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前言：心率是指人體心臟每分鐘搏動的次數(shù)。它是反映心臟是否正常工作的一個重要參數(shù)，同時心率值也是衡量體力勞動強度和腦力勞動強度的重要指標(biāo)。因此心率的測量是一種評價病人生理狀況很好的方法。
心率計是用于測量心率值的的醫(yī)療設(shè)備，它的應(yīng)用在心血管疾病的研究和診斷方面也發(fā)揮出顯著的作用，它們所記錄的心臟活動時的生物電信號，已成為臨床診斷的重要依據(jù)。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展和進步, 人們對各種測量儀器的要求必然越來越高,因此在前人研究的基礎(chǔ)上我們開發(fā)并設(shè)計了一款性價比較高的電子心率計, 它有利于解決了傳統(tǒng)測量方法的不準(zhǔn)確性和隨機性, 而且能夠準(zhǔn)確的測量出人體的心率, 并隨時以數(shù)字的方式顯示測量結(jié)果。這樣可以使人體心率值直觀化
第一章 方案設(shè)計
光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動時造成的透光率不同來進行脈搏測量的，其使用的傳感器由光源和光電變感器兩部分組成，通過綁帶或者夾子固定在病人的手指或者耳垂上。光源一般采用對動脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的一定波長(500nm~700nm) 的發(fā)光二極管。當(dāng)光束透過人體外周血管，由于動脈搏動充血容積變化導(dǎo)致這光束的透光率發(fā)生變化，此時由廣電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑵浞糯蠛洼敵觯捎诿}搏是隨心臟的搏動而周期性變化的信號，動脈血管容積也周期性變化，因此光電變化器的電信號變化周期就是脈搏率。
整個心率傳感器的結(jié)構(gòu)如下：
第二章 硬件電路的簡單概述
心率計設(shè)計的原理
根據(jù)設(shè)計要求，該設(shè)計采用stm32f103zet6作為控制CPU，外圍器件包括數(shù)字溫度傳感器DS18820，光電對管，語音模塊，譯碼器，鎖存器，放大器等等。本作品采用總線控制方式，顯示采用三位靜態(tài)數(shù)碼顯示.
3.2 Pulse Sensor 心率傳感器的原理
PulseSensor 是一款用于心率測量的光電反射式模擬傳感器，將其佩戴在手指或者耳垂等處，通過導(dǎo)線連接可將采集到的模擬信號傳輸給stm32f103zet6單片機用來轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過stm32的簡單計算后就可以得到心率數(shù)值，此外還可以將脈搏波形通過串口傳輸?shù)诫娔X顯示波形。
原理圖如下：
由于脈搏的信號極弱，振動幅度非常有限，不易進行采集和獲取，會給收集脈搏信號者帶來不小的麻煩。在脈搏信號本身極弱的同時，它還很容易受到信號的干擾，對于每一個生物體來說，其各個部分的生理信號都是相互干擾相互影響的。再者，每個生物體的情緒的不同，喜怒哀樂的變化，也會造成生理信號的變化。在這種情況下，脈搏信號就會受到噪聲的干擾，只要選擇一個恰當(dāng)?shù)拿}搏測量傳感器才能夠獲得準(zhǔn)確、高效、可靠的脈搏信號。脈搏信號的頻率是很低的，一分鐘的次數(shù)大致如下，且對不同個體也是有差別的：男性的是60到100次，女性的是70到90次，小孩大概是90次。
引腳功能如下：
S ——— 脈搏信號輸出(接單片機AD接口)
——— 5v(或)電源輸入
———- GND地
3.3 ISD1820語音模塊
應(yīng)用原理圖如下：
引腳功能介紹
電源(VCC)：芯片內(nèi)部的模擬和數(shù)字電路使用的不同電源總線在此引腳匯合，這樣使得噪聲最小。去耦合電容應(yīng)盡量靠近芯片。
地線(VSSA，VSSD)：芯片內(nèi)部的模擬和數(shù)字電路的不同地線匯合在這個引腳。
錄音(REC)：高電平有效，只要REC變高(不管芯片處在節(jié)電狀態(tài)還是正在放音)，芯片即開始錄音。錄音期間，REC必須保持為高。REC變低或內(nèi)存錄滿后，錄音周期結(jié)束，芯片自動寫入一個信息結(jié)束標(biāo)志(EOM)，使以后的重放操作可以及時停止。然后芯片自動進入節(jié)電狀態(tài)。
邊沿觸發(fā)放音(PLAYE)：此端出現(xiàn)上升沿時，芯片開始放音。放音持續(xù)到EOM標(biāo)志或內(nèi)存結(jié)束，芯片自動進入節(jié)電狀態(tài)。放音后，可以釋放PLAYE.
電平觸發(fā)放音(PLAYL)：此端從低變高時，芯片開始放音。持續(xù)至此端回到低電平或遇到EOM標(biāo)志，或內(nèi)存結(jié)束。放音結(jié)束后自動進入節(jié)電狀態(tài)。
錄音指示(/RECLED)：處于錄音狀態(tài)時，此端為低，可驅(qū)動LED.此外，放音遇到EOM標(biāo)志時，此端輸出一個低電平脈沖。此脈沖可用來觸發(fā)PLAYE，實現(xiàn)循環(huán)放音。
話筒輸入(MIC)：此端連至片內(nèi)前置放大器。片內(nèi)自動增益控制電路(AGC)控制前置放大器的增益。外接話筒應(yīng)通過串聯(lián)電容耦合到此端。耦合電容值和此端的10KΩ輸入阻抗決定了芯片頻帶的低頻截止點。
話筒參考(MIC REF)：此端是前置放大器的反向輸入。當(dāng)以差分形式連接話筒時，可減小噪聲，提高共模抑制比。
喇叭輸出(SP+，SP-)：輸出端可直接驅(qū)動8Ω以上的喇叭。單端使用必須在輸出端和喇叭之間接耦合電容，而雙端輸出既不用電容又能將功率提高至4倍。SP+和SP-之間通過內(nèi)部的50KΩ的電阻連接，不放音時為懸空狀態(tài)。
振蕩電阻(ROSC)：此端接振蕩電阻至VSS，由振蕩電阻的阻值決定錄放音的時間。
直通模式(FT)：此端允許接在MIC輸入端的外部語音信號經(jīng)過芯片內(nèi)部的AGC電路、濾波器和喇叭驅(qū)動器而直接到達(dá)喇叭輸出端。平時FT端為低，要實現(xiàn)直通功能，需將FT端接高電平，同時REC、PLAYE和PLAYL保持低。
第三章 程序設(shè)計
主程序設(shè)計
程序的功能：可以通過對口的檢測其高低電平實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)和心電信號的采集，轉(zhuǎn)換和處理，最后用數(shù)碼管顯示心率值和溫度值;同時還可以調(diào)用語音播報子程序?qū)囟戎岛托穆手颠M行語音播報。同時一旦心率不在設(shè)定范圍之內(nèi)，可以通過報警模塊來提示，提醒用戶注意自己身體。
主程序流程圖的設(shè)計是整個設(shè)計的關(guān)鍵一步，它是我們設(shè)計思路的具體體現(xiàn)。有了主程序流程圖，我們就可以根據(jù)把一個復(fù)雜的軟件設(shè)計分解為若干個功能模塊，然后逐一設(shè)計各個模塊的功能。
在主程序設(shè)計中我們先初始化，包括顯示模塊初始化等，然后通過判斷是高電平還是低電平來實現(xiàn)是測量體溫還是測量人體的心率值。
.1 主程序流程圖
/@@***************************************************************************
下位機編程軟件：keil
程序?qū)崿F(xiàn)功能：
1、 單片機采集脈搏信號，AD轉(zhuǎn)換并計算心率值;
2、 將脈搏波形數(shù)據(jù)和心率值通過串口傳送到上位機;
3、 使用LED模擬心臟跳動;
4、 使用數(shù)碼管和ISD1820模塊實現(xiàn)數(shù)字顯示和語音播報
5、 使用蜂鳴器模塊對心率不正常時進行報警
**************************************************************************/
其主程序如下：
int main(void)
{
HAL_Init();
/@@* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/@@* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_ADC1_Init();
MX_TIM3_Init();
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);
while (1)
{
sendDataToProcessing('S', Signal); // send Processing the raw Pulse Sensor data
if (QS == true)
{
sendDataToProcessing('B',BPM); // send heart rate with a 'B' prefix
sendDataToProcessing('Q',IBI); // send time between beats with a 'Q' prefix
QS = false; // reset the Quantified Self flag for next time
}
HAL_Delay(20); //delay for 20ms
}
.2 語音模塊ISD1820功能簡介
ISD1820主要有三個功能：錄音、電平控制放音和脈沖觸發(fā)放音。
錄音子程序
控制錄音主要有兩個數(shù)據(jù)：1 、錄音的開始地址;2 、錄音的時間。把這兩個數(shù)據(jù)都控制了就可以控制錄音時把聲音錄到哪幾段里頭。注意：REC 信號將被延遲50ms 防止開關(guān)抖動引起重復(fù)觸發(fā)。在調(diào)用錄音子程序時只要給出錄音的開始地址和需要錄音的時間就可以了。
電平控制放音子程序
電平控制放音中，開始地址和播放時間也是必不可少的，只要控制了這兩個參數(shù)就可以確定播出內(nèi)容。不過需要注意的是播放的時候總是從一段的開頭開始播放的。當(dāng)需要分段播放控制時，錄音時每一個內(nèi)容的開頭必須從一個段的開頭開始。在調(diào)用電平控制放音子程序時只要給出放音的開始地址和放音的時間就可以了
脈沖觸發(fā)放音子程序
脈沖觸發(fā)放音與電平控制放音有些不同 ，脈沖觸發(fā)放音不能夠由單片機來控制放音的時間，只能夠控制放音的開始地址。脈沖觸發(fā)放音開始后就一直播放到遇到結(jié)束符或語音芯片的盡頭，所以一般在分段語音控制里頭不常用脈沖觸發(fā)。 在調(diào)用脈沖觸發(fā)放音子程序時只要給出放音的開始地址就可以了。
心率測量的程序設(shè)計
.1 心率測量程序設(shè)計
心率測量程序設(shè)計由兩部分構(gòu)成，前半段實現(xiàn)初始化，包括定時器/計數(shù)器的初始化、設(shè)置堆棧指針以及開中斷等。程序的后半段則是啟動兩個定時器/計數(shù)器以及調(diào)用顯示子程序和語音播報子程序來完成心率值的顯示和語音播報以及報警模塊。
.2 中斷服務(wù)子程序設(shè)計
void MX_TIM3_Init(void)
{
TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig;
TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig;
htim3.Instance = TIM3;
htim3.Init.Prescaler = 7;
htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim3.Init.Period = 1999;
htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_Base_Init(&htim3);
sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim3, &sClockSourceConfig);
sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim3, &sMasterConfig);
}
