蒋铁生

1.1选题背景

心率是人的重要的可被测量的生理指标。

在现代社会，随着人类社会生活水平的提高，人们的生活方式和饮食结构的改变，高血压，冠心病等心脏方面的疾病渐渐成为人们的常见病。由有关数据显示，中国城市人口每五个成年人中就有一个人患有不同程度的心血管方面的疾病。由于心脏不健康而导致的心肌梗塞，猝死等事件时有发生，并且心脏疾病方面发病率逐年提升，发病年龄也是下降趋势。

要减小心血管疾病给人们带来的健康危害，早期有效的测量设备与判断方法是十分重要的。心率是人体十分重要有效的信息，是可以被检测的生物信号，它是反映心脏是否正常工作的一个重要参数，可以根据心率值判断一个人是否患有心率过速，早搏等几种常见的心脏病。因此，设计一种简单，能显示心率的仪器十分有必要。

1.2 主要内容

本心率测量电路设计是一个硬软件相结合的设计类题目。要求设计一个基于51单片机的心率的检测电路。可以实现与心率检测功能，整个系统电路的设计功能包括：

1、使用MAX30102心率传感器模块进行心率采集；

2、使用STC89C52芯片为控制核心；

3、使用OLED液晶进行显示。

2 总体方案设计

2.1整体设计思路

本设计采用的是STC89C52芯片，通过STC89C52最小系统，心率模块、液晶屏，实现心率的测量与现实。实时的心率显示在OLED液晶上。由于STC89C52有较多的引脚数，能实现OLED液晶驱动以及实时心率测量等这些功能。电源部分是通过USB线来外接可移动电源或电池供电。

2.2心率測量模块

光电式传感器。光电式传感器测量方法灵活多样，可测量参数较多，具有非接触，高精度，高分辨率，高可靠性，反映快等特点。适合用来测量心率。

测量原理：随着心脏的跳动，人体组织半透明随之改变，当血液到达人体组织时，组织班透明度减小，当血液回流心脏时，组织的半透明度加大。这种现象在人体组织较薄的地方比较明显，例如手指尖，耳垂部位。所以，将红外发光二级管产生的红外线照射到人体手指尖，用装在手指尖另一侧的红外光电管来检测人体组织的半透明度并把它转换为电信号，此信号频率与心率成正比，再把它转换成脉冲信号并进行整形，计数和显示，这样就能实现心率实时检测。

选用MAX30102光电式心率传感器模块进行测量。

2.3显示屏

显示屏选用用OLED屏。OLED屏是有机电激发光二极管同时具备自发光、不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、驱动电压低、能耗低，可与太阳能电池、集成电路等相匹配。

OLED屏幕小巧低功耗，能够数字化显示，让人一目了然，用OLED屏，外形小巧，方便携带与显示，正好配套本次STC89C52的设计使用。

3 系统硬件设计

3.1 主控电路设计

MCU最小系统由主芯片STC89C52以及外围器件组成。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，指令代码完全兼容传统8051单片机，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

18，19引脚接系统时钟电路。系统时钟电路由电容、晶振组成；C5、C6是电容20pf，满足要求的电容，Y1提供稳定的时钟频率，不会造成其他不必要的程序问题；串口通信问题。使用外部晶振能更好的发挥芯片的性能系统时钟。

3.2 心率测量模块电路设计

心率测量模块采用的是MAX30102模块。它本身集成了完整的发光LED及驱动部分，光感应和AD转换部分，环境光干扰消除及数字滤波部分，极大的减轻了用户设计。将它应用于本设计，采集指尖心率信息，通过IIC接口，将采集到的信息传给单片机，通过编写相应的算法进行计算就可以得到心率信息。此外，它集成了玻璃盖可以有效的排除外界干扰和内部干扰，其综合性能优秀可靠。

心率测量模块电路设计如图1中header所示

3.3显示模块电路设计

显示模块采用的是OLED显示。它具备自发光，无需背光源，反映速度快，使用温度范围广，结构相对较简单的优点。SCL，SDA分别接单片机39，38引脚，分别为时钟线和数据线。

3.5供电电路设计

采用电池供电。持续按住sw1键，电池作为供电电源。431稳压电路，内部含有2.5V的基准电压，REF端引入输出反馈时，器件可以通过阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。

4 测试

4.1测试结果

心率测量结果如表1所示：

标准数据是五个时间段人体心率记录，使用的是脉搏测量获得的数据，而实际数据就是自己设计的电路测出的数据。根据表格的实验对比数据可以知道该心率测量的数据偏差不超过4%，该设计是符合设计要求的。

（作者单位：湖南人文科技学院）