河北工程大学科信学院毕业设计说明书
变化情况的仪器更是屈指可数。
1.3课题的主要问题和研究方法
1.3.1设计要求
当前的医用电气设备已经不仅仅是纯粹的电子测量设备硬件系统，而应该是以电子电气技术、计算机控制技术、数字电路电子技术为基础的人体参数分析与检测系统，本课题把人体参数的测量和生理数据处理系统合二为一。以单片机控制器为基础的心率测试仪的研发，通过传感器得到脉搏的震动，获得信号，传入放大器后使信号放大；然后进入滤波器去掉干扰数据之后，将其转换为脉冲信号和方波信号；最后通过倍频器加强信号的频率，计算得出计数器的读数，运用定时器的读数，可以得出60秒内脉搏震动次数，即为人的心率值。计数器得到计数值存储到显示器中显示出来。
本设计所研制的心率计就属于一种集易控制、易携带、易操作、可直接观察等优点在一身的测量设备。 1.3.2 设计内容
简易数字心率计的主要控制处理模块是AT89S51单片机，传感器模块选取红外线传感器，采取硬件和软件的双重滤波功能来确保人体心率信号测量结果的准确性，最终以数值形式显示在LCD上。
本课题开发一款低功耗、便携式数字心率计，具体要求如下： (1)实时显示被测者心率值，编号；
(2)键盘的切换控制，实现数据的测试、存储、查询等功能； (3)小于40次或大于120次声光报警； (4)掉电存储，实现数据的存储；
(5)测量范围40~120次/分，测量误差小于2次/分。
2
河北工程大学科信学院毕业设计说明书
第2章 数字心率计总体方案设计
2.1 数字心率计方案设计思路
心率计目前主要有压电式心率计和红外感应心率计两种，两种心率计在使用过程中各有优缺点，在做设计之前，通过查找相关文献了解到，红外感应在日常使用上更加易于操作便于使用，因此本设计选择了红外感应心率计的思路。电路容易实现，各部分造价较低，满足精度要求。
数字心率计的研发，原理是利用仪器收集到人体发出的生物信号，然后把生物信号转换成物理信号，使得这些得到的物理信号能够表达人体的心率情况，最后要得出每分钟的心跳频率，则要借助于其他的一些电子电路和单片机电路来处理信号的数据以及对心跳数据进行存储。随着心跳的震动，人的内脏系统半透明度也随之发生变化。每到血液流进身体各部位时，内脏系统的半透明度降低;每到血液重新进入心脏时，内脏系统的半透明度升高。这种生理情况在人体组织相对比较弱的手指前端、耳垂等部位比较容易观察。所以，此次方案预计将心率器的红外线发光二极管发出的红外线应用在身体的耳垂或手指的位置，然后通过放置与此位置的对面一侧或放置在旁边的红外线光电管用于检查生理器官的通透情况，之后将物理量变化为电信号。因为这个信号的频率和人体单位时间内的脉搏情况成正比，故只要把它变化为脉冲信号然后将其整形、存储数值并显示出来，就能实现实时测量脉搏情况的要求。心率计在将心跳脉冲传递于计数器之前，运用了100倍频的数据运算处理，形成了方框图。如果心脏每60秒跳动n次，频率就是n/60Hz，经过100倍频的数据处理,此时，仅需要把计数器的闸门设置成0.6秒，那么就可以把人的心率显示出来。假设n=76，100倍频之后的频率是127HZ，则进入的脉冲就是127×0.6=76，结果与人的真实心率情况恰恰相符。为了确保能够让各模块发挥应有的功能，对每一个模块都做出了具体的设计方案并进行了可行性分析。
2.2心率计的结构组成和框图
2.2.1心率计的结构组成
本设计采用单片机AT89S51作为控制核心，确保心率监测模块基本的测量功能。当指尖放在红外线发射二极管和作为接收的三极管中间，当心脏不断震动时，血管里血液
3
河北工程大学科信学院毕业设计说明书
的体积也随之发生改变。由于将手指处于传感器件的传递路径内，血管里人体血液的饱和度的改变，必然带来光的强弱跟着发生变化，所以正好可以反映出心跳的频率，变化的还有红外接收三极管的电流值，于是红外接收三极管便可以把脉冲信号输出。此信号利用放大、滤波、整形之后开始输出，MCU外部的中断信号来源即为输出的脉冲信号。MCU控制模块会把进入的脉冲信号经过计算和处理之后把结果运输进数码管显示。
红外感应式心率监测系统是通过红外传感器当成感应器件，将收集得到的用于检测心脏跳动的红外信号变化为电信号，再通过电子仪表进行测量和显示的装置。本课题的组成主要含有光电传感电路单元、单片机控制单元、信号采集处理单元、LCD显示单元等部分。光电式传感器的工作原理是是把光信号变化为电信号，利用接收三极管和红外发射二极管组成，可以把获得到的红外光按一定的函数关系(一般情况下是线性的关系)变化为便于测量的物理量(如频率、电流或电压等)输出。信号采集处理模块的任务是把光电传感器获得到的低频信号数据的模拟电路(包括整形、滤波等)进行数据处理。单片机控制模块通过单片机特有的定时中断计数功能对得到的脉冲电平进行处理，即可获知心率(包含AT89S51、外部中断、外部晶振等)。电源电路部分为传感器单元、信号采集处理单元和MCU控制单元提供电源，通常是5V-9V的交流或直流的稳压电源。 2.2.2心率计的结构框图
据以上分析可以得出，本课题包含单片机AT89S51处理单元、脉搏传感器单元、LCD显示单元和其他外围元件构成。系统的基本框图结构如图2-1所示：
脉搏传感器 振荡电路
复位电路 图2-1 系统结构图
LCD显示电路 单片机 蜂鸣报警器电路 2.3本章小结
根据本课题的设计需求， 设计总共可以分解成：单片机控制处理电路、脉搏传感器电路和显示电路共三大部分。
4
河北工程大学科信学院毕业设计说明书
第3章 心率计的硬件设计
3.1 AT89S51单片机
3.1.1 AT89S51单片机简介
到目前为止，51系列单片机可以兼容所有Intel 8031指令系统。51系列单片机最开始是Intel的8031单片机，后来随着科技的发展Flash rom技术在飞快的发展，8031单片机在经历了长时间飞快的发展长，现如今8031单片机已经成为全世界都在使用的8位单片机之一，51单片机最出名的型号就要数AT89系列了。这种型号的单片机在工业测控系统中运用的十分广泛。现如今很多公司都推出51系列的机型，这种机型会在今后很长的一段时间内在市场上广泛流通。51单片机是我们学生和初学者最容易入门的单片机，恰好也是最流通的一种。唯一的缺点就是51系列的单片机般不能自动编程，这就需要我们学好编程，熟练驾驭51系列单片机，使我的设计更加轻松。
AT89S5l单片机是美国Atmel研发公司制造的具有耗损低，功能强大的Cmos 八位单片机控制器，芯片里包括4K Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，此单片机选取高密度、高可靠性存储技术设计，与MCS -51指令系统和AT80C5l单片机的管脚构造完美兼容，元件里汇聚了常见的八位中央处理器还有ISP FLASH存储单元，性能出色的迷你计算机AT89S5l可以给大量嵌入式控制操作电路得到省时省力的设计思路。
AT89S5l类型单片机控制器是由宏晶电子公司研发的尖端器件，具有性能强、耗能少、抗干扰能力高的单片机，编写程序和原来的其他805l系列MCU兼容性能突出。 3.1.2 AT89S51单片机的特点
主要特点为： （1）CPU为8位；
（2）片内带振荡器，频率范围为1.2~12MHz； （3）片内带128字节的数据存储器；（RAM） （4）片内带4KB的Flash程序存储器；（ROM） （5）程序存储器的寻址空间为64KB；（需要扩展ROM） （6）片外数据存储器的寻址空间为64KB；（需要扩展RAM） （7）128位（16字节）用户位寻址空间；（在128个字节中）
5
河北工程大学科信学院毕业设计说明书
（8）具有18个字节的特殊功能寄存器sfr（Mcs-52系列的单片机具有21个）； （9）4个8位的并行I/O接口：P0、P1、P2、P3；
（10）2个16位定时器/计数器T0、T1；（MCS-52子系列为3个，T2） （11）2个优先级别的5个中断源；（高、低2个） （12）1个全双工的串行I/O接口，可多机通信； （13）片内采用单总线结构； （14）有较强的位处理能力； 3.1.3 AT89S51的结构
此次设计所使用的AT89S51 的封装形式是DIP40。如图3-1 所示。
图3-1 AT89S51的封装形式
引脚功能： 89C51有40个引脚
引脚按其功能可分为如下3类：
（1）源及时钟引脚—－VCC、VSS；XTAL1、XTAL2； （2）控制引脚—-RST/VPD、ALE/PROG、PSEN、和EA/VPP； （3）I/O口引脚——P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口。
6