摘 要

在现代医学领域中，形形色色的有很多医学设备，在众多的医用设备中，心率测试设备占有至关重要的作用。其心率测试设备是一种通过观察人体心跳脉搏来对一个人的健康指标进行评价的一种医学设施。由于医院的设备比较笨重，且只能在医院中使用，所以本次设计将设计一款方便使用，效率高，可靠性强，准确度高的一种心率测试设备。此设备的设计将使用STC89C52单片机作为其电路的核心部件。其测试探头将使用红外对管光电传感器对人体的心率跳动信号进行收集，然后将收集到的波动信号经相关电路的处理转换成为便于读数的数字信号送往LCD液晶显示电路进行显示，进而完成测量心率的作用。在使用时我们可以事先把人体的正常心率范围通过键盘电路进行输入调整，当所测数值不在其范围时，蜂鸣器便会发出报警提示使用者测试人的心率不正常。在测试使用时，传感器要和人体心率脉搏跳动显著的部位进行接触，比如手指。本设计经过不断的调整测试，系统运行正常，达到了此次设计的要求。

关键词： STC89C52；心率测试仪；LM358；红外光电传感器

1 系统整体设计

本课题所设计的心率测试仪系统电路的组成主要有用来采集信号的光电传感器，用来放大微弱有用信号的具有放大功能的放大电路，用来进行比较的比较电路，用来进行转换信号的电路即所接收的模拟电压信号转换成数字信号的模数转换电路，用来进行信号处理的单片机处理电路，用来进行显示结果显示电路等电路组成。其系统需要有进行供电的5V供电电源。心率测试仪系统的组成框图如图2-1框图所示。

图2-1总体设计电路框图
光电传感器：光电传感器在所设计电路中的作用是将光信号转换为电信号，也就是说将一种光电器件作为检测设施的一种设备。其工作过程如下：由于光电传感器是通过光电器件采集波动信号的，所以说我们可以将手指这个脉搏明显的部位放在光电传感器上，因为人体脉搏时刻在跳动，俗话说十指连心，光电器件通过人体手指的微血管脉压的波动的变化，其元件的透光程度也会发生一定的改变。而元件变化的波动信号将以电压的形式展现出来。也就是所谓的光电转换。
放大电路:放大电路是进行将有用信号进行放大的电路。放大电路要与滤波电路要进行配合使用，这主要是因为传感器所采集的有用信号是非常微弱的，非常容易被电路自身所产生的低频的干扰信号或者是其它来自外界的高频的干扰信号所干扰，有时甚至被埋没。这时便需要有一个滤波电路将干扰滤除掉，只剩下我们所需的有用信号，将经过滤波处理的有用信号送至放大电路进行放大。放大的过程中信号的放大倍数不能过大，也不能过小，应增设一个放大倍数适中的放大值。使其信号既方便处理又不会被干扰所干扰。
比较电路:比较电路是进行比较的电路，系统中比较电路的作用是将来自传感器接收的有用信号经电容滤波电路滤除干扰，再经放大电路放大后的信号电压，与我们事先设计好的一个标准电压值进行比较的电路，就好比要加工一个作品一样，首先我们要对其进行大致的规划，即大致的数据参考，有了这大致的参考值与现所拥有的材料进行比对，选择适合的材料。经常使用的比较器通常都是两个输出端一个输入端，即两个进口端一个出口端，两个进口端进入的是模拟电压信号，一个出口端输出数字信号。当其输入的电压之间的差别增大或减小时，电路所输出的电压值不会改变。以上便是比较电路在心率测试仪系统中所起到的作用。
A/D转换电路：模数转换电路在心率测试仪系统中的作用是将从比较电路比较后的输出的模拟电压信号转换为数字信号。
单片机处理电路：单片机处理电路在心率测试仪系统中的作用是起到控制整个系统的作用，就好像人的大脑一样的重要。
显示电路：显示电路在心率测试仪系统中的作用也十分关键，它的作用是把电路的结果显示出来，好比人得到大脑发出的指令后把其要做的事做出来。
电源：给心率测试仪系统提供正常工作时的工作电压。

2 硬件系统设计

2.1系统设计框图

要想设计一个电路，首先就需要弄清楚它的大致电路框图，其电路的主要构成部分无非就是通过液晶显示，STC信号处理，采集放大以及比较电路等这些电路组成。而要想收集人体脉搏信号则需要红外传感器的帮助。其结构框图如图3-1所示。每一种器件在其电路中使用时都有其不同的作用，本设计所使用的光电传感器主要是用来采集光信号并将其转换为电信号。在使用时，要将手指放在光电接收管上，光电接收管通过人体手指的透明度变化进行信号的采集，当其透明度变大的时候，其通过手指的红外发射管Dl发出的光强度较弱，由于光强度较弱光电晶体管不能够被打开，这时的输出会比较高。如果通过人体手指组织后呈现出半透明的值较小的时候，这时红外发射管D1就会通过人体组织所发射的光度的强度将变的很强，此时若打开光电晶体管，便将会输出一个低电平值。这样，一个频率与脉冲数成正比的低频信号便由此产生了，所产生的低频信号是一个类似于正弦波的波形的低频信号。
所产生的低频信号容易被电路自身所产生的低频干扰信号或来自外部的高频干扰信号所干扰，因此要对该低频信号进行滤波，其所用的滤波电路采用RC振荡器进行滤波处理，滤除其干扰信号，在滤除干扰信号后，送往无极性直流阻挡电容C3和C5加入线性放大器的输入。本设计所采用的运算放大器会将这个信号进行放大，放大后，在使用一个由R3、R4和C6组成的低通t型滤波器进行滤波，这主要是由于有用信号经过一次滤波不能将干扰波信号完全滤除，所以说要进行二次滤波把剩余的干扰完全滤除。如果要是对正弦信号进行微分的话，便会形成一种锐脉冲信号。将尖峰脉冲信号转换成为同频率的长脉冲信号的电路被称为单稳态振荡电路。这个时候脉冲信号就会经过电阻R12把此信号发送到单片机进行处理，单片机的软件将会对该信号进行分析和处理。最后把处理好的信号送往液晶显示器使我们可以清楚的看到一个人在一分钟内的心跳次数。

图 3-1 系统设计原理框图

3 心率测试系统子程序设计

图4.2 系统子函数流程图

4 系统的焊接与调试

4.1焊接操作

在完成心率测试仪系统的设计后，这时电路所用的元器件与各个元器件在电路板上的作用以及在电路板上的位置与分布已大致确定，这时要先把元器件插在万用板上，待所有期间都插入完后，就可以进行焊接操作。
(1)焊前处理
首先要先用刀片刮去金属引线表面的氧化层，使元件引脚表面部分具有金属光泽。其次是对元件进行镀锡，把经过焊前处理处理过的引线就行镀锡。在进行镀锡之前，要先把松香沾在元器件引线上，之后再把带锡的烙铁头轻轻地压在元器件引线上，慢慢的转动该引线，下一步便可以把锡均匀的镀在其引线上。
(2) 焊接
做好焊接前的准备工作后，便可以开始进行焊接。焊接方法：焊接开始前先要对烙铁进行加热，当加热至可以融锡时，就可以开始焊接操作了。焊接使用右手握住电烙铁。左手拿焊锡。开始焊接。焊接时，电烙铁与水平面的夹角大约为45度角左右。这样在焊接时便于将熔化的锡从烙铁头上覆盖到焊点上。每个焊点的焊接时间都不能过长或过短，大约2～3秒钟。当焊点焊好后就可以把烙铁头移开。当其电路焊接完毕候，要把其多余的引线头用剪线钳剪掉。最后要对其电路的焊接质量进行检查，检查时，主要观察各个焊点的焊接是否正常，是否美观。好的焊点应是锡点光亮，光滑圆滑而没有毛刺，所融化的锡量适中。所焊接的焊点不能有虚焊和假焊。所谓的虚焊是指所焊接的引线上只有少量的锡焊在上面，造成电路连接的似挨似不挨的，从而使电路有时通有时断的，接触不良。所谓的假焊就是指从焊点的表面上看其焊接住了，但是实际上压根没有焊住，这时用手轻轻的一拔，所焊接的引线便可以从电路板上拔下来。这两种情况的出现都会造成电路连接上的故障，也会给后期的调试和检修带来很大的困难。焊接完成后必须要认真的检查各个焊点才能避免这两种情况的发生。
在进行元件焊接时，控制好焊接的时间是关键。如果焊接的时间过长，有可能会将电路板烧焦，或造成焊点的脱落。当一些元件焊错位置需要拆卸时，右手握烙铁，左手拿吸锡器，把烙铁头放在焊点，待锡融化后，用吸锡器将融化的锡吸掉，最后在用镊子将元件拔出即可。
由于本次设计是采用万用板来进行设计焊接的，所以说在焊接前首先要对照其电路系统的仿真图进行布局，当系统所需的所有元件都布局好时，再进行焊接，这样才可以保证所设计的电路外观精致，不至于元件分部的乱七八糟的，同时也可以为电路的焊接带来极大的方便，省时且不费力。

5 总结

基于单片机的心率测试仪系统是一种功能十分多的数字型设计电路，因此电路的硬件连接与其程序的设计对应的关系也是相当复杂的，所以说在程序的编写与其硬件的调试方面会出现很多的问题。针对这些问题我们不但要对其程序进行修改，还要对电路的连接进行相应的调整，经过不断的改善，最终把遇到的问题进行解决。在我对系统进行调试过程中遇到了如下问题：
问题1：当我把程序写入单片机之后，LCD液晶显示虽然也在闪动,但是其闪动的亮度不够均匀。
解决：遇到此类问题我们首先应该对调用的延时进行一点一点的改动，试着试着便可把其闪动的问题解决掉。
问题2：在我按下键盘按键的时候，单片机读取的数值与所设定的数值出现了一定程度的偏差。
解决：在遇到这类问题时首先一定要对矩阵键盘进行认真的仔细的检查，看其是否存在故障，然后在重新建立一个新的一一对应的关系。