摘要：心率是指一定时间内心脏跳跃的次数，通常情况指一分钟跳动的次数，是我们临床
常规检查中的生理指标。心率监测系统现在在我们日常生活中已有了十分广泛的应用。通
常在医院都会检查一个人的心率，这样可以初步的确定一个人的健康状况。本课题设计是
设计一个可穿戴式的心率监测及显示系统。本系统以MSP430单片机为核心，红外发光二
极管与光敏三极管作为传感器，运用单片机系统的内部定时器可以计算时间，用光敏三极
管感知心跳脉冲，接着MSP430单片机会通过脉冲累加进而得到心脏跳的次数，在显示屏
上显示心脏跳动次数和时间及心电图。本系统实现了心率的监测与显示、测量还有报警提
心率是指我们人体心脏每分钟所跳动的次ued体育官网数，是反应心脏是否正常工作的一个重 要指
标，也是反映人体运动强度的生理指标。每个人跳动的次数是不同的，就算是同 一个人在
不同的环境和状态下，跳动的次数也会不同。一般，人在安静或者睡眠的情 况下心率较慢，
在运动、情绪不稳或者病情发作时心率过快。所以通过对心脏心率的 监测我们能很好的判
断出我们的心脏是否正常运作，是否患有那些潜在的心血管疾 病。而我们现今的社会压力
大，生活节奏快，很容易导致心律不齐，久而久之使不少 健康的人受到心脏类疾病的危害。
这类病使人的身体和心理上都带来痛苦。所以时常 检查心率，及早发现潜在的疾病，及早
心率携带有的信息对人体健康状况的反应是十分丰富的。自从在我国历史上最 早的脉
学著作《脉经》问世之后，脉学的理论得到了不断发展与提高。我们应该清 楚的知道在中医
中的四诊：望、闻、问、切，在脉诊中是具有十分非常重要的地位 的。它是可以说是我国
在传统医学中最最具特点的一项诊断的方法，它的历史非常 的就，而且内容也丰富，它是
中医的“整体观念”与“辨证论证”的精神的体现和 应用。值得自豪的是脉诊是“绿色无创”的诊
断的手法，这个手法得到了不少中外 人士的关注。中医中的诊脉是要靠手指来获取心跳的
信息的，这个手法虽然用起来 简便，对人体没有伤害，不会带来疼痛，比较容易呗患者所
接受，可是在长期的医 疗实践还是出现了一些问题，是存在不少缺陷的，例如不能精确的
在进入21 世纪以后，我们的科技在不断的发展，用到的电子产品也越来越多， 各种系
统的价格也越来越便宜。而各种产品所含的科技含量的比例却是越来越大， 更为重要的是
性能也越来越可靠。这让我们明白人们的日常生产及日常的生活在向 着高度的自动化与智
能化的方向前进。随着我们的国民经济的提高，人们生活的质 量在不断的提高，人们对于
自己的健康也越来越关注。可是在生活中我们面临的各 种各方面的压力使得我们的健康不
能时刻的得到很好的关注，所以对心率进行时刻 的监测回事一个很很好的方法，是一个解
心率监测是在医疗过程中不可少的。目前，许多的医院里已经有各种样式的心率 监测
的仪器，但是价格高，不能随时测，成本也相对较高。如若把心率监测的仪器缩 小体积，
降低制作的成本，能使操作简单，售价低，能使人们时刻监测自己的心率， 做成可穿戴的
心率监测仪器。这就使人们不需要经常跑医院，使我们更能方便的使用。 因此可穿戴式的
心率监测仪器使我们便捷的监测心率动态观察，对个人的保健具有重 要的意义。
因为科学技术的不断发展，心率监测的技术也会越来越变先进，所以对心率的测 量的
精度也会越来越高。因此对心跳的测量不再满足于人工测量或者是听诊器的测量 了，要明
白电子仪器的测量会渐渐的成为心率测量的主流。在国内外先后研究制造出 了各种不同类
型不同外形的心率监测的系统。虽然有这么多的系统其实最为关键的对 心率传感器的研究。
对心率的测量可以是通过瓷片式的压力传感器进行测量，这是用 测量得到的波动去确定心
率的，知道注意的是这往往会和测量血压的器件连在一起。 也可以是看心电图之中的相邻
波的波峰之间的间隙来确定心率。这两种方式在各大医 院中都要，可是它的成本会比较高，
而且体积会较大，还有就是不能用来方便的佩戴, 这会让使用的人感到不舒适。不过现在基
本上都采用光电容积法的这个方法，它的工 作原理是：用红光或者是红外光照射人体的皮
下组织，皮下组织中的血容量会根据 心脏的跳动以脉冲的形式流动，皮下组织的透明度会
变化，血液会吸收、反射、透射 光信号，使光信号转换为电信号，而电信号的变ued体育官网化周期就
应该是脉搏的跳动次数。 这个测量方法不仅简单、佩戴起来方便、而且还十分可靠。起初
用于体育测量的心率 测试仪主要集中在对接触式传感器的研究，利用此类传感器所研制的
指脉、耳脉等测 量仪各有其优缺点。指脉测量比较方便、简单，但因为手指上汗腺较多，
指夹常年使 用，污渍会使测量灵敏度下降；耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，
易维护, 但耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号易受环境温度影响，造成测量结果不
准 确。过去在医院临床监护和中老年保健中出现的日常监护仪器，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利用微型气泵加压橡胶气囊，每次 测量都
需要一个加压和减压的过程，存在体积庞大、加减压过程造成不适、心率检测 的精确度低
近年来国内外致力于开发无创非接触式传感器，这类传感器的重要特征是测量探 测部
分不侵入机体，不会造成机体创伤，能够自动消除系统误差，测量精度高，通常 在体表间
人体心室周期性的收缩和舒张引起主动脉的收缩和舒张，是血压以波的形式从主 动脉
根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波成为心率波。从心率波中提取人体的病 理信息作
为临床诊断和治疗的依据，历来都受到了中外医学界的重视。心率波所呈现 出的形态（波
形）、强度（波幅）、速率（波速）和节律（周期）等方面的综合信息，在很大程 度上反映
出人体心血管系统中许多病理的血流特征，因此对心率波采集和处理具有很 高的医学价值
和应用前景。但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频弱信号，心 率波信号更是低频
国外可穿戴式的心率监测仪器方面的研究已经取得了不错的进步，有AMON碗式 健康
与预警网络监护仪器，MyHeart 心血管疾病监测智能穿戴系统，LifeShirt 生命 衫。这几样
是具有代表性的研究成果。还有使用导电、压电材料的心电和呼吸率监测 系统，它把传感
国内虽然对可穿戴式心率监测方面的研究起步较晚，但是通过深入的研究不断地 努力。
也取得了不少优秀的研究成果。例如构建脉搏波即血氧饱和数学分析模型，利 用红光或是
近红外光双波长半导体激光差分吸收方法，实现对血氧饱和度的测量。总 体来说，因为生
根据要求设计一个可穿戴式的心率监测仪器，其应具有心率监测、心电图显示、 报警
等功能。因此通过查阅相关的资料，提出一种以 MSP430 为控制核心，并结合光 电传感器，
滤波放大电路，报警电路，显示器，键盘电路实行控制，通过对已有资料 的研究，现拟采
通过光电传感器检测到的信号，经滤波放大电路进入单片机进行计算，在显示器 上进
行显示，与预设值进行比较低于或超过预设值得情况及时发出警报。其原理如图 1 所示。
可穿戴式的心率监测及显示系统的设计，要知道的是怎样去采集人体因为心率的 变化
而引发的某些生物信号，接着是把生物信号转化成为较易明白的物理信号，通过 这些变化
的物理信号能清楚明白的反应出心率的变化，这样才能得出每一分钟的心跳 的次数，想要
完成这些就要借助相对应的硬件电路和一些芯片来对转化得到的物理量 进行处理并存储心
这个设计主要是有信号采集电路、信号的放大电路、低通滤波电路、陷波电路、 单片
方案一：可采用ARM处理器对数据进行处理，ARM处理器的优点是处理数据 的比较
高，端口相对要较多，能处理多个的任务。可是ARM处理器的价格较高，想 要入门会比较
困难，很难去熟练的掌握，学习所花费的周期会比较长，而这个系统要 处理的数据不是很
方案二：可采用应用较为广泛的MSP430 处理器，MSO430 单片机的优点是运用 的比
较广泛，能用来学习的资料会比较多，可以自主的学习与和握，而且与ARM处 理器的资料
相比 MSP430 单片机的图书与教材会比较多，而且学习的资料较易获取， 最重要的是价格
方案一：运用压电式的陶瓷片来测量脉搏的跳动从而采集到信号，在心脏跳动的 时候，
人体手腕处的脉搏与颈部处的脉搏会比较明显，所以把压电传感器的测得的信 号转变成脉
方案二：运用光电传感器来采取心率信号，光电传感器是由发光二级管与光敏三 极管
两个元件组成的，它的工作原理为：从发光二极管开始，它发出的光会透射过手 指，光敏
三级管就会接受透射过手指组织经血液吸收与衰减透射光。心脏的跳动是有 规律的，所以
手指中的动脉血会在血液循环的过程中呈现出一定的周期性。因为动脉 血的周期脉动变化，
它对光的吸收与衰减也会是周期性的脉动的。这样根据光敏三极 管的输出信号的变化就能
对两个方案进行比较，方案二操作起来比较方便，只需要待测人的一个手指就可 以的
方案一：可采用由LED构成的三位一体的数码管来显示，不仅能够实现显示的 要求，
方案二：采用12864 字符型的LCD液晶显示屏，它是价格较低的一款的液晶显 示屏。
它的优点是能够实现多功能显示，具有超薄轻巧、功耗特别小、显示内容丰富、 体积小等
当待测人的手指放在红外的发光二极管与接收三极管之间的时候，人体组织的半 透明
度会随着心脏的跳动而发生相应的变化。因为把手放在发光二极管与接收三极管 之间就会
影响光的传递，手指血管中血液的饱和度会随着血液循环的变化而变化所以 会对透过手指
的光的强度造成影响，这心跳的频率是相对应，通过这些变化接收三极 管的电流也会跟着
发生改变，这样就会是红外的接收三极管会输出脉冲信号。输出的 信号在经放大，滤波，
整形之后送入单片机中进行计算及显示，这样就达到了本次设 计的目的：能实时的检测心