基于STC89C51 單片機(jī)的脈搏測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

尉 蓉，岳志明

（酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 酒泉 735000）

隨著人民生活水平的不斷提高，心腦血管疾病的增多，預(yù)防和保健意識(shí)的增強(qiáng)，心臟監(jiān)測(cè)越來(lái)越被重視；在日常生活中或劇烈運(yùn)動(dòng)后，人們也需要監(jiān)測(cè)一下自己的心率，對(duì)調(diào)節(jié)飲食和控制運(yùn)動(dòng)量起到積極的參考作用，因此操作簡(jiǎn)單便捷，安全可靠的心率測(cè)量，就有了很大的需求空間。

人體心臟周期性的收縮和舒張導(dǎo)致血流壓力以波的形式、從主動(dòng)脈根部開(kāi)始沿著整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)傳播，這種脈搏波所呈現(xiàn)出來(lái)的形態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息，能反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理疾病的血流特征[1]，所以通過(guò)獲取脈搏波的特征，就可以為臨床診斷和治療心腦疾病提供可靠的依據(jù)。

根據(jù)醫(yī)學(xué)常識(shí)可知，脈搏的跳動(dòng)頻率與年齡和性別有關(guān)。嬰幼兒一般比成人的跳動(dòng)頻率高，嬰兒大概是每分鐘120～140 次，幼兒每分鐘90～100 次，學(xué)齡期兒童每分鐘80～90 次，成人每分鐘60～90 次，隨著年齡增長(zhǎng)，脈搏跳動(dòng)頻率會(huì)有所下降。另外，脈搏的跳動(dòng)頻率與運(yùn)動(dòng)量和情緒也有關(guān)系：情緒激動(dòng)或劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)脈搏跳動(dòng)會(huì)加快，而情緒平緩或睡眠休息時(shí)脈搏跳動(dòng)則減慢。一般而言，成人脈博跳動(dòng)頻率若每分鐘超過(guò)100次，則稱(chēng)為心動(dòng)過(guò)速；每分鐘低于60 次，稱(chēng)為心動(dòng)過(guò)緩[2]。如果患有基礎(chǔ)疾病的人，心率出現(xiàn)高達(dá)126 次/min（除劇烈運(yùn)動(dòng)后可能的最大頻率240 次/min），則有可能發(fā)生猝死的危險(xiǎn)。因此方便、快捷的測(cè)量心率，為預(yù)防疾病起到了很好的作用。

根據(jù)朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律，物質(zhì)在一定波長(zhǎng)處的吸光度和其濃度成正比。當(dāng)恒定波長(zhǎng)的光照射到人體組織上時(shí)，通過(guò)人體組織吸收、反射衰減后，測(cè)量到的光強(qiáng)將在一定程度上反映被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征[3]。在人體指尖組織中的動(dòng)脈成分含量高，而且指尖厚度相對(duì)其他人體組織而言比較薄，透過(guò)手指后檢測(cè)到的光強(qiáng)相對(duì)較大[3]，因此只要通過(guò)監(jiān)測(cè)人體指尖的脈搏波頻率，就可以獲得血流信息，為臨床診斷和治療提供依據(jù)[3]。

目前測(cè)量脈搏的儀器設(shè)計(jì)方案一般有：

（1）光電容積脈搏波法，其是基于光電容積法的脈搏測(cè)量?jī)x，其測(cè)量系統(tǒng)以Arduino 平臺(tái)作為系統(tǒng)的核心控制部分，采用光電傳感器采集人體脈搏信號(hào)，將采集到的信號(hào)經(jīng)由濾波電路、放大電路處理后送入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過(guò)藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示[4]。

（2）基于藍(lán)牙低能耗BLE CC2541 和紅外脈搏傳感器HKG-07A 的脈搏測(cè)量?jī)x，能在液晶屏上顯示脈搏數(shù)，可將脈搏數(shù)據(jù)保存在緩存中，還可通過(guò)藍(lán)牙將脈搏數(shù)發(fā)送到手機(jī)APP 上[5]。

（3）采用反射式紅外光電傳感器ST188 測(cè)量手指末端的脈搏信號(hào)，然后將其濾波、放大、整形為方波送往IAP15W4K58S4 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后計(jì)算出脈搏值通過(guò)LCD1602 顯示[6]。

（4）通過(guò)SC0073B 脈搏傳感器采集被測(cè)者腕部的脈搏信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大電路、低通有源濾波電路和整形電路后送至單片機(jī)處理，并將結(jié)果顯示在液晶屏上，同時(shí)，可接入基于zigbee 協(xié)議無(wú)線(xiàn)監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)護(hù)[7]。

本文主要論述的是基于STC89C51 單片機(jī)脈搏測(cè)量?jī)x的硬、軟件的設(shè)計(jì)。首先利用反射式紅外光電式傳感器作為脈搏信號(hào)的變換元件，再把采集到的電信號(hào)進(jìn)行硬件濾波、放大、整形，并進(jìn)行軟濾波抗干擾，得到的脈搏電信號(hào)輸入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)、同步定時(shí)，最后由LCD1602 液晶顯示屏顯示出脈搏次數(shù)[8]。

1 硬件電路方案設(shè)計(jì)與選擇論證

根據(jù)脈搏測(cè)量要求，將脈搏測(cè)量?jī)x系統(tǒng)劃分為脈搏檢測(cè)傳感器部分，濾波、放大及整形信號(hào)處理電路，單片機(jī)最小系統(tǒng)及顯示電路。脈搏測(cè)量?jī)x系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 脈搏測(cè)量?jī)x系統(tǒng)框圖

1.1 脈搏檢測(cè)傳感器

經(jīng)過(guò)比較、論證目前脈搏測(cè)量?jī)x的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中，脈搏心率的采集選用光電傳感器模塊。

光電式檢測(cè)方式可以不用侵入人體而檢測(cè)脈搏，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)損傷、精度高和可重復(fù)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[9]。光電檢測(cè)是將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線(xiàn)照射到人體的指尖部位，并用裝在該部位另一側(cè)或旁邊的紅外光電管來(lái)檢測(cè)機(jī)體組織的透明程度，并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由于此信號(hào)的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)相等，故只需將其轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)脈搏次數(shù)的目的[1]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的脈搏測(cè)量?jī)x相比，具有以下特點(diǎn)：①指尖測(cè)量，方便快捷。②測(cè)量時(shí)間可控，精度高。③使用通用的5 V 直流電壓。④軟、硬件抗干擾。⑤采用單片機(jī)控制，性?xún)r(jià)比高。⑥測(cè)量2 min 強(qiáng)制停止，0.7～255 次/min。

1.2 脈搏測(cè)量?jī)x硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，采用脈搏心率傳感器模塊。

脈搏心率傳感器模塊如圖2 所示。工作電壓：3.3 V/5 V DC；輸出信號(hào)類(lèi)型：模擬信號(hào)；輸出信號(hào)大?。?～3.3 V（3.3 V 電源）/0～5 V（5 V 電源）；電流大小：4 mA（5 V 下）；LED 峰值波長(zhǎng)：515 nm；電路板厚度：1.6 mm（普通PCB 板厚度）；電路板直徑：16 mm；端子S 輸出模擬信號(hào)波形；端子+、端子-接電源。

圖2 脈搏心率傳感器模塊

脈搏心率傳感器輸出模擬信號(hào)波形，如圖3所示。

圖3 模擬信號(hào)波形

1.3 放大濾波電路部分

人體脈搏信號(hào)頻率比較低，低于126 次/min，脈搏心率傳感器模塊輸出的信號(hào)含有噪聲，所以需要進(jìn)行濾波放大電路處理。

放大電路如圖4 所示，同時(shí)進(jìn)行一階有源低通濾波。按人體脈搏在運(yùn)動(dòng)后跳動(dòng)次數(shù)達(dá)240 次/min 的頻率，R1、C4 為低通濾波部分，其決定了截止頻率由R1、C4，放大倍數(shù)由R3 和R2 的比值決定。

圖4 放大濾波電路

根據(jù)一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)，可得：

截止頻率284.1 Hz 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體劇烈運(yùn)動(dòng)后脈搏的最大頻率240 Hz，設(shè)計(jì)值符合脈搏數(shù)測(cè)量范圍。

1.4 波形整形電路

單片機(jī)定時(shí)器對(duì)脈搏進(jìn)行計(jì)數(shù)，需要為下降沿觸發(fā)中斷，將圖3 波形進(jìn)行整形為矩形波。選擇常用的施密特觸發(fā)器，簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)。

（1）整形電路如圖5 所示。電路實(shí)質(zhì)是有兩級(jí)反相器，通過(guò)分壓電阻將輸出端的電壓反饋到輸入端，從而構(gòu)成施密特觸發(fā)器整形電路。

圖5 整形電路

電路中可以通過(guò)改變R9 和R0 的阻值大小來(lái)調(diào)節(jié)VT+、VT-的值。調(diào)節(jié)時(shí)要注意R9 的阻值必須小于R0的阻值，否則電路會(huì)進(jìn)入自鎖狀態(tài)而不能正常工作。

（2）波形整形電路輸入輸出波形信號(hào)如圖6 所示。

圖6 波形整形電路輸入輸出波形

1.5 顯示電路模塊

LCD1602 液晶顯示屏具有耗電小、簡(jiǎn)單方便、電壓通用性好等特點(diǎn)，因此采用LCD1602 液晶顯示模塊，顯示電路模塊如圖7 所示。

圖7 顯示電路模塊

1.6 脈搏測(cè)量?jī)x電氣原理

脈搏測(cè)量?jī)x電氣原理如圖8 所示。

圖8 脈搏測(cè)量?jī)x電氣原理圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序流程

單片機(jī)系統(tǒng)上電后，對(duì)單片機(jī)定時(shí)器及液晶顯示系統(tǒng)進(jìn)行初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)行工作狀態(tài)判斷、指尖握緊脈搏心率傳感器模塊準(zhǔn)備后，按鍵啟動(dòng)脈搏測(cè)量、定時(shí)、計(jì)數(shù)及顯示等工作。主程序流程如圖9 所示。

圖9 主程序流程圖

2.2 軟件程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的定時(shí)器0 主要是用來(lái)定時(shí)，定時(shí)器1主要用于脈搏計(jì)數(shù)。

2.2.1 定時(shí)器0 的程序流程

定時(shí)器T0 中斷服務(wù)程序以50 ms 計(jì)時(shí)，結(jié)合軟件計(jì)數(shù)確定30 s 到最大2 min 范圍的脈搏時(shí)間，具體時(shí)間由定時(shí)器T1 啟停同步控制。

定時(shí)器T0 的啟動(dòng)、停止均由定時(shí)器T1 脈搏計(jì)數(shù)測(cè)量時(shí)，對(duì)應(yīng)下降沿開(kāi)始與停止，實(shí)現(xiàn)同步控制。直到30 s 后的脈搏下降沿進(jìn)入中斷計(jì)數(shù)后停止全部T0、T1，之后計(jì)算測(cè)得脈搏數(shù)的時(shí)長(zhǎng)，換算為分鐘脈搏值用于顯示。如果時(shí)間超過(guò)2 min，強(qiáng)制停止全部T0、T1，脈搏刷新為0。流程如圖10 所示。

圖10 定時(shí)器0 中斷程序流程圖

2.2.2 定時(shí)器1 程序流程

定時(shí)器T0 的啟動(dòng)、停止均由定時(shí)器T1 脈搏計(jì)數(shù)測(cè)量時(shí)，對(duì)應(yīng)下降沿開(kāi)始與停止，實(shí)現(xiàn)同步控制。之后計(jì)算測(cè)得脈搏數(shù)的時(shí)長(zhǎng)，換算為分鐘脈搏值用于顯示。流程如圖10 所示。

定時(shí)器T1 中斷完成脈搏數(shù)的測(cè)量。指尖握緊脈搏心率傳感器模塊準(zhǔn)備好后，按鍵起動(dòng)定時(shí)器T1，T1 由下降沿觸發(fā)開(kāi)始計(jì)數(shù)。直到30 s 后的脈搏下降沿，后停止全部T0、T1。定時(shí)器1 的啟動(dòng)與停止同步控制定時(shí)器0 的時(shí)間測(cè)量。定時(shí)器1 其流程如圖11 所示。

圖11 定時(shí)器1 中斷流程圖

2.3 程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)主程序及中斷程序如下，其中省去了液晶顯示子程序部分。

2.4 實(shí)物展示

實(shí)物展示如圖12 所示。

圖12 實(shí)物圖

3 結(jié)論

本脈搏測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)是應(yīng)用STC89C51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的。脈搏信號(hào)由光電式傳感器采集，經(jīng)過(guò)信號(hào)的放大、濾波和整形處理得到脈沖信號(hào)，通過(guò)定時(shí)器T0、T1 對(duì)脈搏計(jì)數(shù)、測(cè)量時(shí)間的同步控制，對(duì)應(yīng)下降沿開(kāi)始計(jì)數(shù)與定時(shí)，直到30 s 后的脈搏下降沿中斷計(jì)數(shù)后停止全部T0、T1，之后計(jì)算測(cè)得脈搏數(shù)的時(shí)長(zhǎng)，換算為分鐘脈搏值用于顯示。如果時(shí)間超過(guò)2 min，強(qiáng)制停止全部T0、T1，脈搏刷新顯示為0。利用單片機(jī)自身的定時(shí)中斷、計(jì)數(shù)編程，實(shí)現(xiàn)了脈搏測(cè)量中計(jì)數(shù)與定時(shí)的同步控制，測(cè)量時(shí)間可控，精度高，采用常用單片機(jī)，性?xún)r(jià)比優(yōu)越，測(cè)量2 min 強(qiáng)制停止，脈搏范圍0.7～255 次/min，便捷可靠。