基于51單片機(jī)心率測量電路設(shè)計(jì)獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

基于51單片機(jī)心率測量電路設(shè)計(jì)獲獎(jiǎng)科研報(bào)告1.1選題背景

心率是人的重要的可被測量的生理指標(biāo)。

在現(xiàn)代社會(huì)，隨著人類社會(huì)生活水平的提高，人們的生活方式和飲食結(jié)構(gòu)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(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國城市人口每五個(gè)成年人中就有一個(gè)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(dǎo)致的心肌梗塞，猝死等事件時(shí)有發(fā)生，并且心臟疾病方面發(fā)病率逐年提升，發(fā)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(shè)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(hào)，它是反映心臟是否正常工作的一個(gè)重要參數(shù)，可以根據(jù)心率值判斷一個(gè)人是否患有心率過速，早搏等幾種常見的心臟病。因此，設(shè)計(jì)一種簡單，能顯示心率的儀器十分有必要。

1.2主要內(nèi)容

本心率測量電路設(shè)計(jì)是一個(gè)硬軟件相結(jié)合的設(shè)計(jì)類題目。要求設(shè)計(jì)一個(gè)基于51單片機(jī)的心率的檢測電路?？梢詫?shí)現(xiàn)與心率檢測功能，整個(gè)系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)功能包括：

1、使用MAX30102心率傳感器模塊進(jìn)行心率采集；

2、使用STC89C52芯片為控制核心；

3、使用OLED液晶進(jìn)行顯示。

2總體方案設(shè)計(jì)

2.1整體設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)采用的是STC89C52芯片，通過STC89C52最小系統(tǒng)，心率模塊、液晶屏，實(shí)現(xiàn)心率的測量與現(xiàn)實(shí)。實(shí)時(shí)的心率顯示在OLED液晶上。由于STC89C52有較多的引腳數(shù)，能實(shí)現(xiàn)OLED液晶驅(qū)動(dòng)以及實(shí)時(shí)心率測量等這些功能。電源部分是通過USB線來外接可移動(dòng)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(shù)較多，具有非接觸，高精度，高分辨率，高可靠性，反映快等特點(diǎn)。適合用來測量心率。

測量原理：隨著心臟的跳動(dòng)，人體組織半透明隨之改變，當(dāng)血液到達(dá)人體組織時(shí)，組織班透明度減小，當(dāng)血液回流心臟時(shí)，組織的半透明度加大。這種現(xiàn)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(fā)光二級管產(chǎn)生的紅外線照射到人體手指尖，用裝在手指尖另一側(cè)的紅外光電管來檢測人體組織的半透明度并把它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此信號(hào)頻率與心率成正比，再把它轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)并進(jìn)行整形，計(jì)數(shù)和顯示，這樣就能實(shí)現(xiàn)心率實(shí)時(shí)檢測。

選用MAX30102光電式心率傳感器模塊進(jìn)行測量。

2.3顯示屏

顯示屏選用用OLED屏。OLED屏是有機(jī)電激發(fā)光二極管同時(shí)具備自發(fā)光、不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、驅(qū)動(dòng)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(shù)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(shè)計(jì)使用。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1主控電路設(shè)計(jì)

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

18，19引腳接系統(tǒng)時(shí)鐘電路。系統(tǒng)時(shí)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(wěn)定的時(shí)鐘頻率，不會(huì)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(fā)揮芯片的性能系統(tǒng)時(shí)鐘。

3.2心率測量模塊電路設(shè)計(jì)

心率測量模塊采用的是MAX30102模塊。它本身集成了完整的發(fā)光LED及驅(qū)動(dòng)部分，光感應(yīng)和AD轉(zhuǎn)換部分，環(huán)境光干擾消除及數(shù)字濾波部分，極大的減輕了用戶設(shè)計(jì)。將它應(yīng)用于本設(shè)計(jì)，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(jī)，通過編寫相應(yīng)的算法進(jìn)行計(jì)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(nèi)部干擾，其綜合性能優(yōu)秀可靠。

心率測量模塊電路設(shè)計(jì)如圖1中header所示

3.3顯示模塊電路設(shè)計(jì)

顯示模塊采用的是OLED顯示。它具備自發(fā)光，無需背光源，反映速度快，使用溫度范圍廣，結(jié)構(gòu)相對較簡單的優(yōu)點(diǎn)。SCL，SDA分別接單片機(jī)39，38引腳，分別為時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線。

3.5供電電路設(shè)計(jì)

采用電池供電。持續(xù)按住sw1鍵，電池作為供電電源。431穩(wěn)壓電路，內(nèi)部含有2.5V的基準(zhǔn)電壓，REF端引入輸出反饋時(shí)，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(jié)果

心率測量結(jié)果如表1所