基于單片機(jī)的家用心率檢測儀設(shè)計(jì)

1、摘要心率檢測儀在日常生活中應(yīng)用廣泛，為滿足特殊人群能夠在家精確檢測的需要，本課題設(shè)計(jì)一款基于52單片機(jī)的家用心率檢測儀。系統(tǒng)以 STC89C52RC單片機(jī)為核心，利用光電傳感器產(chǎn)生脈沖信號，并 以單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部定時(shí)器來計(jì)算時(shí)間，通過對信號累加得到心率。系統(tǒng)可以通過觀察指示燈的閃爍狀態(tài)來 判斷測量是否正常，顯示脈搏總次數(shù)，還可設(shè)定上下限心率次數(shù)，當(dāng)測量數(shù)值超過設(shè)定范圍報(bào)警。測試表明,房統(tǒng)工作正常，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具有一定的使用價(jià)值。關(guān)鍵詞:STC89C52;心率檢測；光電傳感器Design of Home Heart Rate Detector Based on MCU AuthorTutorAb

2、stract Heart rate detector is widely used in daily life.In order to meet the needs of speci al groups to be able to accurately detect at home.In this paper,a home heart rate detector based on 52MCU is designed.The system takes STC89C52RC single chip microcomputer as the core.A photoelectric sensor i

3、s used to generate a pulse signal.The internal timer of the MCU system ca n calculate the time.The number of heart rate is obtained by accumulating the signals.The syste m can judge whether the measurement is normal by observing the flashing state of the indicator light.Then,the total number of puls

4、es can be displayed,and the upper and lower heart rates can b e set.When the measured value exceeds the set range alarm.Tests show that the system is work ing properly,meet the design requirements.It has certain use value.Keywords: STC89C52;Heart Rate Detector;Photoelectric sensor 目錄 引言1 1家用心率檢測儀設(shè)計(jì)概

5、述2 TOC o 1-5 h z 心率檢測儀總體設(shè)計(jì)要求2元器件選擇及其功能介紹2心率檢測儀總體設(shè)計(jì)方案42基于52單片機(jī)的心率檢測儀硬件設(shè)計(jì)5心率檢測儀核心控制模塊5顯示模塊5心率采集與處理模塊6閾值設(shè)置模塊7報(bào)警模塊8電源模塊83家用心率檢測儀軟件設(shè)計(jì)9系統(tǒng)初始化子模塊9定時(shí)器中斷服務(wù)模塊10心率測量計(jì)算及顯示模塊10心率閾值設(shè)置模塊11主程序流程114系統(tǒng)測試與分析12硬件調(diào)試12軟件調(diào)試13.3實(shí)物圖13測試結(jié)果14誤差分析及處理154.6備選方案16結(jié)論17致謝18參考文獻(xiàn)19附錄A:系統(tǒng)原理圖20附錄B:系統(tǒng)仿真圖21附錄C:源程序22引言心率(Heart Rate)是基本生理指標(biāo)

6、之一 1,是對每分鐘心跳次數(shù)的專業(yè)表述。它不僅可直觀反映靜息 狀態(tài)下心臟健康與否，也可使人們依據(jù)心率的快慢控制自身運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。在衡量人的健康狀況、身體素質(zhì) 2 3,預(yù)測心腦血管等慢性疾病發(fā)生方面，心率檢測更是起到了不可或缺作用4,在日常的健康監(jiān)護(hù)及臨床醫(yī)學(xué)中也具有廣泛運(yùn)用。自我國春秋戰(zhàn)國時(shí)期的脈診鼻祖一一扁鵲創(chuàng)立中醫(yī)四診以來，到今天人們對脈搏波的研究，心率檢測 作為非常重要的醫(yī)學(xué)診斷方式之一，令多方專業(yè)人士聚焦于此5。但由于傳統(tǒng)中醫(yī)依據(jù)手指切脈，西醫(yī)使用 聽診器在心臟位置計(jì)算心率，這類綠色”的診斷方式雖易被患者接受16,在實(shí)際診斷中也會出現(xiàn)些許問題：首先醫(yī)生作為個(gè)體會存在自己主觀上的想法，感知靈

7、敏度也人各有。對于患者的心率檢查結(jié)果，醫(yī)生易受到先前經(jīng)驗(yàn)、皮膚感知、敘述表達(dá)等多重因素限制；其次，醫(yī)生為節(jié)約診斷時(shí)間采用估算方式，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力且精度不高。以提高心率檢測效率為目的，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家們研制出各類可測量生物信號的傳感器，這也使傳統(tǒng)心率檢測有了新的途徑78 o不僅如此，隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，醫(yī)學(xué)檢測設(shè)備逐漸滿足人們對智能檢測、方便精準(zhǔn)的要求。生活水 平的不斷提高，也讓越來越多的人意識到疾病預(yù)防以及擁有健康生活方式的重要性，對健康智能監(jiān)測設(shè)備的社區(qū)化、家庭化需求也隨之增長。當(dāng)前對于脈搏波的測量方式有以下幾種：光電容積式9、壓阻式10、應(yīng)變式等。但這些相關(guān)裝置都不便攜帶，且對檢測環(huán)境要求高，

8、不能做到長時(shí)間、高精度地測量11,通常被用于保健中心和醫(yī)院。市場上也有許多智能可穿戴設(shè)備，如運(yùn)動(dòng)手環(huán)、智能眼鏡等8。其原理是利用傳感技術(shù)、顯示技術(shù)并結(jié)合無線通信，采集相應(yīng)信號完成功能，該技術(shù)可集成在小型設(shè)備上便于攜帶。這也使測控 技術(shù)與生命健康進(jìn)一步融合。然而民眾在注重健康監(jiān)測產(chǎn)品是否便捷的同時(shí)，更關(guān)注產(chǎn)品的可靠性以及測量的準(zhǔn)確性。如何保證采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，如何可靠地監(jiān)測人體健康狀態(tài)、獲取生理信息，現(xiàn)已成為社會目光的焦點(diǎn)所在12 o本課題目的是針對上述問題設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡單、精度高、成本低家用心率檢測儀。而紅外光電傳感器具有無接觸、成本低、功耗低、靈敏度高等優(yōu)勢，故可以單片機(jī)為控制核心，制作基于

9、光電傳感器的家用 心率檢測儀。為更多人在日常生活中的健康檢測和疾病防控提供保障。1家用心率檢測儀設(shè)計(jì)概述1.1心率檢測儀總體設(shè)計(jì)要求通過分析總體設(shè)計(jì)要求構(gòu)思整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程，理清功能順序，繪制流程圖。再用 C語言在Keil4軟件中根據(jù)流程圖進(jìn)行相關(guān)程序的編寫、運(yùn)行、調(diào)試。 在Altiium Designer16軟件中根據(jù)查找的資料進(jìn)行電 路模塊的設(shè)計(jì)并繪制原理圖，隨后在Proteus軟件中根據(jù)原理圖與程序繪制模擬心率儀并仿真。由于電腦 無法檢測人體信號，故此處使用有固定周期的方波脈沖作為模擬的心率信號給予單片機(jī)。在此過程中，設(shè)計(jì)者能明白系統(tǒng)各模塊功能，實(shí)現(xiàn)軟硬件綜合調(diào)試。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)突出其體積小

10、、輕便、測量準(zhǔn)確、成本低的特點(diǎn)，具體設(shè)計(jì)要求如下：(1)可檢測被測者心率值并清晰顯示；(2)可用按鍵設(shè)置心率閾值，超過此范圍立即報(bào)警提示。元器件選擇及其功能介紹(1)控制器STC89C52RC51單片機(jī)是具有高速、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢的8位微處理器。其中STC系列單片機(jī)對程序的編譯、下載與調(diào)試操作更便捷13 o同時(shí)C52比C51多一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器,ROM和RAM空間較大，在各領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用。根據(jù)題目要求，STC89C52RC為控制器首選，其引腳結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。圖 1-1 STC89C52RC 引腳圖以下為本課題所用引腳功能說明：VCC、VSS:電源正極和電源地P0P3 口:一個(gè)8

11、位雙向I/O 口和3個(gè)準(zhǔn)雙向口(內(nèi)有上拉電阻)。本設(shè)計(jì)主要用 P0 作為數(shù)據(jù)總線， P3 口第二功能中的定時(shí)器 0、定時(shí)器1作為中斷計(jì)數(shù)。RST:復(fù)位。EA*:是否訪問片內(nèi)4Kflash。默認(rèn)狀態(tài)為1。XTAL1、XTAL2:片內(nèi)振蕩電路端口。(2)紅外*由傳感器 ST188紅外光電式檢測方法是利用傳感器把光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換成電信號變化來實(shí)現(xiàn)跳變信號的采集。根據(jù)郎伯比爾定律14,和人體指端動(dòng)脈血成分高、皮膚薄的原因，得到光電傳感器一般用于指尖測量”的結(jié)論。在保證紅外光線條件單一的前提下，經(jīng)檢測由人體心臟泵血使指尖動(dòng)脈血濃度發(fā)生變化引起透過手指的光強(qiáng)變化,可間接測到心率數(shù)據(jù)。紅外光電式檢測有兩種方法：

12、一種是反射式，另一種是對射式15。反射式是指兩個(gè)光電二極管朝向相同，感受光的反射率差別，從而利用光電傳感器中的電流量變化檢測心率。對射式是指在指尖的對稱位置各放一個(gè)光電二極管，分別用于光線的發(fā)射和信號的接收。其中接收管感受的是光線透射率的變化。由于紅外光電檢測方法較其他方式等受客觀影響較小，這里先選用反射式的 ST188來檢測心率,對射式的紅外對管彳為備選。下圖1-2為ST188內(nèi)部電路示意。圖1-2 ST188內(nèi)部電路示意LCD1602液晶顯示由于本設(shè)計(jì)中要求顯示內(nèi)容較多，根據(jù)LCD1602液晶顯示具有顯示美觀清晰、低功耗等優(yōu)勢，這里選用液晶屏來實(shí)現(xiàn)該功能。其也在儀器儀表領(lǐng)域被廣泛使用16。

13、LCD1602的引腳結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，以下為所用引腳功能說明：圖1-3 LCD1602引腳圖VSS、 VDD:電源地和 5V電源正極VEE:灰度調(diào)節(jié)。接電源時(shí)屏幕最暗，接電源地時(shí)屏幕最亮。RS:數(shù)據(jù)/指令寄存器選擇。RW:數(shù)據(jù)讀/寫操作。E:使能端。D0D7:為8位雙向并行口。第1516腳:背光正負(fù)極。(4)雙運(yùn)算放大器一一LM358生物電信號極其微弱，一般以微伏為單位且含有大量高頻噪聲，為便于終端設(shè)備對這些信號進(jìn)行處理，就必須在對雜波進(jìn)行濾波放大的同時(shí)，確保其不失真。低通濾波器可以很好的過濾微伏信號以外的高頻噪聲，并在其之后還需接一個(gè)輸出放大級電路用于補(bǔ)償信號傳輸中的損耗17。而LM358

14、具有高增益、共模抑制比大等優(yōu)勢18,故此處采用具有雙運(yùn)放的LM358為此模塊核心。LM358的引腳結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。圖1-4 LM358的引腳結(jié)構(gòu)心率檢測儀總體設(shè)計(jì)方案依照系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求，家用心率檢測儀的使用過程為 ：首先接通5V電源,按下自鎖開關(guān)，上電啟動(dòng)，出 現(xiàn)Heart Rate:的初始界面，然后可以通過按鍵選擇進(jìn)入心率閾值的設(shè)定模式：按一次是設(shè)置下限，按兩次是設(shè)置上限，按三下恢復(fù)初始界面。處于設(shè)置閾值模式時(shí)，仍可在液晶第一行處觀察到此時(shí)被測者的心率值，閾值在底行顯示。同時(shí)能夠用其他兩個(gè)按鍵進(jìn)行對應(yīng)閾值的加減。如需重新設(shè)置，可按下復(fù)位按鍵刷新系統(tǒng)。為完成上述功能，采用模塊化思維，通過

15、以下6個(gè)模塊對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)：核心控制模塊、顯示模塊、心率 采集與處理模塊、閾值設(shè)置模塊、報(bào)警模塊和電源模塊。概況如下圖 1-5系統(tǒng)原理框圖所示。總電路由STC89C52 、 LCD1602、ST188、LM358、四引腳獨(dú)立按鍵、自鎖開關(guān)、DC電源接口等元件構(gòu)成。本設(shè)計(jì)提供四個(gè)按鍵，其中三個(gè)作為設(shè)置正常心率閾值使用，另一個(gè)為復(fù)位按鈕。當(dāng)檢測結(jié)果超過所設(shè)置的正常心率范圍時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作。進(jìn)行心率檢測時(shí)，被測者即可將手輕按在 ST188正中 間，保證發(fā)射與接收到的信號均等，也可將指尖懸于傳感器上方，做到無接觸檢測。LM358將整個(gè)過程采 集的 信號進(jìn)行濾波放大、整形后，傳送到單片機(jī)的P1.

16、0 口。單片機(jī)對應(yīng)端口檢測到信號后利用內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行 中斷計(jì)數(shù)，得到兩次心劍K間隔時(shí)間，最終換算成實(shí)時(shí)心率顯示在LCD。圖1-5系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖2基于52單片機(jī)的心率檢測儀硬件設(shè)計(jì)心率檢測儀核心控制模塊本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)最小系統(tǒng)作為控制核心，結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。采用片內(nèi)時(shí)鐘振蕩方式，在XTAL1和XTAL2之間接一個(gè)石英晶體（12MHZ）和兩個(gè)電容（一般取10PF-30PF）,作用是起振調(diào)頻。 如需系統(tǒng)重啟，可 將復(fù)位電路中的按鍵按下。在Proteus仿真中默認(rèn)EA*=1,即自帶時(shí)鐘和復(fù)位電路，所以這兩個(gè)電路也可不用在仿真中體現(xiàn)，但實(shí)物必須包含。圖2-1單片機(jī)最小系統(tǒng)顯示模塊如圖2-2所示為心率

17、檢測顯示模塊。液晶的D0D7通過10K的上拉電阻與 STC89C52的P0 口連接,進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收；RS引腳連至單片機(jī)的P2.5 口用于確定是指令傳遞還是數(shù)據(jù)傳送；用于確定單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀出還是寫入的 RW引腳連接到P2.6 口;P2.7控制LCD的使能端E。VEE作為調(diào)節(jié)屏幕灰度顯示 的引腳通常接10K電位器，此處選用并聯(lián)分流的方式改變背光亮度使顯示的內(nèi)容清晰。由于 LCD1602中 第四到第六引腳的操作時(shí)序不同，所以一定要注意延時(shí)，使屏幕能有足夠時(shí)間讀寫數(shù)據(jù)。圖2-2顯示模塊心率采集與處理模塊心率采集與處理模塊用紅外反射式光電傳感器ST188進(jìn)行信號采集，借LM358的雙運(yùn)放搭建一個(gè)濾波

18、放大電路，使人體輸出的微弱信號能夠再后端輸出。同時(shí)將隨有用信號一同采集到的噪聲干擾過濾。但 經(jīng)濾波放大后的脈沖仍是不規(guī)則的，定時(shí)器無法對產(chǎn)生的中斷進(jìn)行計(jì)數(shù)，必須采用整形電路，這里構(gòu)造了可提 高抗干擾能力的滯回電壓比較器 19。同時(shí)將一個(gè)LED接在LM358后,用于模擬心跳狀態(tài)。若燈隨其規(guī)律 跳動(dòng)，說明此刻心率檢測數(shù)據(jù)正常。如圖2-3為心率采集與處理模塊。此處電路分為三部分，其功能從左至右分別為心率采集、濾波、放大整形。具體表現(xiàn)為下圖2-4所示。圖2-3心率采集與處理模塊圖2-4功能結(jié)構(gòu)說明其中電源與傳感器之間串聯(lián)分壓電阻，防止元件燒壞。根據(jù)光電特性與傳感器說明手冊，紅外發(fā)射管 的正常工作電流大

19、約為 20mA,壓降和電源電壓一般為 1.5V和5V,根據(jù)公式(2-1),可大約計(jì)算出分壓電阻的 標(biāo)稱阻值為：R=(5- 1.25)V/20mA = 187Q (21)為了阻值取整可使電流小于20mA,A_K端電阻大于200Q,接收端電阻比較隨意。若光電傳感器的紅外接收管感受到反射回的紅外線就立即導(dǎo)通，此時(shí)負(fù)極E管腳輸出高電平，接近電源電壓，反之不導(dǎo)通，接 近GND。一般使用掃描法檢測接收管狀態(tài)。C4用于隔直通交，R7、R8和下面的C5、C6構(gòu)成一個(gè)同相輸入二階RC無源低通濾波器，可有效去除高頻干擾，使變化的信號變平緩。根據(jù)傳遞函數(shù)計(jì)算出的截止頻率可以確定相應(yīng)電阻值和電容值。在LM358中前級

20、運(yùn)放為同向放大，第二個(gè)是遲滯比較器，R9、R10、R6計(jì)算公式分別如下(2-2)、(2-3)、(2-5)所 示。R9=(2-2)盡量彳證IR3較大,有正常的偏置電流。R10=(2-3)R6的計(jì)算需要先進(jìn)行 VIN與Vr-、Vr+大小比較，不同條件下電平跳變狀態(tài)不同，據(jù)此得到公式組(2-4)。(2-4)R6=R9X (Vr+-Vr-)/Vcc (2-5)接收端收到紅外信號導(dǎo)通后，使運(yùn)放的同相端電平下降，低于反相端電平，1引腳電壓升高,7引腳輸出 低電平并驅(qū)動(dòng)LED按照脈搏頻率閃爍。閾值設(shè)置模塊I/O 口數(shù)量充足，故該模塊采用四引腳的獨(dú)立按鍵結(jié)構(gòu)，作為心率閾值的高低設(shè)置。多個(gè)按鍵一起使用可利用導(dǎo)通

21、性簡化電路，由程序掃描控制。如圖2-5所示，用P3 口前三個(gè)引腳分別與其連接，用作閾值上下限設(shè)置、對應(yīng)值加減。圖2-5閾值設(shè)置模塊報(bào)警模塊報(bào)警模塊如圖2-6所示,蜂鳴器的正極接電源，負(fù)端接單片機(jī)P2.4 口。由于蜂鳴器的正常工作電流大約為25mA,單片機(jī)無法直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，故以灌電流方式用三極管驅(qū)動(dòng)。同時(shí)連接限流電阻，目的是保護(hù)IO口和PN結(jié)不被燒壞。阻值計(jì)算見公式(2-6),PN結(jié)正向?qū)▔航禐?0.7V。R14 (Vcc-0.7V)/25mA (2-6)在此選用PNP-9012是因?yàn)閱纹瑱C(jī)上電會直接輸出高電平，所以不妨在程序中使其輸出低電平時(shí)令蜂鳴器工作。當(dāng)P1.0輸出低電平（即出現(xiàn)心率超

22、出正常閾值或檢測不準(zhǔn)現(xiàn)象）時(shí)發(fā)出報(bào)警提示音。只有當(dāng)心率回到正常范圍內(nèi)或重啟心率儀，才會解除報(bào)警。圖2-6報(bào)警模塊電源模塊電源模塊是所有電子設(shè)備的基礎(chǔ)部分，為電路板上的元器件提供穩(wěn)定的電能。DC電源插座承載功率大、應(yīng)用范圍廣，同時(shí)自鎖開關(guān)也具有良好的耐壓性。故此處供電方式采用兩者結(jié)合的方案。電源模塊原 理如下圖2-7所示。圖2-7電源模塊3家用心率檢測儀軟件設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的家用心率檢測儀的軟件設(shè)計(jì)主要由各變量聲明、延時(shí)函數(shù)、芯片初始化函數(shù)、按鍵設(shè) 置模塊、定時(shí)器T0/T1中斷模塊、1602顯示模塊以及主程序流程組成。計(jì)算復(fù)雜和定時(shí)精細(xì)是心率檢測 儀的特點(diǎn)，而C語言便于對復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)。所以采用C

23、語言對控制程序進(jìn)行編譯。系統(tǒng)初始化模塊系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，目的是對單片機(jī)內(nèi)定時(shí)器工作方式、LCD顯示模式、各端口設(shè)定進(jìn)行操作。此處選用定時(shí)器 T0、T1作為中斷并使其以工作方式一的形式運(yùn)行系統(tǒng) ，即需設(shè)置TMOD為0 x11, 同時(shí)給兩個(gè)中斷賦計(jì)算初值，分別存入定時(shí)器T0的高八位、低八位和定時(shí)器 T1的高八位、低八位。根據(jù)LCD及定時(shí)器的工作說明，下圖3-1所示為初始化編寫。其中0 x0C指屏幕開顯示但不顯示光 標(biāo)閃爍。圖3-1初始化模塊定時(shí)器中斷服務(wù)模塊定時(shí)器T0以1ms為單位計(jì)時(shí)對信號檢測的有無、是否正常進(jìn)行判斷。定時(shí)器 T1以10ms為單位 對哪個(gè)按鍵是否被按下進(jìn)行檢測以及心率的計(jì)

24、算。T0、T1流程圖分別如下圖3-2、3-3所示。保證總中斷允許位EA=1,且TR0和TR1置位，才可啟動(dòng) C/T。若需定時(shí)1ms（即1000us）,賦初值公式組見（3-1）:TH0=(65536-1000)/256TL0=(65536-1000)%256(3-1)公式原理為TH0+TL0=216us。給T1賦10ms初值公式同理，僅需改為10000us 。圖3-2定時(shí)器T0中斷模塊圖3-3定時(shí)器T1中斷模塊心率測量計(jì)算及顯示模塊心率計(jì)算原理是檢測兩次心跳間隔時(shí)間，再乘以一分鐘內(nèi)的間隔次數(shù)，得到測量總數(shù)。利用定時(shí)器 T0 以1ms為單位計(jì)算次數(shù)(即1ms中斷一次，累加器統(tǒng)計(jì)中斷次數(shù)，假設(shè)兩次心

25、跳中間計(jì)數(shù)為500,則心跳間隔為0.5s,那么計(jì)算出的一分鐘心跳數(shù)就是由公式(3-2)所示：60s/0.5s=120 次(3-2)心率結(jié)果/100得到百位；先100再/10得到十位；直接%10得到心率個(gè)位。上述三位結(jié)果分別+0 x30可得到對應(yīng)數(shù)字的液晶顯示碼。如百位顯示方式由公式(3-3)所示：(60000/xinlv_jishu)/100+0 x30(3-3)心率測量流程由下圖3-4所示:(xinlv_con作為輔助變量，判斷檢測到的信號次數(shù))圖3-4心率測量流程心率閾值設(shè)置模塊此處采用掃描法確定哪個(gè)按鍵被按下，具體操作為:P3 先&0 x07,再判斷哪個(gè)引腳為低電平時(shí)，說 明出現(xiàn)低電平的

26、引腳所連接的按鍵被按下并給予該數(shù)據(jù)口一個(gè)信號，同時(shí)獲得相應(yīng)按鍵value o在程序中應(yīng)編寫消抖程序，目的是反復(fù)確認(rèn)按鍵是否被按下。當(dāng)某按鍵被按下，這個(gè)鍵的位置信息能夠通過掃描程序以返回值形式傳送到主函數(shù)。下圖3-5所示為心率閾值設(shè)置模塊流程圖。主程序流程主程序流程圖如圖3-6所示。圖3-5心率閾值設(shè)置流程圖3-6主程序流程4系統(tǒng)測試與分析硬件調(diào)試此次實(shí)物制作由手工焊接萬能板實(shí)現(xiàn)，焊接細(xì)節(jié)直接影響電路能否正常工作，所以不可發(fā)生虛焊，將元 器件焊壞等問題。由于心率儀系統(tǒng)電路較復(fù)雜，一點(diǎn)錯(cuò)誤或者排版問題，都會對焊接及接下來的檢測造成不便。焊接時(shí)首先需要把元器件按照電路原理圖以最優(yōu)排版放在銅孔中。保持

27、電烙鐵焊頭處的清潔，可以更好地令焊頭與焊錫接觸，也可蘸取松香或助焊膏。焊接時(shí)，電路板與烙鐵不宜長時(shí)間接觸，防止?fàn)C壞元件與板子。 若發(fā)生 連焊或電烙鐵焊錫過多的現(xiàn)象，可以用錫槍把多余焊錫除去。焊接完成后需要檢查焊點(diǎn)是否牢固，觀察電路板是否干凈，各引腳是否出現(xiàn)連焊等現(xiàn)象，防止出現(xiàn)短路斷路現(xiàn)象。在此設(shè)計(jì)的電路調(diào)試中遇到的問題均依次解決。以下為問題所在：在電源模塊的連接方面，所有元件需接的電源和地是否連在一起構(gòu)成回路；用萬用表檢測電路中的焊接問題 ；各模塊、芯片的引腳是否按照原理圖正確連接；各模塊的電阻電容計(jì)算結(jié)果是否正確。軟件調(diào)試基于單片機(jī)的家用心率檢測儀需進(jìn)行定時(shí)計(jì)算顯示等功能，程序邏輯感較強(qiáng)，在

28、編譯時(shí)出現(xiàn)較多問題。通過對各模塊子程序多次修改，最終解決軟件上的問題。主要問題如下：用戶按下按鍵時(shí)，相應(yīng)按鍵功能的實(shí)現(xiàn)與預(yù)期不符，故重新檢查各引腳變量的聲明、按鍵電路的連接，重新建立對應(yīng)關(guān)系；程序運(yùn)行中總是顯，發(fā)現(xiàn)是部分子程序延時(shí)不，購買相應(yīng)的元器件、開發(fā)4-1所示。示重復(fù)定義，檢查發(fā)現(xiàn)是在 C語言編程上的原則問題。液晶屏顯示數(shù)據(jù)跳變過快 夠。實(shí)物圖在Proteus中根據(jù)設(shè)計(jì)好的電路原理圖與編譯成功的控制程序?qū)崿F(xiàn)仿真后板以及焊接工具。用開發(fā)板以及相應(yīng)軟件將程序下載至單片機(jī)。焊接成品如圖圖4-1成品圖實(shí)物運(yùn)行狀態(tài)及電路構(gòu)成見下圖4-2 o圖4-2實(shí)物運(yùn)行圖測試結(jié)果由于背燈光源太亮，僅拍攝屏幕才可

29、清晰顯示，初始界面為下圖4-3所示圖4-3初始界面據(jù)資料顯示，人類靜息狀態(tài)下正常心率為60100次,正常人群范圍可擴(kuò)大每分鐘 50110次。首先設(shè)置心率范圍的下限為 50,上限為105，此時(shí)測得心率為65,未超出正常心率范圍，蜂鳴器不報(bào)警。如下圖 4-4 所示。圖4-4正常心率設(shè)置及實(shí)時(shí)測量在程序編寫時(shí)，為使設(shè)計(jì)更人性化，設(shè)置心率上限最大為 180，下限最低為30o即Warning H只能在Warning L180內(nèi)進(jìn)行加減,Waring L只能在30Warning H范圍內(nèi)加減。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的心率閾值可根據(jù)公式組(4-1)計(jì)算。(4-1)此時(shí)被測者年齡22歲，設(shè)置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)心率范圍的上限為158

30、,檢測數(shù)據(jù)為137,蜂鳴器不報(bào)警，如下圖4-5所示。圖4-5運(yùn)動(dòng)狀態(tài)心率閾值設(shè)置及測量顯示為檢查蜂鳴器能否正常工作，在測得心率為65次/分鐘時(shí)，設(shè)置正常心率下限為 71,令測量數(shù)據(jù)不在閾 值范圍內(nèi)，此時(shí)蜂鳴器報(bào)警，如下圖4-6所示。圖4-6報(bào)警顯示在上述各種條件測試過程中，LED均隨脈搏跳動(dòng)規(guī)律閃爍。說明系統(tǒng)整體工作正常。誤差分析及處理由于ST188可進(jìn)行非接觸式測量，測得信號微弱且傳感器靈敏度極高，所以一定程度上會存在誤差。在測量過程中經(jīng)分析彳I出以下誤差來源，并主要采取改善硬件的措施來解決噪聲干擾，提高心率檢測儀的測量精準(zhǔn)度。(1)環(huán)境光干擾及處理措施本課題是通過紅外光線透過手指的不同血液

31、濃度使光強(qiáng)變化來采集信號的，故光照條件在本系統(tǒng)至關(guān)重要。而且指尖動(dòng)脈血液濃度引起的光強(qiáng)變化比環(huán)境光引起的變化微弱得多1420,故檢測時(shí)要確保背景光源恒定，減少干擾?？稍趥鞲衅魍鈬诱诠饨Y(jié)構(gòu)，直接減小外界紅外光線的影響。(2)手指抖動(dòng)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)噪聲及處理措施紅外光電傳感器檢測到的生物電信號很微弱，手指抖動(dòng)會直接影響測量值。但手指與光電管之間的相對運(yùn)動(dòng)不可避免，運(yùn)動(dòng)噪聲可通過以下兩個(gè)方面改善：一是將上述的密封包裝式的遮光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得更加貼合 手指，不易松動(dòng)；二是通過程序算法來減小心率信號處理時(shí)的誤差?，F(xiàn)采用第一個(gè)途徑較方便。(3)被測者心理、生理變化及處理措施據(jù)調(diào)查，檢測者心情起伏、飲食問題會使心臟

32、泵血不一致，指尖動(dòng)脈血變化紊亂，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)。所以如果檢測者想要知道自己的心率健康狀態(tài)，事先應(yīng)保證飲食作息規(guī)律與平和的心理狀態(tài)。(4)系統(tǒng)靈敏度的處理措施同種紅外光電傳感器對不同測量者的敏感度不同。此次在心率采集與處理模塊中，采用的都是阻值固定的元件，致使測量值可能有偏差。后期可用電位器代替固定電阻來改變傳感器靈敏度，使該設(shè)計(jì)精準(zhǔn)適用于每一個(gè)人。備選方案在對運(yùn)動(dòng)噪聲進(jìn)行處理時(shí)發(fā)現(xiàn)紅外對管可以很好的解決這一問題。二者都是紅外光電傳感器，在電路設(shè)計(jì)上也較為類似，軟件方面采用相同程序。紅外對管在機(jī)械設(shè)計(jì)方面可以利用對稱性將手指固定住。原 理圖見附錄A,實(shí)物如下圖5-1所示。圖5-1基于紅外對管實(shí)

33、物圖結(jié)論本設(shè)計(jì)對單片機(jī)、紅外光電傳感器等元件的結(jié)構(gòu)特性做了簡要說明，介紹怎樣在Keil4軟件平臺上編寫程序，在AD中繪制原理圖以及怎樣在 Proteus中對電路圖進(jìn)行模擬測試。本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)以心率傳感 器為信號采集端，以LCD1602液晶顯示屏為輸出端，將STC52單片機(jī)作為控制核心，并可以通過按鍵來設(shè) 置正常心率閾值的家用心率檢測儀。實(shí)物基本實(shí)現(xiàn)預(yù)想功能，具有一定的使用價(jià)值。此次設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)有以下幾方面：(1)軟件設(shè)計(jì)上充分地發(fā)揮了C語言編程時(shí)靈活方便的特點(diǎn)。依據(jù)模塊化思維將總體功能按要求分多個(gè)模塊或子程序分別測試。完成實(shí)物的系統(tǒng)檢測；(2)使用軟件仿真，避免直接將元器件焊接為成品時(shí)可能會出現(xiàn)的錯(cuò)誤，便于針對仿真測試的顯示結(jié)果及時(shí)修改程序及電路，不會造成元器件的浪費(fèi)；(3)應(yīng)用LCD1602作為液晶顯示，使得整體數(shù)據(jù)顯示方便美觀。(4)ST188傳感器的特性使心率檢測在無接觸的條件下，可滿足人們可隨時(shí)檢測健康的需求。同時(shí)本設(shè)計(jì)由于本人才疏學(xué)淺，實(shí)現(xiàn)了預(yù)想的要求，但是還是略有不足，隨著軟硬件設(shè)備的調(diào)整，能夠從 如下的幾個(gè)角度來進(jìn)行改進(jìn)：掉電彳存，不必每次啟動(dòng)重新設(shè)置閾值?？商砑悠渌诵曰δ苣K，如:語音、定時(shí)等；未使用PCB板且電路較復(fù)雜，該系統(tǒng)可集成在小型設(shè)備上，便于攜帶。基于環(huán)境因素的影響，系統(tǒng)穩(wěn)定性也需進(jìn)一步提高。參考文獻(xiàn)劉琳琳，邱紅星，時(shí)梅林，莊銀蘋，鞏萍，徐