论文总字数：23193字

目 录

1 引言 1

1.1 研究意义 1

1.2 研究历史及现状 2

1.3 本文工作安排 3

2 设计方案论证 3

2.1 本设计目的 3

2.2 本设计的技术方案 4

2.2.1信号拾取模块设计 4

2.2.2 单片机主控芯片的选择 5

2.2.3 滤波电路设计 5

2.2.4 放大器设计 6

2.2.5 模数转换器的选择 6

2.2.6 GSM短信发送模块 6

2.2.7 供电方案 7

2.3 本设计所带来的有益的优点和效果 7

3 系统硬件设计与实现 7

3.1 心率监测装置的设计原理 7

3.2 主要单元电路设计 8

3.2.1 电源电路 8

3.2.2 单片机最小系统 9

3.2.3 信号采集电路设计 10

3.2.4 滤波放大电路的设计 11

3.2.5 GSM模块电路 12

3.2.6 AD模块电路 13

3.3 系统可能出现的问题 14

3.3.1 环境光影响 14

3.3.2 电磁干扰影响 14

3.3.3 运动噪声干扰 14

4 程序设计 15

4.1 基于光电容积原理心率检测装置的主程序设计 15

4.1.1 脉搏波信号提取心率处理方案 15

4.1.2 心率值计算方法 16

4.2 子程序设计 17

4.2.1 GSM模块的程序设计 17

4.2.2 AD模块的程序设计 19

5 系统调试 20

5.1 软件调试 20

5.1.1 .ad精度设置 20

5.1.2 中断优先级问题 20

5.1.3 心率数据发送 21

5.1.4串口数据发送正确的时候无法发送短信 21

5.2 硬件调试 21

5.2.1 信号采集处理电路 21

5.2.2 GSM短信发送模块 21

6 结论 21

参考文献 22

致谢 24

基于光电容积原理的简易心率测量装置

陆鑫鑫

, China

Abstract: At present, the popular fitness campaign is popular, the demand for heart rate monitoring is increasing, and the professional heart rate monitoring device has the problems of high demand, large volume and low universality. This design is based on this contradiction. The This design is mainly based on the principle of photoelectric volume design of the corresponding signal acquisition system, and then through the signal processing will be able to handle the signal input to the microcontroller, through the corresponding algorithm to get the final heart rate value and display, and finally through the GSM SMS transmission module for SMS sent. The use of photoelectric volume principle of pulse wave signal extraction, different from the traditional ECG signal extraction, can be painless and non-invasive at the same time small size, the user is more practical. Through the SMS sending module will be real-time heart rate data sent out, but also more conducive to the transmission of information and data preservation, improve the practicality of the heart rate measurement device. The design uses high-performance, low-power STC12C5A60S microcontroller as the core module of the heart rate calculation, combined with the green LED light-emitting diodes and photoreceptors as a pulse wave signal acquisition device to SIM900A chip as the core of the GSM SMS transmission module, AD conversion module, signal processing circuit and other modules designed a simple heart rate measurement device.

Key words: heart rate measurement; photoelectric volume principle; 51 MCU; GSM

1 引言

1.1 研究意义

经李克强总理签批,国务院去年印发了《全民健身计划(2016—2020年)》。就今后一个时期深化体育改革、发展群众体育、倡导全民健身新时尚、推进健康中国建设作部署。全民健康是国家综合实力的重要体现,是经济社会发展进步的重要标志。全民健身是实现全民健康的重要途径和手段,是全体人民强壮体格、幸福生活的基础保障。全民健身计划也已经成为国家发展的重要战略。全民健身的理念也越发普及，人们对于自己的健康状况有了更多的关注，全民健身的理念也越发普及。在众多的运动项目中，跑步，球类运动，自行车运动之类，因为没有太高的门槛要求，更受人们的欢迎。人们习惯性地认为运动是好事，可以让身体更健康，却很少去了解自己的身体，对有没有慢性疾病或者先天疾病，身体能承受多大强度的运动几乎一无所知^[1]。

运动猝死主要有心源性猝死和脑源性猝死。心源性猝死当中最为常见的猝死病因依次为先天性心脏病、心肌炎和心力衰竭。运动猝死虽然没有运动损伤那样高的发生频率，但是它发生的突然性和后果的严重性要远超过运动性损伤^[2]。

大量的研究结果以及实际数据表明，心源性猝死导致的伤亡事故，在运动猝死占据了首要位置，其次才是脑源性导致的猝死。对我国2004年到2016年马拉松赛选手猝死事件进行回顾性调查，收集马拉松猝死事件18例并对其进行分析。结果显示：猝死者年龄偏低，平均年龄为30.4±12.36，其中以20-29这一年龄段居多；猝死者职业分布较广，以男性为主；参加半程马拉松选手发生猝死较多，且多数选手无参赛和长跑经历；马拉松选手猝死多发生在冲刺时段和终点后；猝死原因主要由心脏疾病引起的心源性猝死；影响选手运动猝死的因素有：运动负荷、天气、自身疾病或遗传因素、心理应激^[3]。

另一方面，在运动时，通过实时的心率情况来获取心血管系统状态是首要的选择。心率同时也能反应出人们的心脏负荷情况。心率的频率、深浅、强度及其它特征，可作为了解体质强弱和运动强度、身体训练水平，还可以反映心脏和血管本身的功能水平^[4]。

目前市面上，有大量针对心脑血管疾病方面的检测仪器。但是其中绝大部分并不是针对家庭日常使用而开发的。故而，人们对于简单便携，方便日常使用的心率检测仪器有着不小的需求。

光电传感器是一种应用广泛发展较为成熟的传感器,其应用了光电效应原理。光电效应包括外部和内部光电效应光。外部光电效应指的是表面电子的某些对象的光照射发生逃逸的现象，也称为电光效应以外光电子效应。基于在光电元件上具有光电管，光电倍增管等光学效应的外部光电效应是指光对下一个对象造成影响时，原子的内部电子被释放，但这些电子不会发生表面的逃逸现象 ，而是仍保持在所述主体的内部，从而使所述被摄体的变化的电阻率或产生电动势^[5]。

本次研究的目的是完成实时心率的简易测量并显示出来。应用光电传感器作为信号采集模块的主要元件，利用单片机系统对信号进行处理，有成本较低，开发环境较为成熟的优势。本设计在经过后期优化后，可以成为低成本且便携的心率测量工具，如果外观经过重新设计可以作为可穿戴式心率测量装置。可以让人们在第一时间得知自己的心率状况，在运动中使用，对降低运动猝死有所帮助，也可以帮助人们在锻炼时及时的调整运动强度以达到更好的训练效果，具有较大的实用意义。

1.2 研究历史及现状

心脏常常被称为人体的发动机，它在一收一张之间对人体产生了数不清的或是直接或是微妙的影响。因此古今中外对它的研究从来没有断过。中医中自古就有“望闻问切”，而最后一步“切”指的就是把脉，也就是去了解脉搏情况，更进一步的说，就是对心率的一种测量。经过千年的发展，中医对把脉这项工作已经有了繁多的理论与经验。时至今日，中医在问诊的过程中，依然把这一步放在举足轻重的位置。而且这一过程，对病人来说也是无创无痛的。但是在诊脉的过程中，医生自身的主观因素对诊断结果是有很大的影响的。而且由于需要人为操作，把脉并不适用于长期的脉搏心率监测。不得不承认，中医诊脉是存在一定局限性的。

而在现代医学中，对于心率的研究也是从未停止过的。为了满足动态测量的要求，主要有心阻抗图法以及脉搏波描记法，而脉搏波的测量方法有大致分为压感测量和光电容积测量。传统的心阻抗图测量方法是通过心电信号测量心率，这需要在被测者身上接上三个电极片。这种方法虽然在准确性上有了保证，也可以做到长期的监测，但也存在很多弊端。比如操作复杂，电极片粘贴的位置有要求，粘的不牢可能也会影响结果，这都需要专业的医护人员来操作。另一方面，这种测量方法对病人来说也很不方便，要在身体上附加额外的装置，给人带来不适感。除此之外体积笨重的设备也并不适合家用。因此无痛无创的便携式心率监测设备逐渐步入人们的视野当中。

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