摘 要

Abstract II

1 绪论 1

1.1 研究背景及其意义 1

1.2 国内外的研究状况 1

1.3 组织框架与内容安排 2

2 心率检测原理 4

2.1 朗伯-比尔定律 4

2.2 心率信号的产生与检测 4

3 硬件电路设计 5

3.1 系统的功能分析及体系结构设计 5

3.2 STM32单片机核心电路设计 5

3.3 液晶显示模块电路 6

3.4心率传感器模块电路设计 7

3.5电源与开关设计 10

4 系统软件设计 11

4.1 编程语言选择 11

4.2软件开发流程 11

4.3 程序流程图 11

4.4 各部分软件设计 12

4.4.1 ADC转换 12

4.4.2 心跳计数与心率计算 13

4.4.3 软件滤波 14

4.4.4 TFT液晶控制 15

5 系统焊接与测试 16

5.1 电路焊接 16

5.2 系统调试 16

5.2.1 PL2303串口烧写模块 16

5.2.2 FlyMcu程序烧写软件 17

5.3 实物测试结果 17

6 总结与展望 19

6.1设计总结 19

6.2设计展望 19

参考文献 20

致谢 21

摘 要

一个人的身体是否健康与其内在的生理参数息息相关，要想更好的解决人体的健康问题，那么必须对人身体生理水平的变化规律更加了解。随着电子科学技术的发展与医学水平的不断提高，人们对于测量准确且方便携带的医学电子检测设备的需求越来越高。而心率是身体是否健康的重要指标，对心率信号的实时检测，对于我们的生命健康与疾病预防具有十分重要的意义。

本文设计了一款由STM32F103C8T6单片机核心板模块、心率传感器模块和TFT液晶显示模块组成的心率检测器。该心率检测器通过心率传感器实时检测脉搏信号，并利用STM32内部的ADC采集心率传感器的波形，最后TFT液晶显示模块实时显示当前心率以及心律波形。最后经过实物测试心率检测器的功能表现良好，可以满足用户的相关日常需求。

关键词：心率检测；STM32F103C8T6；心率传感器；TFT液晶

Abstract

Whether he human body is healthy or not, that is closely related to its internal physiological parameters. In order to better solve the health problems of the human body, it is necessary to have a better understanding of the changes in the physiological level of the human body. With the development of electronic science and technology and the continuous improvement of medical level, people have a higher and higher demand for medical electronic testing equipment that is accurate and convenient to carry. Heart rate is an important indicator of health. Real-time detection of heart rate signals is of great significance for our life and health and disease prevention.

This paper designs a heart rate detector composed of STM32F103C8T6 MCU core board module, heart rate sensor module and TFT LCD module. The heart rate detector detects the pulse signal in real time through the heart rate sensor, and uses the ADC inside STM32 to collect the waveform of the heart rate sensor, then the TFT LCD module displays the current heart rate and heart rhythm waveform in real time. In the end，the function of the heart rate detector is tested and it performs well and can meet the daily needs of users.

Key words：heart rate detection；STM32F103C8T6；heart rate sensor；TFT LCD

1 绪论

1.1 研究背景及其意义

心率是用来描述心脏跳动快慢的专业术语，顾名思义，对于心率我们可以解释为心脏跳动的频率；其中频率的意义指的是在单位时间内，某个事件发生的次数。由此可以得出心率的解释就是指在单位时间内心脏跳动的次数。心率作为人体的重要生理参数指标，对人的身体健康中起着十分重要的作用^[1]。

通过对心率的分析可以在很大程度上判断许多种生理疾病是否存在于人体内，通过心率可以计算出休克指数、估计心肌耗氧数。而心跳节奏的改变通常预示着某种疾病的发生，例如窒息、心脏性猝死等，通过对心电图的分析，可诊断是否心律存在不齐等问题^[2]。实时地对心率进行检测，能够使我们在身体疾病出现的初期及时发现与治疗，减少病情的变得严重的可能性，为我们的生命健康提供重要的保障。

随着我国社会的经济高速发展和人们思想的不断更新，人们对自己健康的关注度也在不断的加强，“养生”“保健”等字眼也越来越频繁的出现在大家的生活中，然而快节奏的生活与巨大的社会压力迫使人们没有办法抽出空闲时间好好的检查自己的身体状况。目前在国内，要想知道自己心率的变化情况主要途径是去医院体检^[3]。医院中使用的心率测量仪器分为非携带式和可穿戴式两种，非携带式仪器可以准确地检测出人体的心率参数，但其设备的检测费用比较昂贵且必须去医院才能检测，不利于工作与生活；而可穿戴式虽然较非携带式方便一些，但是由于仍然需要到医院才能提取数据且体积庞大，因此不便于使用者的日常生活^[4]。

生活节奏加快以及社会压力的增大所导致的生活不规律，使得大多数人的身体处于亚健康状态。如果能够随时观察自己的身体状况并且及时的发现身体是否存在健康的问题，就可以让用户及时就医，为其健康保驾护航，提高他们的生活质量。而目前市面上大多数的设备只能检测出使用者的心率数值却无法显示当前心律的波形，无法很好地显示使用者是否存在心律不齐的问题。本设计中便加入了心律的实时波形显示以改进这一点。

1.2 国内外的研究状况

21世纪以来，随着电子科学技术与计算机科学技术等技术的快速发展，医疗器械产业也进入的高速发展的阶段，各国之间关于医疗器械的技术与贸易交往也变得十分频繁。由于医疗器械产业对国家医疗健康水平的重要性与其背后所带来的巨大利益，医疗器械产业的竞争也已成为了各国之间竞争的焦点，医疗器械产业的竞争也在渐渐成为电子科技水平、人才培养、市场管理、资本投入等各个方面的竞争。与美国、日本等工业强国相比，我国医疗器械领域存在人才缺乏，市场管理不完善，缺少核心技术等问题，在竞争中处于劣势。当前，全球医疗器械制造技术仍在不断革新，各个领域的创新成果应用于医疗器械领域的步伐也在不断加快，性能更加优秀的新产品不断在市场上出现。但是由于我国过去的创新意识薄弱，创新能力较差，没有完善的体系，以及社会经济发展总体差距带来的行业差距，我国医疗器械制造水平与发达国家之间有着较大的差距^[5]。

在心率检测领域，当前的光电式心率检测的方法主要是利用光电容积描记法进行人体心率检测，其原理是通过对心电容积脉搏波进行检测，而这种脉搏波是由于人体内的血氧浓度的变化引起的，从而给出心率的变化值^[6]。如今所使用的光电容积描记法心率检测器分为两种，分别为夹环型和透射型。第一种的测量准确性较好，但使用起来十分不便且费用较为昂贵，并且无法在运动状态下进行心率的检测；而第二种使用时可以直接戴在手臂上，相比之下方面许多，但是当身体运动时也容易受到干扰，尤其是手臂的晃动，会导致所测得的心率值远大于实际的心率值，无法精确地给出人体的心率值。

西方发达国家对于心率检测方面的研究与应用已达到了十分成熟的程度，基本上各项技术都处于世界领先水平。但是由于我国在此方面技术上起步较晚，直到进入21世纪，对心率检测的研究在中国才渐渐兴起，因此各种核心技术都必须向其他国家购买，这使得起初我国在心率检测方面的研究陷入了被动。由此可以意识到，由于本身基础知识的薄弱，再加上核心技术的限制，我国在心率检测的发展水平较制造水平先进的发达国家还存在着不小的差距。这种情况一直持续到2006年动态光谱理论的提出，才为我国在心率检测的制造提供了有力的理论支持。

根据心率传感器所检测的是透射光还是反射光，可将心率检测器主要分为透射式和反射式两种。根据所查文献可知，戴仲岩教授设计了一款便携式脉搏血氧检测仪，这一检测仪实质是一款带在手指上的反射式脉搏血氧动态监测系统，在测量中发现该系统测量值偏差较大，而另一位龚渝顺教授设计了一款在手腕上使用的仪器，与戴同样采用了反射式检测法，只是龚为了确保测量数据的准确性，采用了包络自适应对消算法^[7]。

1.3 组织框架与内容安排

本文的内容共分为六章，大致包括如下内容：

第一章，绪论。先介绍了本设计的研究背景及其意义，然后又介绍国内外研究现状，最后介绍了论文的组织框架安排和主要内容。

第二章，心率检测原理。主要介绍了心律检测所运用的基本原理。其中包括朗伯-比尔定律，心率信号的产生及检测的的原理等基础性理论知识。

第三章，硬件电路设计。主要介绍了心率检测器的硬件设计。先介绍了系统框架，然后介绍了各模块主要原件的特性、模块的应用电路图以及模块要实现的功能。

第四章，系统软件设计。主要介绍了心率检测系统的软件设计。先介绍了编写软件的语言选择与设计流程，然后介绍了该系统的程序流程图，最后介绍了各部分功能的软件实现方法。

第五章，系统焊接与测试。主要介绍了系统的测试工作。其中分别包括系统的焊接与烧写方法，最后给出了实物的测试结果。

第六章，总结与展望。对本次设计所完成的工作进行总结；分析了本次设计的不足与今后可改进之处。

2 心率检测原理

2.1 朗伯-比尔定律

朗伯-比尔定律是由18世纪初的光化学家Bouguer所开创，其学生Lambert根据其研究所发展出的朗伯定律，在加上19世纪中期的Beer通过研究光在不同溶液中吸收率的实验中，对之前的研究成果的进行整理最终建立的光学定律。

朗伯-比尔定律的物理意义为：一道光束透射过吸光介质时，光束中未吸收与被吸收的光强的比例同光束的初始光强无关，也就是说在光程上每相等厚度的吸光物质层吸收相同比例值的光^[8]。其数学表达式如（2.1）所示。

(2.1)

其中 A为吸光度，即透光度倒数的对数；T为投射比，即透过吸光物质的透射光强与入射光强的比值；k为摩尔吸收系数，其值的大小与入射光的波长λ及吸光物质的温度等性质有关； b为吸光层的厚度；c为吸光物质的浓度。

2.2 心率信号的产生与检测

心脏的搏动是由大脑产生的生物电信号传递给窦房结，然后窦房结通过传导系统将电信号传递给心肌细胞。这种生物电信号是定时发送的，每一次电信号便会引起一次心房的收缩^[9]。这个收缩与舒张过程就是一次心脏的搏动，心率就是在这种恒定不断的搏动中形成的。在正常的条件下，心率的测量必须在人保持安静的状态下进行，因为剧烈运动或情绪波动都会大幅度的引起心率的加快，并由此影响到心率的测量结果。

人体内心跳的过程基本上包括以下几个阶段：心脏收到电信号开始收缩、主动脉瓣打开、左心室向心脏外排血、主动脉瓣关闭房室瓣打开、开始向心室内充血。在这之中的每一个阶段动脉内的血量都伴随着相应的变化。

心脏的跳动导致血液的流动与脉搏的形成，并且使得在动脉中血量的变化，与朗伯-比尔定律相结合可得出人体内血量的变化使得对光的吸收率不同，导致反射到传感器的光强的变化。用反射光光强的变化所得到的光信号，再将所测的光信号利用光电三级管转化为相应的电信号，最后对电信号进行后续信号处理便可获得所期望的心率信号。其中后续处理的步骤为首先对采集到的电信号进行降噪处理，然后将电信号进行电压放大，便能得到所期望的、受到干扰小的心率信号。

3 硬件电路设计

3.1 系统的功能分析及体系结构设计

本设计希望以单片机STM32位核心设计出一款能够方便携带的心率检测系统，并且能够实时、连续、可靠地显示心率的变化情况。完成心率检测系统电路的搭建和控制软件的设计，并且对系统进行功能上的测试优化。

该系统由STM32F103C8T6单片机核心板电路、心率传感器电路以及TFT液晶显示电路组成。本系统将以STM32单片机为控制核心，心率传感器为检测模块，液晶屏为显示模块，与STM32的I/O口相连接。在KEIL5的环境下，采用C语言进行心率检测器各功能的软件设计，来实现对人体心率的检测，并通过将采集到的人体心率通过液晶模块显示。其系统原理框图如图1所示。

图1系统原理框图

3.2 STM32单片机核心电路设计

STM32系列处理器是STMicroelectronics公司生产的一种基于ARM 7架构的32位、支持实时仿真和跟踪的微控制器。本设计采用32位的STM32F103C8T6作为控制芯片，与同类产品相比，STM32F103C8T6的工作频率为72MHZ，具有性能强、功耗低、实时性好、成本低等优点^[10]。选择此款控制芯片是不仅是因为更低的成本以及更小的功耗，而且STM32能够提供丰富的接口和功能，能够十分方便的实现本设计功能，并且后续能够更加简单地拓展其它功能。

本设计使用STM32F103C8T6 作为系统的主控芯片，直接采用STM32F103C8T6的最小系统模块，能够更加轻松地完成任务的设计要求。STM32F103C8T6单片机最小系统电路图如图2所示。

图2 STM32单片机最小系统

3.3 液晶显示模块电路

TFT液晶显示屏（TFT-LCD）的全称为薄膜晶体管液晶显示器（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display）。TFT-LCD技术是将微电子技术与液晶显示器技术巧妙结合的一种技术。如今，薄膜晶体管液晶显示器在我们的生活中的各个方面都是占据主导地位的显示技术，其应用范围从显示器、智能手机、平板电脑到各式移动设备^[11]。TFT液晶显示屏拥有功耗低、对健康无害、受温度影响小、技术成熟以及易于集成等优点。

本次设计采用TFT-LCD完成系统的显示功能，所使用的液晶屏幕的尺寸为2.8寸，分辨率为240*320，液晶屏采用ILI9341驱动。使用TFT液晶显示屏，能够十分方便的显示出心律的波形与心律值的大小。TFT液晶显示模块接口电路如图3所示，TFT液晶显示模块共有11个引脚，因为不使用其触屏的功能，因此可不连接触摸功能的几个引脚，其余各引脚功能分别为：1脚与地相连；2脚与电源相连；3脚为时钟线，与单片机的PB7相连，作为数据输入的基准时钟；4脚为数据输入，数据以串行的方式输入；5脚为复位线，当输入低电平时，模块复位；6脚为数据/命令选择；9脚为该屏幕的片选信号。

图3 TFT液晶显示模块接口电路

3.4心率传感器模块电路设计

Pulsesensor光电容积传感器是用来测试心率的传感器，其内部集成了放大电路和噪声消除电路，其实质是一个光电传感器，我们可以利用此传感器检测心率信号，并开发其余相关的功能。由心率检测原理可知，人体心脏在泵血时，血管内的含血量是不断变化的，因此LED发出的绿光经过血管后被反射的光被光接收器接收到的光强也是不断变化的，将手指放在传感器表盘上，当脉搏跳动时，指尖的动脉血管血容量发生周期性变化，被指尖血液所吸收的光强也发生相应的周期性变化^[12]。另一侧的光电三极管将接收到的红外光信号转化为电信号。

心率传感器模块接口原理图如图4所示，其中1脚输出光电三级管输出的电信号，2脚接电源，3脚接地。

图4心率传感器接口原理图

在实际使用中，通过示波器直接检测脉搏心率传感器的输出端，得出的波形图如图5所示。

图5 心率传感器实际输出信号波形

由图可见，心率波形并不是标准的方波信号，如此不方便单片机读取心率传感器的输出信号并计算心率数值的大小，因此选择LM393比较器将心率信号波形进行处理，将传感器的输出波形转换为标准的方波，以方便单片机进行外部中断的触发和心率的计数。通过LM393比较器模块滤波后的波形图如图6所示。

图6 心率传感器经比较器滤波后输出的波形图

LM393比较器模块电路原理图如图7所示。其中R1电阻的主要作用是将光电三级管输出的电流信号转化为电压信号，当电压信号输入比较器的3号引脚后，开始与比较器的2号引脚的阈值电压进行比较，阈值电压由电位器所设置。当输入的电压信号大于阈值电压时，比较器1脚输出一个高电平，如此便可将心率信号转换为相应的方波信号。R2、R3为限流电阻，用来限制通过LED的电流大小，防止LED烧毁，由图可知LED1,、LED2灯为低电平有效。R4为上拉电阻，将信号钳位在高电平的同时起到限流作用，目的主要是为了保证了单片机在读取比较器输出的方波信号是更加稳定。C1、C2为滤波电容，电容C1地目的是滤除杂波，使电源输出更加稳定直流电源；而电容C2的使得输入的电压信号更加稳定。

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