河南城建学院本科毕业设计（论文）
系统的总体设计方案
2 系统的总体设计方案
2.1 系统的总体设计
本设计的系统模块可以基本划分为：脉搏传感器部分、单片机处理电路部分、 显示电路部分和报警电路部分。
本设计所设计的基于单片机的便携式脉搏测量仪将利用脉搏检测传感器采集 脉搏信号，再对其进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目的， 再通过报警电路可实现报警功能。本设计结构硬件框图如图 2.1 所示。
图 2.1 系统结构框图
2.2 方案的对比和论证
基于单片机的便携式心率测试仪的设计。本设计以单片机为核心，由光电传 感器采集脉搏信号。经过前置放大电路、滤波电路、积分和比较电路后得到与脉 搏相关的脉冲信号。该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行脉长周期的计算。 然后得到每分钟的脉搏搏动次数（即心率），并在数码管上显示，并且在超出设定 的正常脉搏跳动范围时，驱动蜂鸣器报警。
2.2.1 脉搏检测传感器的选择
传感器又称为换能器、变换器等。脉搏传感器是脉搏检测系统中重要的组成
部分。 1、光电式传感器
血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍， 据此特点，采用光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号。反向偏压的光敏二极
4
河南城建学院本科毕业设计（论文）
系统的总体设计方案
管，它的反向电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性，在一定光强范围 内，光敏二极管的反向电流与光强呈线性关系。指端血管的容积和透光度随心搏 改变时，将使光电三极管极管收到不同的光强，并由此产生的光电流均随之作相 应变化。常用检测脉搏的光电传感器一般是红外对管。
红外对管将对管夹于手指端部，通过手指的血液浓度会随着心脏的跳动发生 变化，红外对管对应的信号便会发生相应的变化，采集此信号经过放大，滤波， 比较等处理便可以得到理想的信号。红外对管对脉搏的检测的基本原理：随着心 脏的搏动，人体组织半透明度随之改变。当血液送到人体组织时，组织的半透明 度减小；当血液流回心脏，组织的半透明度增大。这种现象在人体组织较薄的手 指尖、耳垂等部位最为明显。
光电式传感器具有灵敏度高，易于操作，响应速度快，结构简单等优点。虽 然外部光源的变化对测量结果的影响较大，但我们进行测量的地方一般都是在室 内，有稳定的光源，所以在正常的操作过程中只要稍微注意下光源的问题就可以
了。 2、压电式传感器
目前常用的是一次性心电电极，它是用印刷方法制得的 Ag/ Agcl 传感器。这种 传感器采用接扣与敏感区分离的方法，能明显的减少由于人体运动产生的干扰。 电极的好坏对采集到的心电信号质量起着至关重要的作用，采用的电极应有贴力 强，能紧附在人体表面，柔软、吸汗、极化电压低、导电性良好等特点。当选用 电极传感器时，需要 3 个电极分别置于左右手和左腿，构成标准导联。临床上为 了统一和便于比较所获得的脉搏信号，在检测脉搏信号时，对电极的位置，引线 与放大器的连接方式都有严格的统一规定。
目前市场上有一种采用新型高分子压电材料聚偏氟乙烯研制的压电传感器， 其灵敏度高,频带范围好，结构简单，便于使用。当手指前端受到轻微的压力时，
5
河南城建学院本科毕业设计（论文）
系统的总体设计方案
可以感觉到手指前端在血压的作用下有一张一弛的感觉，将这个信号用传感器提 取出来，转变为电信号，通过指脉的波形检测，就可以获得人体的脉搏信号。
压电式传感器有着结构简单，实时性好，工作频带宽，应用电路简单等诸多 优点，并且价格低廉。但压电式传感器直接与人体相接触，容易因为人体肌肉的 颤动等而产生干扰。而肌肉的颤动不是人能主动控制的，所以说这部分的误差很
难控制。并且使用压电式传感器测脉搏还容易受到外界其他信号的干扰。 3、集成传感器
当前，市面上有很多类型的集成心电传感器，其灵敏度高，集成度高，直接 就可以反映出心率的变化，且已包含了滤波等抗干扰电路，波形经过放大可以直 接处理使用。缺点是价格非常昂贵，一般均在五百元以上，就本次设计来说，考 虑到经费以及锻炼自己的目的，不选择使用该型传感器。
综合考虑种种情况，结合本系统的设计要求以及经费的考虑，本设计采用光 电式传感器。
2.2.2 单片机的选择
对于单片机型号，最熟悉的就是 C51 系列，其中包括 AT89C51，AT89C52 在 AT89C51 的基础上有些改进，但是听有经验的同学说以型号 AT 开头的的单片机在 烧写程序时不容易进行烧写，于是考虑采用以型号是以 STC 为开头的单片机，通 过查资料了解发现 STC89C52 在功能上与 AT89C52 相似，为此，本设计单片机采用
STC89C52 型号单片机。
2.2.3 显示部分的选择
根据题目要求，设计出来的系统是可以设定报警的范围的。在单片机的应用 系统中，为了便于人们观察和监视单片机的运行情况，常常需要用显示器显示运 行的中间结果、状态等信息，因此显示器也是不可缺少的外部设备之一。显示器 的种类很多，从液晶显示、发光二极管显示到 CRT 显示器，都可以与微机配接。 在单片机应用系统中常用的显示器主要有发光二极管数码显示器，简称 LED 显示 器。LED 显示器具有耗电省、成本低廉、配置简单灵活、安装方便、耐振动、寿 命长等优点。但与 LCD 相比显示内容有限，不能显示图形，因而其应用有局限性。 LED 数码管显示器是由发光的二极管显示字段组成的。在单片机应用系统中使用最 多的就是七段 LED 数码管，有共阴极和共阳极两种。七段 LED 数码管显示器有 8
6
河南城建学院本科毕业设计（论文）
系统的总体设计方案
个发光二极管，其中从 a~g 管脚输入显示代码，可显示不同的数字或字符，Dp 显 示小数点。共阴极 LED 数码管显示器的公共端为发光二极管阴极，通常接地，当 发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮。共阳极的 LED 数码管显示器的 公共端为发光二极管的阳极，通常接+5V 电源，当发光二极管的阴极为低电平时，
发光二极管点亮。
通过比较，我们可以发现 LED 动态显示更加适合本设计，所以就采用此方法。
2.3 系统各部分的最终方案
本章主要介绍了常见的用于脉搏检测的三种传感器，并对这三种感器的优缺 点进行了比较。本设计采用的单片机芯片的型号是 STC89C52，在本章主要介绍了 它的一些特点。最后，给出了最终的设计方案和硬件框图。
脉搏传感 器电路 数码管 显示电 路 STC89C52 震荡电路 复位电路 单片机处 理电路 蜂鸣器 报警电 路 图 2.3 设计框图
7