心率测量仪已经广泛的应用在我们的生活中，比如运动手环等电子物品，他的原理是通过测试心跳频率，可以对人体的身心情况进行检查，常常被用于医院和和保健中心等。面前各种心血管疾病已成为全世界关注的热议话题，而心率作为血液循环系统总的重要一环节也渐渐成为人们的研究热点，为了提高心率测量仪的精准、简便的性能，所以本次将要选用51单片机做一个心率检测仪。
此次设计的系统是用STC89C52单片机为核心，光电传感器采用单片机系统的内部定时器来计算时间，由光电传感器感应产生信号。单片机则通过累积的信号获得心跳数，时间由定时器定时而得。在系统运行的过程中可以通过观察指示灯闪烁，若均匀闪烁说明测量值准确。系统停止运行时，能够显示总的心跳次数和时间，当心率超出设定的范围后，将由gsm模块强已设定好的求助号码发送一条求助短信。经测试，系统工作正常，达到设计要求。
拥有心率监测功能的单片机有着检测人体健康状况的功能，自从公元三世纪中国脉象科学最早的专着《脉象经》出版以来，脉象理论一直在不断地发展和完善。在四种中医诊治（外观，嗅觉，询问和切割）中，脉象诊断占据非常重要的位置。脉象诊断在中国是一种独特的诊断方式。它不仅有着悠久的历史，还能体现出中医的基本精神。因为脉象诊断是用手指测量脉搏的，所以有着方便，无痛等特点，这让患者更容易接受，但中医的脉象诊断也有不足之处，首先，这种手法看似简单，但却非常的深奥，不容易掌握，并且这种感知的脉象没有方法保存，记录，这或多或少会对治疗，以及脉搏机制的研究产生影响。脉搏诊断的定性和主观性极大地影响了其准确性和可行性，已成为中医脉搏诊断应用，也深深制约了中医的发展和交流。为了发扬中医药文化，促进脉冲诊断的应用和发展，必须与现代技术相结合，以实现更加科学，客观的诊断。
Vierordt早在1860年就建立了第一台杠杆式脉博记录仪。1950年代初，朱颜将脉搏记录仪引入到中医脉搏诊断的客观研究中。从那时起，随着机电技术的发展，中医脉搏仪的研究与发展在国内外迅速发展，特别是在1970年代中期，在天津，上海，与中国江西等地的多学科合作，将中医脉搏的研究工作推向了一个新的领域。脉博探头的组成部分是应变仪，压电晶体，单晶硅，光敏元件，PVDF压电薄膜等，其中单点应变仪使用最广泛。但是，近年来，它正在迅速发展为三部分的多点方向设计。
目前，心率测量仪已广泛应用于许多领域。除了在无创心血管功能检测，妊娠高血压病检测，中药脉搏状况，脉搏频率检测等医学领域的应用外，商业应用也在不断扩大。例如，运动和健身设备中的心率测试均使用高级心率测量仪。
医院的护士再为病人记录当天每分钟的心率时，是用手指压在病人的腕部动脉上，从而记录病人的心跳数，但为了节省时间，测量不会以每分钟为单位，而是测量病人十秒内的心跳，再把测量结果乘以六就可以得到每分钟的心率，但是这样测量存在很大的误差，可能会导致测量结果不准确。为了改善脉搏测量结果，脉博的精准度和测量速度，各种方便而又准确的心率测量仪逐渐在医学领域广泛应用，开辟了一种新的医学诊断方法。
随着科学技术的发展，心率测量的准确性越来越高。国内外已开发出不同类型的心率测量仪器，其重点是心率传感器的研究。首先，运动测量中使用的心率测试着重于接触传感器的研究。这种传感器开发的手指脉搏和耳搏脉搏的测量仪器各有优缺点。手指脉搏测量更方便，更简单，但是由于手指上的汗腺更多，因此污染可能会降低测量灵敏度，原因是终年手指夹上的汗腺更多；耳朵脉搏的测量是干净的，传感器对环境的污染较小，易于维护。但是，由于耳脉较弱，尤其是在季节变化时，被测信号明显受到环境温度的影响，导致测量结果不准确。过去，在中老年医院临床监测和日常保健中出现的日常监测仪器，例如便携式电子血压计，可以完成心率的测量，但是这种便携式电子血压计使用微型气泵来完成。压力橡胶气囊，每次测量都需要进行压力和减压的过程，这有一些缺点，例如体积大，添加和减压过程中的不适感，心率检测的准确性低等。
近年来，国内外致力于无创非接触式传感器的发展，这种传感器的一个重要特点是检测到的测量部分不会侵入机器本体，不会引起机器故障，可以消除误差。该仪器本身系统自动，测量精度高，通常在体外，特别是在表面间接测量人体的生理生化参数。
光电脉博传感器根据光电位移定律进入心率传感器，直通两端手指的透射率监测，间接检测脉搏信号具有结构简单，无损伤，可重复使用精度高的优点。通过心率测量仪研制的光电脉搏传感器已应用于临床医学等各个方面，并收到了理想的人体心室效果。
人的心室收缩期和舒张期周期性地导致主动脉收缩期和舒张期血压的形式是从主动脉根部的一波沿动脉系统扩散，这种脉动波提取的人类心理病理信息是从脉搏波中提取的临床依据，可以凭借临床依据来诊断和治疗，而且这种方法已经引起中外医学的关注。
心脏搏动的频率是否在正常范围与人的健康状态关系密切。心脏舒张程度可以识别人体的异常变化。特别是心血管疾病发生后，特别是老年人很容易引起其他各种类型的更随性并发症，所以心率监测仪对心脏病患者更加有意义，对心脏病患者进行心率监测，一旦发现异常，提醒患者及早就医，可降低死亡率。对日渐增多的年老体衰，乏人照顾的独居老人进行心率监测，并对异常情况及时报警，可提高生存机率，防止伤害无人知晓。
本课题设计的心率监测及报警系统利用Android平台开发一款心率监测和报警软件，结合具有蓝牙通信功能的硬件电路，实现对心率的监测。软件能够在心率异常时提醒患者，并通过手机自动向求助对象报警，以便能及时获得帮助。
(2) 能设定心率范围和求助电线) 对心率异常状态（超出设定范围、心律不齐等）能够提醒患者，并自动发送短信进行报警；
本设计主要由软件硬件两部分组成，硬件电路是由控制电路、光电传感器电路、显示电路、按键电路、报警电路、供电电路等几部分组成。系统通过光电传感器进行测量，在LCD上显示单片机接收到距离信息，同时再由RS232发送到PC机上，如果所测距离超过设定值，系统发出警报，系统总体结构如图2-2所示。
方案一：主控芯片采用STM32F103单片机。STM32F103单片机是目前应用比较广泛的32位单片机，这种单片机功能强大，内部有丰富的资源，同时它的开放性也很高，有自带的库函数，价格每10块到几百块不等，多应用与工业领域，电子领域。
方案二：采用AVR单片机。这种单片机是16位的单片机，而且芯片内配置各种资源，相对于的单片机多了很多的资源，同时它不需外接ADC，内部有多个定时器，价格与STC的单片机接近，但是资源相对匮乏，在某种程度上延长了开发时间[6]。
方案三：采用STC89C52系列单片机。这种单片机的优点主要是片内资源丰富，功能强大。它是8位控制的单片机，每次数据可以同时接受发送8位，相比其他单片机而言，一次只能发送一个字节，但52单片机在很多的嵌入式系统中都有很大的应用，且稳定性也很好，它的内部资源和寄存器都有很大的发挥余地，至今很多的设备还是用这种单片机作为主控芯片。
前两中单片机虽然比较强大，但是考虑到本课题是以经济、高效为核心思想，所以经过对比之后决定采用STC89C52单片机作为控制系统的芯片，光电模块则由52单片机进行控制。
使用压电传感器是可以提取人的脉博信号，压电传感器是一种利用一些电介质受力而产生的压电效应制作而成的传感器，压电效应是指所谓的某些介电体在一定方向上受到外力而变形（ 包括弯曲和拉伸变形），因为内部电荷发生的极化，所以可以通过这种现象在表面产生电荷，从而提取人的脉搏信号。
使用光电传感器来提取人体中的脉搏信号，而在人体的组织中，有血液组织和非血液组织（非血液组织包括：皮肤、骨骼、肌肉等），在非血液中对光的吸收是不变的，而在血液组织中动脉的搏动比静脉强很多，因此可想只要动脉充血就可以引起光透过手指的变化，所以想要测量人体的脉搏信号，只要测试在恒定波长的光照射下通过手指的光，就可以间接得脉搏信号的测量结果。
通过对光电传感器和压电传感器的综合比较，得出光电传感器测试效果更好，也更容易购买，因此在这里选择光电传感器来提取人体脉博信号。
采用LED数码管动态扫描，这种数码管价格适中，不显示更多的数字时数码管的使用会增加，连接会很麻烦，编程上也会相应的复杂。考虑到效率的因素不采用数码管显示。
采用点矩阵数字管显示，点矩阵数字管由八行，八列LED组成，在很多情况下都可以看到这种显示模式，但是在电子显示时间方面有些不合适，因为点矩阵显示具有 文本上的优势，但显示的数字的方面有着一定的劣势，因为它不直观，并且相比之下比较浪费，所以排除这种方案
采用LCD1602 LCD显示屏，目前这种显示屏在很多领域都比较流行，它可以显示两行，每行都有16个字符的文本或字符，表达清楚明确。与数码管显示相比，再直观程度上和亮度清晰度上都存在和多优势，并且现在液晶显示已成为主流，被人们普遍接受，符合大众口味。虽然对液晶这一块不是很了解，但通过看相关资料应该可以把硬件电路连好。
方案一：采用成品的电源DC-DC模块，这种模块很成熟，可以提供稳定的电压，模块内部还集成了保护电路，可以对设备进行保护，同时这种模块的效率很高，可以提供很稳定的电压。DC-DC原理图如2-3所示
方案二：采用线性电源电路，线性电源电路这种供电电路是很常见的，由其在嵌入式系统中，经常为系统提供稳定的电压，它的电路结构简单，稳定，而且有多种型号的芯片，例如LM7815、LM7812、LM7805等，通过简单的电容和变压器就可以将常用的交流电转换成5V的直流电。例图2-4所示为LM7815电路图
通过方案论证，最终优选线性电源，它不仅价格便宜，而且稳定可靠，它可以通过变压器将220V市电变成9V的交流电，交流电经过整流桥后变为直流电，直流电经过LM7805后就会变为5V的直流电，5V直流电用于给设计中的单片机进行供电，这种线性电路可以很好的屏蔽外部干扰，使系统稳定运行。
本章主要介绍了单片机、光电传感器、液晶显示器的选型，通过方案论证决定使用STC89C51系列单片机作为主控芯片，液晶部分使用的是ued运动科技LCD，这种液晶显示器可以显示字符和数字。可以通过液晶显示脉搏的变化和次数。
本章是系统的硬件电路设计，通过连接几个分电路，并实现各自功能，将各个分电路与单片机引脚相互连接起来，各个硬件电路的介绍如下，系统总电路图见附录3。
在系统中，微处理器控制各传感器进行数据采集、数据处理、液晶显示、通风/加热、报警、并通过RS232进行数据通信，最终将数据传输给上位机。单片机内部有16位的定时器，如图3-1所示。
（6）内部有128×8B的RAM，4×8个I/O口，T0和T1两个16位的定时器/计数器，而且内部还带有5个中断；
（7）空闲工作状态和掉电工作状态：单片机使用的是内部的振荡器和时钟计数电路。
（2）P0、P1、P2、P3为单片机的I/O口，一共有32个I/O口，部分I/O由复用功能，P0口如果作为数据口需加上拉电阻；
（4）OSC1、OSC2为晶振输入引脚，同时还需要外加22pF的瓷片电容；
（1）由10K电阻串联220uF的电容构成，由于电容器电压不能突变，因此可以得出结论，当系统首次上电时，复位引脚连接到高电平，并且在确定该高电平之前必须保持一定的时间，只有这样单片机才能判断出来，这个时间需要对电容计算得出的值来决定。在实际的电路中，单片机接收到RST脚的高电平，并这个电平需要持续24个时钟周期就可以把单片机复位复位，因此，适当设定电阻电容的取值就可以得到可靠的复位。如图3-2所示。
时钟电路：XTAL1和XTAL2晶体与外部，内部逆变器一起，通过该引脚输入脉冲信号，使用芯片内部振荡电路，通常最小的晶体振动值在1.2 MHz〜12 MHz之间，甚至可以使晶体达到24 MHz 或更高频率的振动，但是对应的频率越大它的功耗也会随之越大，在使用11.0592 MHz外部晶体和晶体振荡器的设计中，两个电容与晶体并联的大小，会对振荡频率有较小的影响，它们将产生频率至频率精细的频率。 如果使用石英晶体振荡器，则可以在20至40pf之间选择电容，但是此设计使用30pf。 如果使用陶瓷谐振器，则应适当增加电容。 通常在30至50pf之间，而通常选择的是33pf陶瓷电容器。如图3-3所示。
此部分电路的功能是由传感器将脉搏信号转换为电信号，一般为几十毫伏，必须加以放大，以达到整形电路所需的电压，一般为几伏。放大后的信号波形是不规则的脉冲信号，因此必须加以滤波整形，整形电路的输出电压应满足计数器的要求。选择电路：所选放大整形电路框图如图3-4所示。
该传感器使用红外光电转换器，其功能是通过将红外光照射到手指的血流上，将脉搏转换为电信号，其原理电路如图3-5所示。
如图3.9中，带有+ 5 v电源的红外管VD ST188，占用150ΩR1，R2Ω33 k，当人们将手指放在发光、光电二极管之间时，光电二极管接收信号强度会随着被测量者的脉搏强度而发生改变
图3-6为脉搏计的放大滤波信号，由于脉冲信号的输出信号很弱，一般处于uV电平，而输出信号一般会伴有比较强的噪声干扰，因此这里用LM358设置了放大器和滤波电路。
滤波后的放大脉冲信号为不规则脉冲信号，并且伴有低频干扰，也不满足计数器的要求，此处必须选用滞后电压比较器，如图3-7所示，其目的是为了提高集成运算放大器的抗干扰能力，将性能良好的LM358连接到LED用作指示心率状态
（2）读数据：输入RS=1，E=高脉冲，RW=1。输出：D0—D7为数据；
显示模块采用LCD1602字符型液晶模块，它是目前在工控系统中最常使用的液晶屏之一，LCD1602字符型液晶模块是点阵型液晶，驱动方便，经过编程后显示内容多样化。工作电压一般为4.5-5.5V，本设计中采用4.5V电源，工作电流2mA，容量16×2个字符，单片机通过P0口发送数据到LCD的并行接口，并通过控制RS、RW、R来进行读或者写，如果液晶上不能正常显示数据，可以通过调节滑动变阻器来调节对比度，单片机通过发送不同的数据来显示不同的信息，如图3-8所示。
报警电路主要是对一些设定的情况进行提醒，例如本设计中当单片机检测到前方物体与本身的距离的差值超过了设定值，在报警电路中，蜂鸣器驱动晶体管的基极与单片机的P1.7引脚相连。 单片机发出高电压时，蜂鸣器会报警。三极管为PNP9012，供电为5V线 电源电路设计
稳定可靠的电源电路是MCU系统的重要组成部分，而且本设计要求对精度比较高，所以对于电源的要求更加重要。此模块将日常常见的220V交流电转化为适合单片机的5V电源，电源模块电路如图3-10所示。
1．降压：在通过变压器转换主电源后，可以选择输出电压在7到9 V之间的电源。
2．整流：电压变化后的电源通过由四个整流二极管1N4007组成的整流桥，将交流电转换为直流电。
3．稳压：通过将三个稳压器电路7805的稳压器转换成5 V直流电源，提供给单片机系统使用
4．滤波：LM7805左侧的两个是降压后电源的滤波电容器，大电容旁边并联一个小电容的目的是降低高频内阻，整个电源电路都是围绕这种LM7805稳压芯片进行设计的，是一种串联的稳压电路，这样就可以为单片机提供安全且稳定的电源了。
在短信模块型号选择的时候，同样需要对于实际系统的需求进行探究，因此，选择了西门子发行的无线GSM模块。 从该模块的结构来看，它主要由基带处理器GSM射频模块、ZIF连接器天线接口、闪存、电源模块（ASIC）等组成。，此模块需要实现的效能有：做好系统中各种信息的传输工作，并且做好实际人机交互，发挥在信息和传真方面的效能。该模块的电压是限定的，其范围为3.3～4.8V。在AT指令集的帮助下，使得各种传真模式可以切实的发挥效能，再者还需要具备通信，漫游检测的能力。在常规状态下，电力使用是处于节能状态的，另外在性能，电源连接，操作说明，数据，语音信号，控制信号等过程中，还可以在40针ZIF连接器中设置DLE TALK模式，可以再次在ZIF连接器和50Ω天线连接器中实现有效传输， 借助SIM卡夹和天线连接由此切实的发挥其自身效能。在基带处理器选择上，是以TC35为核心的，其实际的处理对象有：语音信息，数据信号信息，继而切实的发挥模拟和数字的效能。在缺乏额外硬件电路的条件下，还可以对于多种语音编码实现识别，以增强其使用价值。