论文总字数：27709字

摘 要

心率作为一项可以反映出许多人体重要生理特征的数据，在医疗保健领域有广泛的应用需求。本课题研究设计了一种基于嵌入式平台的心率计，并且可以通过移动应用程序显示测量结果。

通过分析课题设计要求，对比嵌入式平台，选择Arduino为主控平台，使用微型贴片式光传感器APDS-9008与绿光LED利用绿光光电测量法采集信号。传感器获取信号之后，通过低通滤波器过滤，接着再由运算放大器放大信号后送入Arduino处理，最后通过蓝牙把测量结果传输到移动应用程序中。

Arduino接收到有效的心跳信号后，开始记录数据，持续统计10次最新的心跳间隔之和，获取心跳间隔的平均数后即可获取心率。结果显示，本课题设计的心率计可以有效的测量并显示心率，满足课题要求。

关键词：心率计，心率，Arduino

Abstract

Heart rate, as a data that can reflect many important physiological characteristics of the human body, has a wide range of applications in the healthcare field. This project researches and designs a heart rate meter based on an embedded platform and can display measurement results through a mobile application.

By analyzing the design requirements of the project and comparing the embedded platforms, the Arduino was selected as the main control platform, and the Miniature Surface-Mount Ambient Light Photo Sensor APDS-9008 and the green LED were used to acquire signals using the green light photoelectric measurement method. After the sensor acquires the signal, it is filtered by a low-pass filter, and then amplified by the operational amplifier and sent to the Arduino for processing. Finally, the measurement result is transmitted to the mobile application via Bluetooth.

After Arduino receives a valid heartbeat signal, it begins to record data, continuously counts the sum of the latest 10 heartbeat intervals, and obtains the average heartbeat interval to obtain the heart rate. The results show that the heart rate meter designed in this project can effectively measure and display the heart rate and meet the requirements of the subject.

KEY WORDS: heart rate meter, heart rate, Arduino

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 心率采集技术发展现状 2

1.2.2 心率计产品发展现状 3

1.3 研究内容 3

1.4 结构安排 3

第二章 系统硬件设计与分析 5

2.1 心率计硬件设计整体结构 5

2.2 心率模拟信号采集模块 5

2.2.1 AM2520绿光LED 6

2.2.2 APDS-9008光传感器 6

2.2.3 MCP6001/2/4系列运算放大器 6

2.2.4 心率模拟信号采集电路 6

2.3 蓝牙模块 7

2.4 嵌入式平台Arduino MEGA 2560 8

2.4.1 MEGA 2560的特点 8

2.4.2 MEGA 2560引脚连接 10

第三章 系统软件设计与分析 11

3.1 软件开发环境简介 11

3.1.1 Arduino软件开发环境 11

3.1.2 Android应用开发环境 11

3.2 Arduino程序部分 11

3.2.1 主要变量设置与声明 11

3.2.2 LED模拟心跳与心率计算 12

3.2.3 蓝牙传输 14

3.3 Android应用程序 14

第四章 系统测试与问题分析 15

4.1 系统测试 15

4.1.1 实物图 15

4.1.2 LED模拟心跳 15

4.1.3 Arduino IDE程序内数据测试 16

4.1.4 心率显示测试 17

4.2 问题分析 17

第五章 总结与展望 18

5.1 总结 18

5.2 展望 18

致 谢 19

参考文献 20

附录 21

引言

研究背景与意义

在信息技术飞速发展，大数据发挥强大作用的今天，信息的采集、存储与处理显得至关重要。尤其是高效精准的信息采集系统在现今信息科学技术中扮演着重要的角色，在许多智能系统中属于不可或缺的一环。信息采集技术作为一门综合应用技术，主要以传感器作为基础，将物理信号转化为电信号，继而依靠微型计算机分析处理电信号来获取有效的外界信息。

微弱信号的采集是信息采集技术中的一个重要分支，其利用电子学、信息论和物理方法采集微弱的信号。这些信号中往往掺杂着各种由于环境不稳定或者测量方法固有的因素产生的噪声，通过分析噪声的来源与规律，研究被测信号的特性，可以利用物理学或电子学等方法滤除、减小噪声并获取有效信号。

心率是指心脏跳动的频率，心脏在一分钟内跳动的次数。“心率的改变可以反映出心脏的功能状态和交感神经张力，越来越多的研究显示了过快的心率与心血管疾病发生及预后密切相关。”^[1]中医医学中通过触摸脉搏来诊断病人的身体状态与病情就是对心率的应用。现如今，对心脏活动分析与研究已经发展出一门单独完善的学科——心电信息学。在医院可以利用心电图机从体表记录人体的心脏电生理活动，也就是临床常规心电图（Electrocardiography，简称ECG）。心电图是临床最常用的检查之一，可以帮助诊断心律失常、心肌缺血等疾病。值得注意的是，随着人民生活水平的提高，中国不少民众不健康的饮食习惯问题逐渐凸显。在国家心血管病中心发布的《中国心血管病报告2016》中显示，心血管病在所有死亡因素中名列第一，每五例死亡中就有两例死于心血管病。报告同时显示，虽然在全球范围内心血管疾病的死亡率在逐年下降，然而中国的心血管疾病死亡率却在上升。由此导致心血管疾病的医疗费用支出在增加，加剧了部分家庭矛盾与社会问题。

令人欣慰的是当代的青年人对健康的态度也在转变，不仅重视长辈孩子的健康，自身也开始注重从年轻时就培养良好的健身习惯，这样既能减轻工作压力，也能强身健体。因而自带心率计、计步器等功能的智能设备受到许多青年人欢迎。不同于心电图仪器这样专业的医疗设备，自1983年个人心率计普及以来，每年都会有新的技术与产品进入大家的视野，一直发展到今天。心率计作为面向个人的健康检测工具，将来只会越来越普及。与传统的心率测量方法相比，心率计有测量速度快，体积小可随声携带，测试方式便捷，操作简单等优势。运动员可以随身装备心率计，在运动过程中实时监测运动员的心率，获取身体状况。护士可以手持心率计给需要定期检查心率的病人进行快速的心率测试，提高工作效率。普通居民可以购买心率计，在家自己完成心率的测量工作，免去前往医院的麻烦。

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