数字人体心率检测仪的设计[1]

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 数字人体心率检测仪的设计 范红刚 1 ,冯 　成 2 ,胡建国 2 ,张莉娟 1 (1. 黑龙江科技学院电气与信息工程学院 ,黑龙江省哈尔滨市 150027; 2. 山东莱芜特殊钢厂 ,山东省莱芜市 271100) 摘　要 :介绍了以 AT89C51为控制核心的数字人体心率检测仪的系统组成及工作原理 ,给出了系 统软硬件设计方法。实验结果明 ,该检测仪能够精确完成实时测量及 1 m in定时测量两种测量方 式 ,同时具有实时显示、报警、掉电存储、测量数据上传 PC机等功能。实际应用结果表明 ,该检测仪具 有使用方便、测量准确、成本低等优点 ,有广阔的应用前景。 关键词 :心率 ;检测仪 ;压电陶瓷 ;通信 中图分类号 : TN99 收稿日期 : 2005210225; 修回日期 : 2006203202。 0　引 　言 目前检测心率的仪器虽然很多 ,但是能实现精确 测量、数据上传 PC机并且具有声光报警等多种功能 的便携式全数字心率测量装置很少。本文介绍的数字 人体心率检测仪可以在人体的手、腕、臂等部位均能准 确测量出心跳次数 ,同时还具有掉电存储、测量数据上 传 PC机及声光报警等多项功能。 1　系统组成及工作原理 系统组成如图 1 所示。本设计以单片机为主控 芯片 ,外辅少量硬件电路 ,完成数据处理、记忆、显示、 通信等功能。 图 1　数字人体心率检测仪原理框图 　 首先 ,在系统开机时通过键盘设定系统的工作方 式 ;然后 ,将压电陶瓷片检测到的人体心跳信号经过放 大、滤波及整形处理后输入给单片机 ,单片机对测量的 数据进行处理 ,送显示电路显示 ,同时通过通信电路将 测量数据上传 PC机 ;记忆电路主要用来存储测量数 据 ,实现掉电存储功能 ;声光报警电路在测量数据超过 正常范围 (如大于 180次 /m in或小于 45次 /m in)时进 行报警以提醒医生注意。 2　系统硬件电路设计 2. 1　传感器及信号处理电路 传感器及信号处理电路如图 2所示。 图 2　传感器及信号处理电路 　 检测心率脉冲信号的传感器采用压电陶瓷 (在压 电陶瓷片上安装一海绵垫以传递脉冲信号 ) ;将采集 到的心率信号经过由 CD4069的 3个非门组成 3级放 大电路进行放大 ,然后通过由 R4、R5、C5及 R7、R8、 C6构成的 2级梯形滤波电路进行滤波处理 ,即可获得 人体心率范围的信号 (约在 0. 66 Hz～3. 33 Hz之间 ) ; 再通过由二极管 D1、D2和 R6构成的检测电路以及由 U1F、U1D、U1E这 3个非门构成的整形电路处理后 , 就可得到单片机所需要的的 0～5 V脉冲信号。 2. 2　键盘电路 键盘电路如图 3所示。 图 3　键盘电路 　 ·77· 第 32卷第 7期 2006年 7月 　　　　　　　　　　　　　　 电 子 工 程 师 　ELECTRON IC ENGINEER　　　　　　　　　 　　　　　　　 Vol. 32 No. 7 　Jul. 2006 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　　因为 I/O口够用 ,所以 4个按键分别接到单片机 的 P1. 2、P1. 3、P1. 4、P1. 5上 ,采用查询方式进行工 作。K1、K2、K3及 K4依次分别完成开始测量、查询、 存测量结果及清除记忆数据等操作。 2. 3　显示电路 显示电路如图 4所示。采用动态显示方式 ,图中 2片 74LS373的数据输入端均接在 89C51单片机的 P0 口上 ,单片机通过 P1. 0和 P1. 1给 2片 74LS373提供 片选信号 ,从而实现分时选择 2片 74LS373工作 ,分别 传送段码和位码。图中 6个数码管 ,前 3个用来显示 被测人的序号 ,后 3 个用来显示每分钟心跳次数 ; ULN2803是 8反相驱动器 ,作为位增强驱动器。 图 4　显示电路 　 2. 4　记忆存储电路 记忆存储电路见图 5。存储芯片采用 AT24C02。 SDA为串行数据输入 /输出引脚 ; SCL为串行同步时钟 输入端 ; A0、A1及 A2是片选信号输入端 ; TEST引脚 是写保护 ,接地时表示不保护 ,测量完心率数据后想要 保存时就按一下存储按键 K3,单片机就通过 P2. 1给 AT24C02提供合适的时钟 ,然后将数据存入指定地 址。当然 ,控制字、地址和数据是分 3次输入的 ,并且 在每段之间要求 AT24C02提供给单片机一个应答信 号。此外 ,在读写数据前后要加开始和停止位。 图 5　记忆存储电路 　 2. 5　通信电路 通信电路的功能是将单片机测量的心率数据上传 PC机。本电路采用一片 MAX232芯片将 TTL电平转 换成 PC机所能识别的电平 ,再通过一个标准的 9针 接口与 PC机连接。外围电路非常简单 ,只需要 5个 0. 1μF的电容器 ,具体电路如图 6所示。 图 6　通信电路 　 2. 6　声光报警电路 声光报警电路见图 7。由与非门 74F00构成 2级 门控振荡器。其中 , U6A和 U6B组成低频振荡器 ,振 荡频率约 1 Hz, R5为下拉电阻 ,常态下使 UC = 0 V。 仅当测量数据在报警范围内时由单片机的 P1. 6提供 一个高电平电路才起振 , B 0 端交替输出的高、低电平 经 Q1,使发光二极管闪烁发光 ; U6C和 U6D组成音频 振荡器 ,振荡频率约 1 kHz。仅当 BO = 1时第 2级振 荡器才起振 ,通过达林顿管 Q2、输出变压器 T驱动扬 声器 BL发出断续的“嘀、嘀 ⋯⋯”报警声。 图 7　声光报警电路 　 3　软件的设计 系统主程序流程图如图 8所示。 图 8　系统程序流程 　 ·87· ·电子技术应用 · 电 子 工 程 师 2006年 7月 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 主要有显示驱动程序、按键处理程序、INT0中断 服务程序、AT24C02驱动存储程序、串口通信程序等。 4　结束语 通过实际设计制作 ,并与市场现有心率检测仪相 对比 ,结果表明本设计具有体积小、重量轻、成本低、使 用方便、测量准确等优点 ,有较好的应用前景。 参 　考 　文 　献 [ 1 ] PONTM J. 使用 8051系列微控制器开发可靠应用 [M ]. 北京 :中国电力出版社 , 2004. [ 2 ] 龚建伟 ,熊光明. V isual C++ /Turbo C串口通信编程实践 [M ]. 北京 :电子工业出版社 , 2004. [ 3 ] 陈尔绍. 传感器实用装置制作集锦 [M ]. 北京 :人民邮电 出版社 , 1999. The Design of D ig ita l Heart2rate M easur ing Instrument FAN Honggang1 , FENG Cheng2 , HU J ianguo2 , ZHANG L ijuan1 (1. Heilongjiang Institute of Science and Technology, Haerbin 150027, China; 2. Shandong Laiwu Special Steel Factory, Laiwu 271100, China) Abstract: In this paper, the system composition and working p rincip le of the digital heart rate measuring instrument based on AT89C51 are introduced, and the design method of software and hardware are p resented. Experimental results show that this instrument can accurately carry out two kinds of measurement: real2time measurement and one m inute tim ing measurement. A t the same time, it has such functions as real2time dis2 p lay, alarm, power fail storage, measured data transfer to PC and so on. Actual app lication results show that this instrument has the advantages of conveniences, accurate measurement, low cost and so on. It will have wide app lication. Keywords: heart rate; measuring instrument; p iezoelectric ceram ic; communication (上接第 54页 ) 参 　考 　文 　献 [ 1 ] FAYYAD U M , P IATECSKY2SHAP IRO G, SMYTH P. Ad2 vances in knowledge discovery and data m ining [M ]. Menlo Park, CA, USA: AAA I/M IT Press, 1996. [ 2 ] 史忠植. 知识发现 [M ]. 北京 :清华大学出版社 , 2002. [ 3 ] 王艳. 数据挖掘中关联规则的探讨 [ J ]. 成都信息学院学 报 , 2004, 19 (2) : 1722176. [ 4 ] 戴稳胜 ,匡宏波 ,谢邦昌. 数据挖掘中的关联规则 [ J ]. 统 计研究 , 2002 (8) : 40242. [ 5 ] L I G, HAM ILTON H J. Basic association rules [ C ] / /Pro2ceedings 2004 SIAM International Conference on Data M ining( SDM ’04 ) , Ap r 22224, 2004, Lake Buena V ista, FL,USA. 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