基于虚拟仪器的心率监测系统设计

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1、基于虚拟仪器的心率监测系统设计　　摘要：设计了一种基于虚拟仪器的心率监测系统。该系统由STC12C5A60S2单片机最小系统、心率传感器与上位机组成。STC12C5A60S2单片机具有片内AD转换器，可以直接采集心率传感器输出信号，并通过串口发送测量数据至上位机。在上位机利用虚拟仪器设计软件LABVIEW对采集的信息进行实时处理，实现心率的实时测量、心跳波形的实时显示及数据存储。该监测系统体积小，功耗低，能对心电信号实时显示和存储，适合家庭使用，对心血管疾病的预防和长期监护具有重要意义。　　关键词：单片机；虚拟仪器；心率监测；光电脉搏传感器　　中图分类号：TP216文

2、献标识码：A文章编号：1009-3044（2016）27-0219-03　　Abstract：AnewtypeofheartratedetectionsystembasedonLABVIEWisdevelopedinthepaper.ThesystemconsistsofSTC12C5A60S2MCUminimumsystem，heartratesensorandcomputermachine.STC12C5A60S2microcontrollerwithon-chipADCcanacquisheartratesensoroutputsignaldirectly，an

3、dsendmeasurementdatatoPCmachinethroughtheserialport，inthePCmachineLabVIEWsoftwareisusedtoprocesscollectioninformation，realizethereal-timeheartrate（HR）monitoring，displayheartbeatwaveformandstoragedata.Themonitoringsystemhastheadvantagesofsmall6volume，lowpowerconsumption，real-timeECGsigna

4、ldisplayandstorage，suitableforfamilyuse.Andithasimportantsignificanceforpreventionandlong-termmonitoringofcardiovasculardisease.　　Keywords：MCU；virtualinstrument；heartratedetection；photoelectricpulsesensor　　随着生活水平的提高，家庭保健受到了越来越多地关注。心脏病是危害人类健康的头号杀手，但心脏病的发作往往是随机的、短暂的，患者难以及时赶到医院进行心电检查，从而影响到

5、病因的及时诊断。研发一种成本低、可靠性强、适合家庭使用的实时心率监测系统有着重要的意义[1-3]。本文提出了一种电路简洁可靠，使用方便的心率监测系统设计方案，可实时监测心率变化并利用上位机显示，极大地满足了实际使用需求与市场需要。　　1系统硬件方案设计　　针对本课题任务，系统使用STC12C5A60S2单片机作为主控电路，并利用单片机片内10位高速ADC读取传感器测量信号。单片机与上位机间经由串口进行通信，仅占用两根管脚，大大节省了单片机I/O资源。上位机可设置波特率等信息，并能显示心跳波形及心率值。系统原理框图如图1所示[4]。6　　STC12C5A60S2单片机是

6、深圳宏晶科技公司生产的增强型51单片机，完全兼容MCS-51指令，具有60K程序存储器，1280B数据存储器，4个定时器，4组8位并行I/O口。考虑到本设计需要使用串口功能，因此使用11.0592MHz外部晶振构成时钟电路，保证波特率精度。STC12C5A60S2单片机的A/D转换口与P1口复用，共8路10位高速A/D转换器，速度可达到250KHz（25万次/秒），足以分辨每60秒内仅100次左右的心跳。设计中使用P1.0口作为心率传感器的A/D转换接口。片内AD转换器共涉及到8个相关寄存器，使用时可仅操作A/D转换控制寄存器ADC_CONTR、P1口特殊功能寄存器P

7、1ASF、以及结果寄存器ADC_RES。其中A/D转换控制寄存器ADC_CONTR是使用片内ADC的关键。该寄存器共8位，用于设置ADC电源、转换速度、通道选择等，如表1所示。　　心率测量通过光电式脉搏传感器实现。脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的，在人体指尖组织中的动脉成分含量高，且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄，透过手指后检测到的光强相对较大，因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。在恒定波长光源的照射下，通过检测透过手指的光强可以间接测量到人体的脉搏信号，即可得到心率值。　　2软件设计　　系统上电后，设置定时中断间隔，启动片内AD转换