第一章 绪 论 1.1 心率计的研究背景 随着时间的推移，我们已经步入了21世纪。我们见证了经济、科技、医疗等等飞速的发展。伴随着社会的进步，使我们的生活水平被不断被的提高，高强度的脑力以及体力的工作让健康成为了我们大家所关注的焦点。人体器官中心脏是比较重要的，心脏的功能就是为血液流动提供充足动力，将血液传输到人体的各个器官中，同时也被称为人体中血液循环的动力泵。如果心脏发生问题会直接影响人的生命安全，各种类型的心率失常是引起心脏相关疾病死亡的首要因素，此系统疾病已经成为损害人类健康和生命的一大杀手。 2013年3月17日，国外医学研究机构《美国心脏协会》发布《中国成人的心血管健康情况调查报告》（Status of Cardiovascular Health in Chinese Adults），依据9万余名成年公民的心血管检测数据加以研究。这一研究主要使用美国心脏协会标准，主要划分为身体健康与行为健康。行为健康主要包括:不抽烟、体重标准、体育锻炼强度适当、饮食科学。身体健康主要包括:不抽烟、血压达到正常水平、血脂符合要求、血糖处于正常状态。研究结果表明，我国身体健康指标满足的人约为百分之十三，行为健康指标满足的人约为百分之七，两者均均满足的人约为百分之二。研究人员将上述健康指标划分为理想、中等、低等，但心血管健康状态不良的人数占比四分之三，中等心血管健康的人占比四分之一，理想状态的人几乎没有。研究报告显示，我国成年人理想心血管健康比例非常低，应针对全体公民和心血管病高危因素两方面努力实施有效的应对策略，以促进中国人心血管健康（Journal of the American College of Cardiology,2015,65(10):1013-1025）[1]。

2015年1月5日，全球医学杂志《柳叶刀》（Lancet）研究颁布《二零一三年全球疾病负担报告》，这一研究报告对一九九零年至二零一三年期间多个国家的死亡情况作出统计，主要由华盛顿大学健康指标评估机构（IHME）带领研究人员完成相关调查工作。研究结果表明，中国目前死亡率较高的疾病包括:冠心病、肺病、脑卒中，上述疾病导致的死亡人数约为二零一三年期间所有死亡人数的46%。依据世界卫生组织调查数据得出结论，心血管疾病主要是血管疾病与心脏疾病所导致，主要包括:心衰竭、高血压、脑卒中、冠心病等，上述疾病是我国死亡率较高的疾病，心血管疾病占比较大[2]。 由上述两篇研究报告可以清楚的发现，大多数人所患疾病都是由于心脏出现了问题所导致的。这使我们更加注意到了对于心脏保护的重要性。不仅仅是老年人，青少年以及成年人更应该关注对于心脏的保养以及监测。 1.2 课题设计的目的及意义 因为人们注意到了保护心脏的重要性，所以研究了一种可以检测心率的装置。这里我们需要了解到几个名词的具体含义。 心跳（heart beat）：心脏的跳动。 心率（heart rate）：正常人安静状态下每分钟心跳的次数。 脉搏（pulse）：人体表可触摸到的动脉搏动。 在非专业的方面来讲，心跳和心率是一样的。正常人心率和脉搏是一致的，脉搏是80次，心率也就是80次/分钟。因为心脏每跳动一下，血液向外推出，在动脉内就像波浪一样，一下一下向前推进，也就可以感觉到跳动。当我们理解到了这几个名词所代表的含义，从而引出了我们本次课题的目的。 心率不但是人体心脏功能评判的标准，同时也是人体运动强度评判的生理指标，要求人们实时掌握自己心率的变化情况。因此，心率计就很快的出现了，并随着科技、医疗的进步得到了很快的发展。但是在如今的医院中，我们依然能看到很多医生仍然采用人工听诊器的方式来对于心率的测定。 为了方便心率的采集，本课题所研究的心率计具有体积小、测量准确、成本低等特点，非常适合家庭医疗保健。还可以把一段时间所采集到心率的数据上传到智能设备上，以便更好的观察心率数据的整体情况。总体来说，它可以更有效的检测到人体心率的具体情况，为家庭医疗保健提供了很好的帮助。

1.3 心率计设计的主要内容 本论文设计了一种基于51单片机并利用光电传感器及硬件检测电路的心率计，并通过嵌入式系统设计，实现对人体心率的准确测量。并讨论心率变异性以及开展心率数据在睡眠领域的相关探索研究。 主要内容如下： （1）51单片机心率检测仪的设计方案； （2）光电传感器的设计方案； （3）硬件电路及软件的设计； （4）硬件电路实验、软件实验和系统调试。 第二章 基于51单片机心率计检测仪设计方案 2.1 基于51单片机心率检测仪设计方案 系统总体设计由51系列单片机的STC89C52单片机、光电传感器、LED4位数码管、蜂鸣器、按键、运算放大等共同组成。系统主要设置四个按钮，从而完成上下限心率次数的设置，如果次数超过限定范围的话，单片机驱动蜂鸣器就会发出信号，心率检测时要求人们将手放到光电传感器中，人体脉搏处于跳动状态，血液的透光度存在差异，因此，接收器获取的信号强度并不稳定，将人的心率信号传输回来，运算能够不断放大信号强度，将整形后的数据连接到单片机IO口中。单片机通过外部中断来计算脉搏跳动次数，将成年人每分钟脉搏跳动的次数换算出来，在电子设备中显示出来。

2.2 传感器的设计方案 使用光电传感器能够实时检测人体脉搏信号，能够将人体手指组织划分为骨骼、肌肉、皮肤等非血液组织与血液组织，非血液组织中光的吸收量是固定不变的，但血液中静脉血管跳动的频率较弱，基本可以忽略不计，所以光穿透过手指组织后发生的变化主要是动脉血充盈所导致，如果恒定波长光源被设定的话，检测穿透过手指组织的光，能够检测到人体心率的频率与速度[3]。 因为光电传感设备与压电传感器相比较，光电传感器的应用更加普遍，所以大多数人选择使用光电传感器来检测人体心率的频率与速度。

2.2.1 传感器的介绍 本设计所用的光电传感器采用的是反射式红外光电传感器ST188。反射式光电传感设备能够将接收器与发射器设定到相同的装置中，在系统中安装反光设备，通过反射物理原理能够管控光电传感器。检测地表光线程度与颜色的变化，从而完成附近物体的检测工作。ST188系列光电传感器主要包括以下几个特征: （1）采取高发射功率红外光电二极管与高灵敏度的光电晶体管共同构成； （2）检测范围能够适当调节，调节范围在4至13毫米期间。 （3）使用非接触式检测方法。 应用范围如下： （1）IC卡电度表脉冲数据采样； （2）集中抄表系统数据采样； （3）传真机纸张完成检测； （4）同ST288A系列判断电路结合，能够判断检测目标的运动方向、行程检测、正反转速测量。 ST188反射式红外线光电传感器的极限参数如表2-1所示。

表2-1 极限参数（Ta=25℃） 项目 符号 数值 单位 输 入 正向电流 I 50 mA 反项电压 V 6 V 耗散功率 P 75 mW 输 出 集-射电压 Vceo 25 V 射-集电压 Veco 6 V 集电极功率消耗 Pc 50 mW 工作温度 Topr －20~＋65 ℃ 储存温度 Tstg －30~＋75 ℃

ST188反射式红外线光电传感器的引脚图如图2-1、2-2所示，内部电路图如图2-3所示。 图2-1 ST188引脚图 图2-2 ST188引脚图 图2-3 ST188内部电路图 由图2-3所示，A-K相当于二极管，E-C相当于三极管的发射极和集电极。

2.2.2 传感器的电路图设计 ST188反射式红外光线光电传感器是使用光电传感器检测人体手指组织中血液流动状况，将脉心率的频率转换为信号，传感器工作原理电路图如2-4所示:

图2-4 ST188原理电路图 第三章 主控模块设计及信号采集电路的设计方案 3.1 主控模块设计方案 主控模块的设计在系统中占据重要作用，应得到检测按钮的支持，并采用数码管显示相关内容，本论文设计的心率计检测装置采用的是51系列的单片机。

3.1.1 51单片机的选择及介绍 51单片机是对所有兼容lntel8031指令系统的单片机的总称。51系列单片机刚开始由Intel公司研发，但Intel公司将主要的设计方案转售给其他电子生产企业，例如， SST与Philip 等企业。所以，目前市场中出售以51系列为主的单片机[4]。以下是51系列单片机的主要特征： （1）内部硬件软件具备完善的按位操作系统，同时也被称为处理器。 （2）对单片机中部分特殊功能存储器作数据处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算。 （3）乘法和除法指令，给编程带来了很大的便利。 本课题采用的是51系列单片机中的STC89C52单片机作为系统的主控芯片。STC89C52是STC（国产宏晶）单片机其中的一个品牌，是STC公司研发的高性能、低能耗CMOS8位微控制器，采用8K字节系统能够完成Flash存储器编程设计。STC89C52单片机具有40个引脚，32位I/O口线，4个外部中断，1个全双工异步串行口，3个16位定时/计数器。STC89C52内置4KB EEPROM，MAX810复位电路。STC89C52单片机的实物图见图3-1所示。

图3-1 STC89C52单片机实物图 STC89C52单片机的基础结构图如图3-1所示。 图3-2 STC89C52单片机基础结构图 3.1.2 STC89C52单片机的主要特性 STC89C52RC系列单片机作为国产企业宏晶科技研发的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，具有以下特征: （1）8051 系列增强型单片机，6 时钟/机器周期与12 时钟/机器周期能够随意选择，传输指令能够兼容传统 8051； （2）工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）、3.8V～2.0V（3V单片机）； （3）单片机工作频率为:0至40MHz，但8051系列单片机范围在0至80MHz期间，实际工作频率能够突破48MHz； （4）拥有8K字节程序存储空间； （5）片上集成512字节数据存储空间； （6）可直接使用串口下载； （7）4个八位并行I／O 接口P0至P3，连接端口能够用作输入，同时也可以用作输出； （8）两个定时器或计数器，定时器或计数器能够设置为计数形式，从而完成外部事件计数，同时也可以设置为定时方式，依据计数或定时结果完成计算机控制； （9）全双工UART，也就是通用异步接收发送器的串行主要以I／O 口为主，能够实现单片机之间或单机和微机的串行通信； （10）片内振荡器与时钟产生电路，但石英晶体与微调电容应采用外部连接，振荡频率最高可达到12MHz；