输入
５０
前
高
中
低
输
置
通
级
右腿
放
滤
放
通 滤
Ｈｚ 出
限
驱动
大
波
大
波
波
图 ２ 心电采集原理框图
３．３ 单片机及其外围电路 ＡＴｍｅｇａ 系 列 单 片 机 可 与 １６ 或 ３２ 位 结 构 的 微 处 理 器 相
匹敌， 主要取决于它高效的运算以及精简的指令集。
５ 医疗卫生装备·２００６ 年第 ２７ 卷第 １２ 期 Ｃｈｉｎｅ ｓ ｅ Ｍｅ ｄｉｃａ ｌ Ｅｑｕｉｐｍｅ ｎｔ Ｊ ｏｕｒｎａ·ｌ ２００６ Ｖｏｌ．２７ Ｎｏ．１２
图 ４ 软件程序流程图
报警系统， 分别进行分频闪烁和蜂鸣报警； 同时对测量结果
进行储存， 为了避免数据存储冗余， 系统只保留近期测量的
数据。
（４）显 示 和 报 警 模 块
液 晶 显 示 芯 片 ＭＳＣ－ Ｇ１２２３２ＢＮＴ６０２ 及 其 接 口 电 路 组 成
了显示模块， 单片机通过 ＲＳ２３２ 与显示模块进行异步串行通
的检测应用， 下一步将对系统功能进一步完善和扩展， 并投入
实际应用。
参考文献
１ 刘光辉． 心率监测在体育运动实践中的应用． 河北体育学院学报 ２００４， １８（ １） ： １８￣２０
２ 吴双力， 崔剑， 王伯领．ＡＶＲ－ ＧＣＣ 与 ＡＶＲ 单片机 Ｃ 语言开发．北 京： 北京航空航天大学出版社， ２００４．２５￣４０ （ ２００６－ ０８－ １８ 收稿 ２００６－ １１－ １５ 修回）
作者简介： 徐新萍， 硕士研究生， 主治医师， 主要从事医学图像分析实验 研究工作； 邱力军， 硕士生导师， 副教授， 通讯作者， 主要从事医学信号检测和 图 像 处 理 方 面 的 研 究 。 本 课 题 由 军 队 “十 五 ”面 上 课 题 资 助 。
电源模块
Ｅ
单 片 机 ＡＴｍｅｇａ６４
Ｃ
人
心率监测系统由心率采集单元和微控制单元组成， 其中 ＭＣＵ 是以 ＡＶＲ 系列单片机 ＡＴｍｅｇａ６４ 为核心， 配以一定的外围 电路和软件， 实现单兵训练强度的监测、启动报警和显示功能。
系统硬件设计包括： 心率采集电路、ＭＣＵ 的电路原理图以 及印刷电路板设计。主要以单片机 ＡＴｍｅｇａ６４ 和其它所需外围 电 路 组 成 的 设 计 ， 如 ： 硬 件 框 图 设 计 、接 口 电 路 、ＰＣＢ 的 设 计 。 系 统 软 件 设 计 是 指 基 于 ＡＴｍｅｇａ６４ 通 过 软 件 编 程 实 现 心 率 监 测系统的智能判断功能。同时， 软件模块在硬件电路检测完毕 后再进行调试， 以便协同硬件实现各模块功能。 ３ 系统硬件设计
Ｄ ｅｓｉｇ ｎ ｏ ｆ ｈ ｅａｒｔ－ｒａｔｅ ｍ ｏ ｎ ｉｔｏ ｒｉｎ ｇ ｓｙｓｔｅｍ
ＸＵ Ｘｉｎ－ ｐｉｎｇ１，２， ＺＨＡＯ Ｐ ｅ ｎｇ２， ＱＩ Ｊ ｉａ － ｘｕｅ １， ＱＩＵ Ｌｉ－ ｊｕｎ１， ＬＩ Ｂｉｎ１， Ｊ ＩＡＯ Ｔｅ ｎｇ１， ＣＨＥＮ Ｊ ｉａ ｎ－ ｋａ ｎｇ１， ＬＵＯ Ｊ ｉａ １ （ １．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ｔｈｅ Ｆｏｕｒｔｈ Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓ ｉｔｙ， Ｘｉ＇ ａｎ ７１００３２， Ｃｈｉｎａ ； ２．
（１） Ａ／Ｄ 转换模块 心律采集电路采用差分电路和滤波电路后， 输出一个模 拟 信 号 ， 单 片 机 ＡＴｍｅｇａ６４ 通 过 自 带 的 ＡＤＣ 转 换 器 ， 把 模 拟 信号转换为可处理的数字信号。此时的心率信号以离散信 号的形式， 通过计算单位时间 Ｒ 波之间的时间来换算心率
的值。
开始
（２）键 盘 输
系统硬件设计的电路图设计在 Ｐｒｏｔｅｌ ＤＸＰ 的开发软件中 完成， 包括： 原理图和 ＰＣＢ 图的设计。元器件的选择和封装设 计都采用标准规定， 但为满足小型化， 其中某些元件考虑到其 贴片式或其它因素， 采用了实物测量的方法自己加载元件库。 系 统 硬 件 由 心 率 采 集 模 块 、电 源 模 块 、Ａｔｍｅｇａ６４、键 盘 控 制 模 块 、液 晶 显 示 和 语 音 报 警 系 统 构 成 。 ３．１ 系统框图（ 见图 １）
Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｓ ｃｉｅｎｃｅｓ ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８５０， Ｃｈｉｎａ ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｅｘｐｏｕｎｄｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｗａｒ － ｆｉｇｈｔｅｒ ｈｅａｒｔ － ｒａｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｉｔｓ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ． Ｔｈｅ ＭＣＵ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＴｍｅｇａ６４ （Ｌ） ｉｎ ＡＶＲ ｆａｍｉｌｉｅｓ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｈｅａｒｔ－ ｒａｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｗａｒ－ ｆｉｇｈｔｅｒ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｉｎｔｅｎｓｉｏｎ． Ｉｔ ｉｓ ｓｍａｌｌ ａｎｄ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ ｈｅａｒｔ ｒａｔｅ； ＡＴｍｅｇａ６４（Ｌ）； Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｔ ｍｏｄｕｌｅ； ＵＡＲＴ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ）
１ 引言 运 动 心 率 对 运 动 强 度 的 监 测 是 国 内 外 运 动 医 学 、运 动 生 理
学、运动训练学以及运动心理学界十分感兴趣的问题。目前， 常 应用心率血乳酸法和目标 ＨＲ 四分区法安排运动强度［１］。我们采 用运动心率来表示运动强度的大小， 根据运动心率准确划分运 动强度等级， 通过单片机对监测心率按照划分等级进行智能判 断， 实时监测训练强度， 并显示报警。 ２ 系统总体设计
研究论著
Ｔ Ｈ Ｅ Ｓ ＩＳ ＆ Ｒ Ｅ Ｓ Ｅ Ａ Ｒ Ｃ Ｈ Ｒ Ｅ Ｐ Ｏ Ｒ Ｔ
ＡＴｍｅｇａ６４ 的特性： （１）高性能、低功耗的 ８ 位 ＡＶＲ!微处理器； （２）先进的 ＲＩＳＣ 结构； （３）非易失性程序和数据存储器： ６４ｋＢ 的系统内可编程 Ｆｌａｓｈ 擦写寿命 １０ ０００ 次； 具有独立锁定位的可选 Ｂｏｏｔ 代码区， 通过 片上 Ｂｏｏｔ 程序实现系统内编程同时读写操作； ２ｋＢ 的 ＥＥＰＲＯＭ 擦 写 寿 命 １００ ０００ 次 ； ４ｋＢ 片 内 ＳＲＡＭ， ６４ｋＢ 可 选 外 部 存 储 空 间； 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密； 通过 ＳＰＩ 接 口进行系统内编程。 （４）外设特点： ８ 路 １０ 位 ＡＤＣ， 面向字节的两线接口； 可编 程 的 串 行 ＵＳＡＲＴ； 可 工 作 于 主 机／ 从 机 模 式 的 ＳＰＩ 串 行 接 口 ； 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器； 片内模拟比较 器。 （５）特 殊 的 处 理 器 特 点 ： 上 电 复 位 以 及 可 编 程 的 掉 电 检 测 ； 片 内 经 过 标 定 的 ＲＣ 振 荡 器 ； 片 内／ 片 外 中 断 源 ； ６ 种 睡 眠 模 式： 空 闲 模 式 、ＡＤＣ 噪 声 抑 制 模 式 、 省 电 模 式 、 掉 电 模 式 、Ｓｔａｎｄｂｙ 模 式 以 及 扩 展 的 Ｓｔａｎｄｂｙ 模 式 ； 软 件 选 择 时 钟 频 率。 （６）工 作 电 压 及 速 度 等 级 ： ＡＴｍｅｇａ６４Ｌ： ２．７～５．５Ｖ， ０～８ＭＨｚ； ＡＴｍｅｇａ６４： ４．５～５．５Ｖ， ０～１６ＭＨｚ。 系统单片机及其外围电路框图， 见图 ３。
Байду номын сангаас
实际中用的是第 ２ 种方案。
５ 讨论
针对单兵训练强度监测的要求， 该心率监测系统 ＭＣＵ 采
用单片机 ＡＴｍｅｇａ６４ 及其外围电路设计， 并通过 ＷｉｎＡＶＲ 的 Ｃ
语言编程， 优化了硬件和软件的配置， 提高了系统的实时性、
灵敏性， 达到了小型化、以便单兵携带。系统从采集、处理、显
示和报警、储存， 基本实现其功能。但目前系统只进行了初步
Ｇ
Ａ
体
采
信
集
号
电
／
Ｄ
中央处理
转
电路
路
换
电
路
中心控制处理模块
液晶显示 模块
报警系统
蜂发 鸣光 器二
极 管
键盘控制模块
图 １ 系统框图
３．２ 心率采集电路 心电信号经由前置放大电路、中级放大电路、高通滤波 电
路、低通滤波电路、５０Ｈｚ 陷 波 电 路 和 右 腿 驱 动 电 路 输 出 ， 输 入 单片机进行简单的低通滤波后， 通 过 其 ８ 路 １０ 位 ＡＤＣ 转 换 为数字信号（ 见图 ２） 。
摘要 阐述了单兵便携式心率监测系统的总体设计方案， 介绍了系统的硬件和软件设计。系统基于 ＡＶＲ 系列单片机 ＡＴｍｅｇａ６４（Ｌ）， 用于心率监测系统的 ＭＣＵ， 实时性好， 体积小， 功耗低， 携带方便， 适用于单兵训练强度的心率监测。 关键词 心率； ＡＴｍｅｇａ６４（Ｌ）； Ａ／Ｄ 转换； 异步串行通信 中图分类号： ＴＨ７７２＋．２ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００３－ ８８６８（ ２００６） １２－ ０００５－ ０２
信。系统开启时， 会初始化液晶芯片， 出现开机画面； 当正常工
作时， 实时显示心率测量值。
当监测的心率信号大于阈值时， 系统会发送报警信号， 触
发报警功能。报警系统设计有 ２ 种实现方案： 一是用语音芯片
报警，事先根据实际情况录入语音信息； 二是用蜂鸣器和发光
二极管，发不同频率的鸣音来表示不同情况，同时二极管闪烁。
６ 医疗卫生装备·２００６ 年第 ２７ 卷第 １２ 期 Ｃｈｉｎｅ ｓ ｅ Ｍｅ ｄｉｃａ ｌ Ｅｑｕｉｐｍｅ ｎｔ Ｊ ｏｕｒｎａ·ｌ ２００６ Ｖｏｌ．２７ Ｎｏ．１２