照射到红外接收二极管上时，U1B的反相输入端电位大于同相输入端电位，输出为“0”。当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期。虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是，由于红外接收二极管中存在暗电流，仍有lμA的暗电流会造成输出电位略低于2.5 V。二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收二极管中的暗电流减小，输出电位上升。

2.2 信号放大电路

本设计按人体脉搏在运动后最高跳动次数达240次/分计算来设计低通放大器，它由U1和C2等组成，。转折频率由R2、C2、R3和C3决定，放大倍数由R3和R1的比值决定。

根据二阶低通滤波器的传递函数，可得：

放大倍数为：

取0.707倍零频增益计算高频转折频率，即

按人的脉搏最高为4 Hz考虑，低频特性是令人满意的。需要说明的是，以上分析是在忽略C1的条件下做出的，如果考虑C1的话，那么：

由此可见，C1没有影响频率特性的分析，它的只是起着隔直通交的作用。

2.3波形整形电路

波形整形电路如图3所示，U1是CD4528型单稳态多谐振荡器，有效脉宽为0.05 s.其宽度由R1和C1決定。U2也组成一个单稳态多谐振荡器，脉宽为240ms。D2、D3和T1等组成一个或非门，只有C，E两点均为低电平时，信号放大器整机输出才是高电平。设计这个电路的目的是为了在输出端输出一个窄脉冲。

2.4 键盘电路

设计包含启动按钮和待机按钮。K是用来控制心率测试器的启动，由于心率测试是以60秒作为测试周期，如果测量心率时突然停止，则会导致测量结果误差变大，所以不需要另外设置一个停止按钮；待机按钮：当心率测试器不工作时，可以将其置于待机状态。

2.5单片机

单片机是整个系统的中心枢纽，是整个系统的核心部件，在该次设计中，选择AT89C51芯片。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

2.6显示电路

由于AT89C51的I/O口管脚足够提供五片显示译码芯片使用，所以在显示方式中采用三个数码管显示，本设计选择的是静态显示方式。

2.7健康报警提醒电路

健康提示电路的作用是当人体的心率不在正常范围时，电路就会以蜂鸣器鸣叫的方式提醒人们注意身体健康。

3系统测试和实现

3.1印刷电路板设计

印制电路板是实现电子整个系统功能的主要部件，其设计是整个系统设计中重要的一个环节。印制电路板的设计质量，不仅关系到电路在装配、焊接、调试过程中的操作是否方便，而且直接影响到整机的电气性能。 只有从细致考虑到局部电路、整机电气性能、以及系统运行的环境因素出发，才能整个系统的可靠性。

完成电路板的设计后，接着就是制作电路板，只要将设计好了的PCB图打印到热转印纸上，再将热转印纸有图的哪一面盖在覆铜板上有铜的一面上适当地加压、加热，就可以把PCB图印在覆铜板上，然后用一定的化学溶液腐蚀，就可以得到做好的印制电路板。

3.2系统软件设计

本次设计我们选取Keil编译器来进行简单仿真，Keil编译器开发软件是一款由Keil公司设计开发的， Keil编译器包括以下几个组成部分： uVision2；C51交叉编译器；A51宏汇编器；LIB51库管理器；OH51目标文件至HEX格式转换器；RXT-51实时操作系统。

软件调试部分基于实物使用Keil编译器来进行简单仿真：

（1）明确课题背景和研究目的，寻出可能会出现的问题，提早寻出克服方法。

（2）理清设计思路，规划软件设计总体框架。

（3）使用Keil编译器编译单片机源程序：保证资源分配，功能实现，注意程序语句不能过于烦琐，为了方便后期寻出问题，源程序中标注段落注释，明确各功能程序模块。

（4）程序调试，改正，程序优化。

3.3系统测试实现

程序调试首先在通过Keil和Proteus 6.9软件的配合使用对程序的运行情况进行仿真，准确无误后才通过编程器写入单片机。用Keil和Proteus 6.9软件配合使用，可以实现边书写边调试，随时都可以对程序进行修改。

在源程序调试过程中，出现这样一个问题，就是当模拟的心跳脉冲信号过来时，单片机由于中断信号的原因，去执行脉冲信号的计數显示的这一段中断程序，而停止执行时间显示这一段60秒定时程序，如果脉冲信号的频率过快，时间显示将不会继续执行，导致定时时间不准确。针对这个问题，我采取以下措施：由于人的心跳小于200次/分钟，当心跳处在160次/分钟-200次/分钟才会出现一点的影响，又由于心跳大于160次的几率很小，所以该心跳脉冲对单片机的运行的影响很小，只要适当微微加快定时时间的运行程度就可以减小这一现象带来的误差。

4 结论

本文基于AT89C51设计实现了一种心率测量系统，实现了人体心率异常时进行提醒的健康报警等功能，系统操作简单，实用性强。

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