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　　前言：心率是指人體心臟每分鐘搏動(dòng)的次數(shù)。它是反映心臟是否正常工作的一個(gè)重要參數(shù)，同時(shí)心率值也是衡量體力勞動(dòng)強(qiáng)度和腦力勞動(dòng)強(qiáng)度的重要指標(biāo)。因此心率的測(cè)量是一種評(píng)價(jià)病人生理狀況很好的方法。

　　心率計(jì)是用于測(cè)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(dòng)時(shí)的生物電信號(hào)，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(jìn)步, 人們對(duì)各種測(cè)量?jī)x器的要求必然越來(lái)越高,因此在前人研究的基礎(chǔ)上我們開(kāi)發(fā)并設(shè)計(jì)了一款性價(jià)比較高的電子心率計(jì), 它有利于解決了傳統(tǒng)測(cè)量方法的不準(zhǔn)確性和隨機(jī)性, 而且能夠準(zhǔn)確的測(cè)量出人體的心率, 并隨時(shí)以數(shù)字的方式顯示測(cè)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(jì)

　　光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成的透光率不同來(lái)進(jìn)行脈搏測(cè)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(guò)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(duì)動(dòng)脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的一定波長(zhǎng)(500nm~700nm) 的發(fā)光二極管。當(dāng)光束透過(guò)人體外周血管，由于動(dòng)脈搏動(dòng)充血容積變化導(dǎo)致這光束的透光率發(fā)生變化，此時(shí)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?hào)并將其放大和輸出，由于脈搏是隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化的信號(hào)，動(dòng)脈血管容積也周期性變化，因此光電變化器的電信號(hào)變化周期就是脈搏率。

　　整個(gè)心率傳感器的結(jié)構(gòu)如下：

　　第二章 硬件電路的簡(jiǎn)單概述

　　心率計(jì)設(shè)計(jì)的原理

　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該設(shè)計(jì)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(duì)管，語(yǔ)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(cè)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(guò)導(dǎo)線連接可將采集到的模擬信號(hào)傳輸給stm32f103zet6單片機(jī)用來(lái)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)stm32的簡(jiǎn)單計(jì)算后就可以得到心率數(shù)值，此外還可以將脈搏波形通過(guò)串口傳輸?shù)诫娔X顯示波形。

　　原理圖如下：

　　由于脈搏的信號(hào)極弱，振動(dòng)幅度非常有限，不易進(jìn)行采集和獲取，會(huì)給收集脈搏信號(hào)者帶來(lái)不小的麻煩。在脈搏信號(hào)本身極弱的同時(shí)，它還很容易受到信號(hào)的干擾，對(duì)于每一個(gè)生物體來(lái)說(shuō)，其各個(gè)部分的生理信號(hào)都是相互干擾相互影響的。再者，每個(gè)生物體的情緒的不同，喜怒哀樂(lè)的變化，也會(huì)造成生理信號(hào)的變化。在這種情況下，脈搏信號(hào)就會(huì)受到噪聲的干擾，只要選擇一個(gè)恰當(dāng)?shù)拿}搏測(cè)量傳感器才能夠獲得準(zhǔn)確、高效、可靠的脈搏信號(hào)。脈搏信號(hào)的頻率是很低的，一分鐘的次數(shù)大致如下，且對(duì)不同個(gè)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(hào)輸出(接單片機(jī)AD接口)

　　——— 5v(或)電源輸入

　　———- GND地

　　3.3 ISD1820語(yǔ)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(gè)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(kāi)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(dòng)寫入一個(gè)信息結(jié)束標(biāo)志(EOM)，使以后的重放操作可以及時(shí)停止。然后芯片自動(dòng)進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)。

　　邊沿觸發(fā)放音(PLAYE)：此端出現(xiàn)上升沿時(shí)，芯片開(kāi)始放音。放音持續(xù)到EOM標(biāo)志或內(nèi)存結(jié)束，芯片自動(dòng)進(jìn)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(shí)，芯片開(kāi)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(dòng)進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)。

　　錄音指示(/RECLED)：處于錄音狀態(tài)時(shí)，此端為低，可驅(qū)動(dòng)LED.此外，放音遇到EOM標(biāo)志時(shí)，此端輸出一個(gè)低電平脈沖。此脈沖可用來(lái)觸發(fā)PLAYE，實(shí)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(dòng)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(guò)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(diǎn)。

　　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(shí)，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(dòng)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(guò)內(nèi)部的50KΩ的電阻連接，不放音時(shí)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(shí)間。

　　直通模式(FT)：此端允許接在MIC輸入端的外部語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部的AGC電路、濾波器和喇叭驅(qū)動(dòng)器而直接到達(dá)喇叭輸出端。平時(shí)FT端為低，要實(shí)現(xiàn)直通功能，需將FT端接高電平，同時(shí)REC、PLAYE和PLAYL保持低。

　　第三章 程序設(shè)計(jì)

　　主程序設(shè)計(jì)

　　程序的功能：可以通過(guò)對(duì)口的檢測(cè)其高低電平實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)和心電信號(hào)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(shí)還可以調(diào)用語(yǔ)音播報(bào)子程序?qū)囟戎岛托穆手颠M(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。同時(shí)一旦心率不在設(shè)定范圍之內(nèi)，可以通過(guò)報(bào)警模塊來(lái)提示，提醒用戶注意自己身體。

　　主程序流程圖的設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步，它是我們?cè)O(shè)計(jì)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(gè)復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)分解為若干個(gè)功能模塊，然后逐一設(shè)計(jì)各個(gè)模塊的功能。

　　在主程序設(shè)計(jì)中我們先初始化，包括顯示模塊初始化等，然后通過(guò)判斷是高電平還是低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)是測(cè)量體溫還是測(cè)量人體的心率值。

　　.1 主程序流程圖

　　/@@***************************************************************************

　　下位機(jī)編程軟件：keil

　　程序?qū)崿F(xiàn)功能：

　　1、 單片機(jī)采集脈搏信號(hào)，AD轉(zhuǎn)換并計(jì)算心率值;

　　2、 將脈搏波形數(shù)據(jù)和心率值通過(guò)串口傳送到上位機(jī);

　　3、 使用LED模擬心臟跳動(dòng);

　　4、 使用數(shù)碼管和ISD1820模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示和語(yǔ)音播報(bào)

　　5、 使用蜂鳴器模塊對(duì)心率不正常時(shí)進(jìn)行報(bào)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(yǔ)音模塊ISD1820功能簡(jiǎn)介

　　ISD1820主要有三個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)：1 、錄音的開(kāi)始地址;2 、錄音的時(shí)間。把這兩個(gè)數(shù)據(jù)都控制了就可以控制錄音時(shí)把聲音錄到哪幾段里頭。注意：REC 信號(hào)將被延遲50ms 防止開(kāi)關(guān)抖動(dòng)引起重復(fù)觸發(fā)。在調(diào)用錄音子程序時(shí)只要給出錄音的開(kāi)始地址和需要錄音的時(shí)間就可以了。

　　電平控制放音子程序

　　電平控制放音中，開(kāi)始地址和播放時(shí)間也是必不可少的，只要控制了這兩個(gè)參數(shù)就可以確定播出內(nèi)容。不過(guò)需要注意的是播放的時(shí)候總是從一段的開(kāi)頭開(kāi)始播放的。當(dāng)需要分段播放控制時(shí)，錄音時(shí)每一個(gè)內(nèi)容的開(kāi)頭必須從一個(gè)段的開(kāi)頭開(kāi)始。在調(diào)用電平控制放音子程序時(shí)只要給出放音的開(kāi)始地址和放音的時(shí)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(jī)來(lái)控制放音的時(shí)間，只能夠控制放音的開(kāi)始地址。脈沖觸發(fā)放音開(kāi)始后就一直播放到遇到結(jié)束符或語(yǔ)音芯片的盡頭，所以一般在分段語(yǔ)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(shí)只要給出放音的開(kāi)始地址就可以了。

　　心率測(cè)量的程序設(shè)計(jì)

　　.1 心率測(cè)量程序設(shè)計(jì)

　　心率測(cè)量程序設(shè)計(jì)由兩部分構(gòu)成，前半段實(shí)現(xiàn)初始化，包括定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的初始化、設(shè)置堆棧指針以及開(kāi)中斷等。程序的后半段則是啟動(dòng)兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及調(diào)用顯示子程序和語(yǔ)音播報(bào)子程序來(lái)完成心率值的顯示和語(yǔ)音播報(bào)以及報(bào)警模塊。

　　.2 中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)

　　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);

　　}