基于单片机的人体脉搏测量系统设计

摘要：为了满足根据人体健康监测的需要，本文设计一套以STC89C51RC单片机为控制核心的脉搏测量仪。系统采用光电传感器采集人体脉搏信息，经输入通道处转换成同频率的脉冲信号送往单片机，利用单片机内部的定时/计数功能对采集的脉搏进行核心处理，在短时间内，测出人体的脉搏数，并将按照指令将心率进行显示或者通过无线模块进行传输，采用GSM SIM900A通信模块发送到监控人员的移动设备。系统具有功耗低、体积小、测量准确等特点。

关键词：STC89C51RC单片机 脉搏 无线通信 监控

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）12-0168-02

随着科学技术的飞速发展，带动了各行业的进步，生命科学与信息科学技术的紧密相连，为人类的健康监测提供了更便利的条件。脉搏值是人体健康的一个重要参数，它承载着丰富的人体健康状况信息，脉诊是中医学中最具特色的诊断方法，早在中国古代就已经出现了通过判断脉搏的跳动来诊断患者病情的先例。结合实践，为了让医生或其他监测人员能够实时的掌握患者的脉搏信息，了解患者心率状况，及时探测到病因、病位，使患者得到及时的救治，设计一套便于携带、测量精准并能快速上传给监测人员的人体脉搏监测系统具有一定的临床意义。

1 系统总体结构

脉搏测量仪是通过采集人体脉搏的变化而引起的一些生物信号，然后将信号的生物信号转换为物理信号，用这些变化的物理信号来表达人体的脉搏变化，最后要得到每分钟的脉搏次数，就需要通过相应的硬件电路和芯片来处理物理变化并存储脉搏数。本系统主要由光电传感器、信号处理电路、单片机处理单元、显示单元、SIM900A无线通信模块、报警电路、按键控制电路和手机终端组成。人体脉搏测量仪的系统结构框图如图1所示。

系统采用单片机STC89C51RC作为核心部件，通过其内部定时/计数器对脉搏进行计算，转换成心率进行显示，通过通信模块上传到移动设备，实现人体心率监控。

光电传感器采集人体脉搏信号，经过程通道放大、变换处理，传送至单片机，单片机将脉搏信号进行实时处理之后，通过SIM900A无线通信模块将所采集到的脉搏信息传送至监测人员的移动设备上，从而使监测人员可以非常及时、准确的掌握测试者的脉搏的基本信息，给出相应的治疗方案。

2 硬件设计

2.1 脉搏信号采集电路设计

本系统中脉搏信号采集使用喂馐反射式红外光电传感器ST188，ST188采用高发射功率红外发光二极管和高灵敏度双光电晶体管，是一种非接触式测量方式元件。其检测距离在4～13mm范围内可调，在红外检测方面应用非常广泛。具有体积小、价格低、使用方便、质量可靠的优点。ST188内含一个反射模块和一个接收模块共A、K、C、E四个引脚。通过发射红外信号，由接收到的信号变化情况判断检测物体状态的变化。A、K之间是发光二极管，C、E之间是光敏三极管。该传感器使用+5V电源供电，光源和光敏原件被至于被测指尖的下方，接收的是漫反射回来的光，此信号可以精确地测得血管内容积变化。ST188光电传感器的发光二极管发射出光线，光敏三极管对血压变化所引起的通光率变化做出相应，从而采集到脉搏信号并将所采集到的脉搏信号输出。脉搏信号采集电路如图2所示。

2.2 信号的调理及转换

光电传感器采集的脉搏信号比较微弱，通常只有几个毫伏，并伴随很大的噪声干扰，不能直接进入单片机，需要经过信号处理环节调理成单片机识别和易于接受的信号。信号调理单元可以实现脉搏信号放大、滤波及信号模式的转换。

本设计中滤波电路由高通滤波和二阶低通滤波两部分组成，主要滤去市电干扰及肌电干扰。人体脉搏信号为0.5～25HZ，正常人的脉搏信号在1.33HZ左右，低通滤波截至频率设定为25HZ；为了过滤患者呼吸引起的基线漂移信号，高通滤波下限截至频率设定为0.5HZ左右；选用低漂移、高输入阻抗运放LM358对脉搏信号放大。

经过滤波电路处理的信号经放大后送至比较器，由于滞回比较器相对于单限比较器具有一定的抗干扰能力，所以选用滞回比较器。采用LM358作为比较器，将采集到的模拟信号变为同频率的方波或矩形波。比较器的原理是当放大后的电压大于基准电压时输出低电平，否则输出高电平，这样就会产生一个直流方波信号并传送到单片机。单片机进行计数后将之转换为一分钟的脉搏数，之后进行显示。

2.3 SIM900A无线通信模块

为了能及时有效掌握患者心率状况，本测量仪采用了SIM900A无线通信模块，该模块具有语音通话、短信收发、GPRS网络数据收发、彩信收发功能。 SIM900A采用SMT封装的双频GSM/GPRS模块解决方案，采用功能强大的处理器ARM9216EJ-S内核，能满足低成本、紧凑尺寸的开发要求。当单片机处理完脉搏采集电路采集到的脉搏信号后，如果测量结果超过系统设定的结果，单片机就会开启SIM900A无线通信模块，将使用者的脉搏信息传送至监测人员的移动设备上。由于本次设计采用的是GSM无线传输，所以受距离影响较小，只要有GSM无线通讯网络即可实现传输功能。使用时上电接地后，只需将SIM900A无线通信模块的TXD、RXD分别连接单片机的P3.1、P3.0口即可。

3 软件设计

软件程序包括主程序和子程序。主程序是整个单片机系统的灵魂。系统上电复位后，启动主程序，系统按照预定的方式进行运行，单片机会自动对系统各个模块进行初始化，按照功能要求，开中断、调用功能子程序，计算心率，送到LED显示，或上传给监测人员。脉搏采集电路进行脉搏数据得采集，当脉搏数据采集成功后传送至单片机，单片机处理成功后会按照指令将采集到的数据进行显示或者通过无线模块进行传输，主程序流程如图3所示。

脉搏采集子程序完成脉搏信号的采集、处理。当执行脉搏采集子程序时，系统通过ST188光电传感器进行脉搏的数据采集，当数据采集成功之后，采集到的脉搏信号经过滤波、放大、比较等一系列处理后将所采集到的信号发送至单片机，单片机将收到的脉搏数据进行处理后发送至显示模块及通信模块。

4 结语

本文设计了一款基于STC89C51RC的便携式脉搏测量系统，该系统可实现人体的脉搏参数的快速测量，并可以实现异常报警。本系统具有小巧、便携等特点，误差范围±2次/分钟左右，完全可以满足个人或医院等场所的日常使用，具有一定的应用价值。

参考文献

[1]李新雨.基于单片机设计的脉搏测量仪[J].电子技术，2011，38（8）：48-50.

[2]刘朝青，刘艳玲.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.7.

[3]王庆友.光电传感器应用技术[M].北京：机械出版社，2014，4.

[4]李新雨.基于单片机设计的脉搏测量仪[J].电子技术，2011，38（8）：48-50.