基于单片机和传感器实现数字人体心率检测仪的应用方案

作者：范红刚， 冯成， 胡建国

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信号，外辅少量硬件电路，完成数据处理、记忆、显示、通信等功能。

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/min或小于45次/min）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。

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面垫以传递脉冲信号）；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0.66Hz-3.33Hz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标准的0-5V脉冲信号。

2.2 键盘电路

键盘电路如图3所示。

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P1.3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。

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。

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，外围电路丰富简单，只需要5个0.1μF的电容器，具体电路如图6所示。

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1Hz，R5为下拉电阻，常态下使Uc=0V。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，B0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1KHz，仅当B0=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。

3 软件的设计

系统主程序流程图如图8所示。

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。