基于單片機(jī)的脈搏測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)(共25頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上意義：醫(yī)院的護(hù)士每天都要給住院的病人把脈記錄病人每分鐘脈搏數(shù)，方法是用手按在病人腕部的動(dòng)脈上，根據(jù)脈搏的跳動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)。為了節(jié)省時(shí)間，一般不會(huì)作1分鐘的測(cè)量，通常是測(cè)量10秒鐘時(shí)間內(nèi)心跳的數(shù)，再把結(jié)果乘以6即得到每分鐘的心跳數(shù)，即使這樣做還是比較費(fèi)時(shí)，而且精度也不高。而該系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心，以紅外發(fā)光二極管和光敏三極管為傳感器，并利用單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部定時(shí)器來計(jì)算時(shí)間，由光敏三極管感應(yīng)產(chǎn)生脈沖，單片機(jī)通過對(duì)脈沖累加得到脈搏跳動(dòng)次數(shù)，時(shí)間由定時(shí)器定時(shí)而得。系統(tǒng)運(yùn)行中能顯示脈搏次數(shù)和時(shí)間，系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，能夠顯示總的脈搏次數(shù)和時(shí)間。目的：實(shí)現(xiàn)脈搏波的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)并可實(shí)

2、現(xiàn)與上位機(jī)( PC 機(jī)) 的實(shí)時(shí)通訊,作為多參數(shù)病人中心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)模塊完成心率檢測(cè)和脈搏波形顯示。2.1 光電脈搏測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)光電脈搏測(cè)量?jī)x是利用光電傳感器作為變換原件，把采集到的用于檢測(cè)脈搏跳動(dòng)的紅外光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，用電子儀表進(jìn)行測(cè)量和顯示的裝置。本系統(tǒng)的組成包括光電傳感器、信號(hào)處理、單片機(jī)電路、數(shù)碼顯示、電源等部分。1光電傳感器即將非電量(紅外光)轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它由紅外發(fā)射二極管和接收三極管組成，它可以將接收到的紅外光按一定的函數(shù)關(guān)系(通常是線性關(guān)系)轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的物理量(如電壓、電流或頻率等)輸出。2信號(hào)處理 即處理光電傳感器采集到的低頻信號(hào)的模擬電路(包括放大、濾波、整形

3、等)。3. 單片機(jī)電路即利用單片機(jī)自身的定時(shí)中斷計(jì)數(shù)功能對(duì)輸入的脈沖電平進(jìn)行運(yùn)算得出心率（包括AT89C51、外部晶振、外部中斷等）。4數(shù)碼顯示即把單片機(jī)計(jì)算得出的結(jié)果用8位LED數(shù)碼管靜態(tài)掃描來顯示，便于直接準(zhǔn)確無誤的讀出數(shù)據(jù)。5. 電源即向光電傳感器、信號(hào)處理、單片機(jī)提供的電源，可以是5V-9V的交流或直流的穩(wěn)壓電源。2.2 工作原理本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)AT89C51為控制核心，實(shí)現(xiàn)脈搏測(cè)量?jī)x的基本測(cè)量功能。脈搏測(cè)量?jī)x硬件框圖如下圖1.1所示：外部中斷信號(hào)光電傳感器低通放大器比較器和振蕩器單片機(jī)AT89C51數(shù)碼顯示電路外部晶振圖 1.1 脈搏測(cè)量?jī)x的工作原理當(dāng)手指放在紅外線發(fā)射二極管和接收三

4、極管中間，隨著心臟的跳動(dòng)，血管中血液的流量將發(fā)生變換。由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液飽和程度的變化將引起光的強(qiáng)度發(fā)生變化，因此和心跳的節(jié)拍相對(duì)應(yīng)，紅外接收三極管的電流也跟著改變，這就導(dǎo)致紅外接收三極管輸出脈沖信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大、濾波、整形后輸出，輸出的脈沖信號(hào)作為單片機(jī)的外部中斷信號(hào)。單片機(jī)電路對(duì)輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理后把結(jié)果送到數(shù)碼管顯示。硬件：第三章 基本元器件介紹3.1 AT89C51簡(jiǎn)介AT89C5l是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器(PEROM)和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM

5、)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大AT89CSl單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。3.1.1 AT89C51 的主要性能AT89C2051是ATMEL公司生產(chǎn)的帶2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)的8位單片機(jī),它具有如下主要特性，如圖1.2所示：（1）和MCS-51產(chǎn)品的兼容 （2）2K字節(jié)可重編程閃速存儲(chǔ)器 （3）耐久性：1,000寫擦除周期 （4）2.7V6V的操作范圍 （5）全靜態(tài)圖1.2 AT89C2051的結(jié)構(gòu)框圖 操作

6、：0Hz24MHz ·兩級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 ·128×8位內(nèi)部RAM ·15根可編程I/O引線 ·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 ·六個(gè)中斷源 ·可編程串行UART通道 ·直接LED驅(qū)動(dòng)輸出 ·片內(nèi)模擬比較器 ·低功耗空載和掉電方式·和MCS-51產(chǎn)品的兼容 ·2K字節(jié)可重編程閃速存儲(chǔ)器 ·耐久性：1,000寫擦除周期 ·2.7V6V的操作范圍 ·全靜態(tài)操作：0Hz24MHz ·兩級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 ·128×8位內(nèi)部RAM

7、·15根可編程I/O引線 ·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 ·六個(gè)中斷源 ·可編程串行UART通道 ·直接LED驅(qū)動(dòng)輸出 ·片內(nèi)模擬比較器 ·低功耗空載和掉電方式·和MCS-51產(chǎn)品的兼容 ·2K字節(jié)可重編程閃速存儲(chǔ)器 ·耐久性：1,000寫擦除周期 ·2.7V6V的操作范圍 ·全靜態(tài)操作：0Hz24MHz ·兩級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 ·128×8位內(nèi)部RAM ·15根可編程I/O引線 ·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 ·六個(gè)中斷源

8、·可編程串行UART通道 ·直接LED驅(qū)動(dòng)輸出 ·片內(nèi)模擬比較器 ·低功耗空載和掉電方式。3.1.2 AT89C2051的結(jié)構(gòu)框圖AT89C2051是一帶有2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)體(EEPROM)的低電壓,高性能8位CMOS微型計(jì)算機(jī)。如圖1.3所示。它采用ATMEL的高密非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造并和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。通過在單塊芯片上組合通用的CPL1和閃速存儲(chǔ)器,ATMEL AT89C2051是一強(qiáng)勁的微型計(jì)算機(jī),它對(duì)許多嵌入式控制應(yīng)用提供一高度靈活和成本低的解決辦法。圖1.3 AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖此外,從AT89C2

9、051內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖也可看出,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與8051內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致（除模擬比較器外）,引腳RST、XTAL1、XTAL2的特性和外部連接電路也完全與51系列單片機(jī)相應(yīng)引腳一致,但P1口、P3口有其獨(dú)特之處。3.1.3 AT89C2051的引腳說明AT89C2051是一個(gè)有20個(gè)引腳的芯片,與8051內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn),AT89C2051減少了兩個(gè)對(duì)外端口（即P0、P2口）,使它最大可能地減少了對(duì)外引腳,因而芯片尺寸有所減少。如表1.1所示：AT89C2051芯片的主要引腳功能為：1. Vcc：電源電壓。2. GND：地。 3. P1口：P1口是一8位雙向I/O口?？谝_P1.2P1.7提供內(nèi)部

10、上拉電阻。 P1.0和P1.1要求外部上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入(AIN0)和反相輸入（AIN1)。P1口輸出緩沖器可吸收20mA電流并能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示。當(dāng)P1口引腳寫入“1”時(shí),其可用作輸入端。當(dāng)引腳P1.2P1.7用作輸入并被外部拉低時(shí),它們將因內(nèi)部的上拉電阻而流出電流(IIL)。 P1口還在閃速編程和程序校驗(yàn)期間接收代碼數(shù)據(jù)。4. P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻的七個(gè)雙向I/0引腳。P3.6用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號(hào)并且它作為一通用I/O引腳而不可訪問。P3口緩沖器可吸收20mA電流。當(dāng)P3口引腳寫入“1”時(shí)

11、,它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時(shí),被外部拉低的P3口引腳將用上拉電阻而流出電流(IIL)。P3口還用于實(shí)現(xiàn)AT89C2051的各種功能,如下表10-1所示。P3口還接收一些用于閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。5. RST：復(fù)位輸入。RST一旦變成高電平,所有的I/O引腳就復(fù)位到“1”。當(dāng)振蕩器正在運(yùn)行時(shí),持續(xù)給出RST引腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平便可完成復(fù)位。每一個(gè)機(jī)器周期需12個(gè)振蕩器或時(shí)鐘周期。6. XTAL1：作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。7. XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。表1.1 P3口的功能端口引腳功能P3.0RXD(串行輸

12、入端口)P3.1TXD(串行輸出端口)P3.2INT0(外中斷0)P3.3INT1(外中斷1)P3.4TO(定時(shí)器0外部輸入)P3.5T1(定時(shí)器1外部輸入)從上述引腳說明可看出，AT89C2051沒有提供外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器與I/O設(shè)備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號(hào),因此利用AT89C2051構(gòu)成的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不能在AT89C2051之外擴(kuò)展存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備，也即AT89C2051本身即構(gòu)成了最小單片機(jī)系統(tǒng)。3.1.4 復(fù)位電路圖1.4復(fù)位電路圖時(shí)鐘電路工作后，在REST管腳上加兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，芯片內(nèi)部開始進(jìn)行初始復(fù)位，如圖1.4所示。3.1.5 振蕩電路圖1.5振蕩電路圖本設(shè)計(jì)晶振選擇頻率

13、為12MHz，電容選擇30pF如圖1.5所示。經(jīng)計(jì)算得單片機(jī)工作胡機(jī)器周期為：12×（1÷12M）=1us。3.2 光電傳感器簡(jiǎn)介光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。 光電傳感器是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號(hào)（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。 光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等；也可用來檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、

14、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。近年來，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用開創(chuàng)了新的一頁。在此次設(shè)計(jì)中我們采用的是光電傳感器中最常見普遍的光敏二極管做紅外接收二極管和光面三極管做紅外發(fā)送三極管。3.2.1光敏二極管光敏二極管是最常見的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個(gè)嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負(fù)載電阻相串聯(lián)，當(dāng)無

15、光照時(shí)，它與普通二極管一樣，反向電流很小（<&micro;A），稱為光敏二極管的暗電流；當(dāng)有光照時(shí)，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴，稱為光電載流子。在外電場(chǎng)的作用下，光電載流子參于導(dǎo)電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號(hào)。3.2.2光敏三極管光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外，還有對(duì)電信號(hào)放大的功能。光敏三級(jí)管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個(gè)極發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小

16、，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時(shí)集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。在無光照時(shí)管子流過的電流為暗電流Iceo=（1+）Icbo（很?。?，比一般三極管的穿透電流還?。划?dāng)有光照時(shí)，激發(fā)大量的電子-空穴對(duì)，使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流Ic=（1+）Ib，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。3.2.3光電傳感器檢測(cè)原理檢測(cè)原理是: 隨著心臟的搏動(dòng)，人體組織半透明度隨之改變：當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明度減小，當(dāng)血液流回心臟，組織半透明度則增大；這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯5。因此本設(shè)計(jì)將光敏二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的手指部位，經(jīng)過手指

17、組織的反射和衰減由裝在該部位旁邊的光敏三管來接收其透射光并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于手指動(dòng)脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動(dòng)變化，所以它對(duì)光的反射和衰減也是周期性脈動(dòng)的, 于是光敏接收三極管輸出信號(hào)的變化也就反映了動(dòng)脈血的脈動(dòng)變化。故只要把此電信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示9，即可實(shí)時(shí)的測(cè)出脈搏的次數(shù)。3.3 LED 的綜述在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，為了便于人們觀察和監(jiān)視單片機(jī)的運(yùn)行情況，常常需要用顯示器顯示運(yùn)行的中間結(jié)果、狀態(tài)等信息，因此顯示器也是不可缺少的外部設(shè)備之一。顯示器的種類很多，從液晶顯示、發(fā)光二極管顯示到CRT 顯示器，都可以與微機(jī)配接。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的顯示器主要有發(fā)光二極

18、管數(shù)碼顯示器，簡(jiǎn)稱LED 顯示器。LED 顯示器具有耗電省、成本低廉、配置簡(jiǎn)單靈活、安裝方便、耐振動(dòng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但顯示內(nèi)容有限，不能顯示圖形，因而其應(yīng)用有局限性11。3.3.1 LED 的結(jié)構(gòu)LED數(shù)碼管顯示器是由發(fā)光的二極管顯示字段組成的。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用最多的就是七段LED數(shù)碼管，有共陰極和共陽極兩種。七段LED數(shù)碼管顯示器有8個(gè)發(fā)光二極管，其中從ag管腳輸入顯示代碼，可顯示不同的數(shù)字或字符，Dp顯示小數(shù)點(diǎn)。共陰極LED數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管陰極，通常接地，當(dāng)發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。共陽極的LED數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管的陽極，通常接+5V電

19、源，當(dāng)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。本設(shè)計(jì)中采用的是4位七段共陽極數(shù)碼管顯示器，一共具有12個(gè)引腳，4個(gè)位選端，8個(gè)字選端。圖1.6中所示，1、2、3、4是位選端；ag、Dp是字選端。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1.7所示。圖1.6 4位數(shù)碼管引腳分布圖圖1.7 4位共陽極數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖3.3.2 LED數(shù)碼管的顯示方法靜態(tài)顯示方式是指當(dāng)顯示器顯示某一字符時(shí)，發(fā)光二極管的位選始終被選中。在這種顯示方式下，每一個(gè)LED數(shù)碼管顯示器都需要一個(gè)8位的輸出口進(jìn)行控制。由于單片機(jī)本身提供的I/O口有限，實(shí)際使用中，通常通過擴(kuò)展I/O口的形式解決輸出口數(shù)量不足的問題。靜態(tài)顯示主要的優(yōu)點(diǎn)是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管

20、導(dǎo)通電流一定的情況下顯示器的亮度大，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，在需要更新顯示內(nèi)容時(shí)，CPU才去執(zhí)行顯示更新子程序，這樣既節(jié)約了CPU的時(shí)間，又提高了CPU的工作效率。其不足之處是占用硬件資源較多，每個(gè)LED數(shù)碼管需要獨(dú)占8條輸出線。隨著顯示器位數(shù)的增加，需要的I/O口線也將增加。動(dòng)態(tài)顯示方式是指一位一位地輪流點(diǎn)亮每位顯示器（稱為掃描），即每個(gè)數(shù)碼管的位選被輪流選中，多個(gè)數(shù)碼管公用一組段選，段選數(shù)據(jù)僅對(duì)位選選中的數(shù)碼管有效。對(duì)于每一位顯示器來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。通過調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可以既保證亮度，又保證顯示。若顯示器的位數(shù)不大于8位

21、，則顯示器的公共端只需一個(gè)8位I/O口進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描（稱為掃描口），控制每位顯示器所顯示的字形也需一個(gè)8位口（稱為段碼輸出）。通過比較，我們可以發(fā)現(xiàn)LED動(dòng)態(tài)顯示更加適合本設(shè)計(jì)，所以就采用此方法。4.3.1放大器的介紹LM324 是四運(yùn)放集成電路，它采用14 腳雙列直插塑料封裝.它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖2.0所示的符號(hào)來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相反；Vi+

22、（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相同。LM324 的引腳排列見圖2.1。 圖2.0 圖2.1由于LM324 四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。第四章 基本結(jié)構(gòu)模塊4.1 脈搏波檢測(cè)電路傳感器由紅外發(fā)光二級(jí)管和紅外接收三極管組成。采用發(fā)光二極管作為光源時(shí)，可基本抑制由呼吸運(yùn)動(dòng)造成的脈搏波曲線的漂移。紅外接收三極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能，它的特性是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，紅外接收三極管和紅外發(fā)射二極管相對(duì)擺放以獲得最佳的指向特性。從光源發(fā)出的光除被手指組織吸收以外，一部分由血液漫反射返回，

23、其余部分透射出來。光電式脈搏傳感器按照光的接收方式可分為透射式和反射式2種8。其中透射式的發(fā)射光源與光敏接收器件的距離相等并且對(duì)稱布置，接收的是透射光，這種方法可較好地反映出心律的時(shí)間關(guān)系。因此本系統(tǒng)采用了指套式的透射型光電傳感器, 實(shí)現(xiàn)了光電隔離,減少了對(duì)后級(jí)模擬電路的干擾。結(jié)構(gòu)如圖1.8所示。圖1.8 透射式光電傳感器圖4.2 信號(hào)采集電路圖1.9是脈搏信號(hào)的采集電路，U3是紅外發(fā)射和接收裝置，由于紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強(qiáng)度就越大，所以對(duì)R21阻值的選取要求較高。R21選擇270同時(shí)也是基于紅外接收三極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R21過大，通過紅外發(fā)射二極管的

24、電流偏小，紅外接收三極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時(shí)的信號(hào)。反之，R21過小，通過的電流偏大，紅外接收三極管也不能準(zhǔn)確地辨別有脈搏和無脈搏時(shí)的信號(hào)。當(dāng)手指離開傳感器或檢測(cè)到較強(qiáng)的干擾光線時(shí)，輸入端的直流電壓會(huì)出現(xiàn)很大變化，為了使它不致泄露到U2B輸入端而造成錯(cuò)誤指示，用C8、C9串聯(lián)組成的雙極性耦合電容把它隔斷10。當(dāng)手指處于測(cè)量位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)二種情況：一是無脈期。雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是由于紅外接收三極管中存在暗電流，會(huì)造成輸出電壓略低。二是有脈期。當(dāng)有跳動(dòng)的脈搏時(shí)，血脈使手指透光性變差，紅外接收三極管中的暗電流減小，輸出電壓上升。但該傳感器輸出信號(hào)的頻率很低，如當(dāng)脈搏只有

25、為50次/分鐘時(shí)，只有0.78Hz，200次/分鐘時(shí)也只有3.33Hz，因此信號(hào)首先經(jīng)R22、C10濾波以濾除高頻干擾，再由耦合電容C8、C9加到線性放大輸入端。圖1.9 信號(hào)采集電路4.3 信號(hào)放大4.3.2 放大電路按人體脈搏在運(yùn)動(dòng)后跳動(dòng)次數(shù)達(dá)200次/分鐘的計(jì)算來設(shè)計(jì)低通放大器，如圖3.6所示。R23、C6組成低通濾波器以進(jìn)一步濾除殘留的干擾，截止頻率由R23、C6決定，運(yùn)放U2B將信號(hào)放大，放大倍數(shù)由R23和R27的比值決定。如圖2.2所示：圖2.2低通放大電路根據(jù)一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)，可得：放大倍數(shù)為：截止頻率為：按人體的脈搏跳動(dòng)為200次/分鐘時(shí)的頻率是3.3 Hz考慮，低頻

26、特性是令人滿意的。 4.4 波形整形部分波形整形電路如圖2.4所示，U2C是一個(gè)電壓比較器，C11、R29構(gòu)成一個(gè)微分器，U2A和C7、R32組成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，其脈寬由C7、R32決定。該比較器的閥值電壓可用R31調(diào)節(jié)在正弦波的幅值范圍內(nèi)，但是對(duì)R31的調(diào)節(jié)要求并不嚴(yán)格，因?yàn)閁2C的輸出信號(hào)（波形如圖2.5）經(jīng)C11、R29的微分后總是將正、負(fù)相間的尖脈沖（波形如圖2.6）加到單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器U2A的反向輸入端，不會(huì)造成很大的觸發(fā)誤差。當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，U2A在比較器輸入信號(hào)的每個(gè)后沿到來時(shí)輸出高電平，使C7通過R32充電。大約持續(xù)20ms之后，因C7充電電流減小而使U2A同相輸入端的電位降

27、低到低于反相輸入端的電位（尖脈沖已過去很久），于是U2A改變狀態(tài)并再次輸出低電平。這長(zhǎng)的脈沖是與脈搏同步的，并由紅色發(fā)光二極管DS3的閃亮指示出來。即發(fā)光二極管作脈搏測(cè)量狀態(tài)顯示，脈搏每跳動(dòng)一次發(fā)光二極管就亮一次。同時(shí)，該脈沖電平通過R24送到單片機(jī)/INTO腳，進(jìn)行對(duì)心率的計(jì)算和顯示。輸出波形如圖2.7所示。圖2.4 波形整形電路4.5 單片機(jī)處理電路如圖2.8所示，本部分運(yùn)用了ATMEL公司的89C51單片機(jī)作為核心元件，在這里運(yùn)用單片機(jī)能更快更準(zhǔn)確地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，而且可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行編程，所用外圍元件少，輕巧省電，故障率低。來自傳感和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機(jī)89C51的/I

28、NTO腳，單片機(jī)設(shè)為負(fù)跳變中斷觸發(fā)模式，故每次脈沖下降沿到達(dá)時(shí)觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行計(jì)時(shí)，來一個(gè)脈沖脈搏次數(shù)就加一；定時(shí)器中斷主要完成一分鐘的定時(shí)功能。單片機(jī)對(duì)一分鐘內(nèi)的脈沖次數(shù)進(jìn)行累加，通過P0、P2口把測(cè)量過程和結(jié)果送到數(shù)碼管顯示出來9。圖2.8 單片機(jī)處理電路4.6 顯示電路 本設(shè)計(jì)的顯示采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描來顯示。兩個(gè)4位的共陽極LED數(shù)碼管組成8位顯示，其中0、1兩位顯示測(cè)量中的時(shí)間，3、4兩位顯示測(cè)量中的脈搏次數(shù)，6、7兩位用來顯示上次測(cè)量的數(shù)據(jù)。單片機(jī)的P0口控制顯示字型，P2口控制顯示字位。顯示電路如圖2.9。圖2.9 顯示電路4.5 整體硬件電路設(shè)計(jì)電路的原理圖見圖3.

29、0。電路由傳感器電路、信號(hào)放大和整形電路、單片機(jī)電路、數(shù)碼顯示電路等部分組成。圖3.0 電路的原理圖傳感器主要由紅外線發(fā)射二極管和接收二極管組成，測(cè)量的原理如下：將手指放在紅外線發(fā)射二極管和接收二極管中間，隨著心臟的跳動(dòng)，血管中血液的流量將發(fā)生變化。由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液飽和程度的變化將引起光的強(qiáng)度發(fā)生變化，因此和心跳的節(jié)拍相對(duì)應(yīng)，紅外接收二極管的電流也跟著改變，這就導(dǎo)致紅外接收二極管輸出脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)由F1F3、R3R5、C1、C2等組成的低通放大器進(jìn)行放大，再經(jīng)由F4、R6、R7、C3組成的放大器進(jìn)一步放大，其輸出信號(hào)送給由F5、F6、RP1、R8等組成的施密特觸發(fā)器進(jìn)

30、行整形后輸出，輸出的脈沖信號(hào)作為單片機(jī)的外部中斷信號(hào)?？勺冸娮鑂P1用來調(diào)整施密特觸發(fā)器的閥值電壓，從而調(diào)整電路的靈敏度。AT89C2051、X1、R10、C5等組成單片機(jī)電路。單片機(jī)電路對(duì)P3.2輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理后把結(jié)果送到數(shù)碼管顯示。發(fā)光二極管VD3作脈搏測(cè)量狀態(tài)顯示，脈搏每跳動(dòng)一次發(fā)光二極管就點(diǎn)亮一次。數(shù)碼管DS1DS3、VT1VT3、R12R21等組成數(shù)碼顯示電路。本機(jī)采用動(dòng)態(tài)掃描顯示的方式，使用共陽數(shù)碼管， P3.3-P3.5口作三個(gè)數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描位驅(qū)動(dòng)碼輸出，通過三極管驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。P1.0-P1.6口作數(shù)碼顯示七段筆劃字形碼的輸出，用以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各字段。第五章 軟件系

31、統(tǒng)5.1 主程序流程系統(tǒng)主程序控制單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運(yùn)行, 它是單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)上電后,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化程序主要完成對(duì)單片機(jī)內(nèi)專用寄存器、定時(shí)器工作方式及各端口的工作狀態(tài)的設(shè)定。系統(tǒng)初始化之后, 進(jìn)行定時(shí)器中斷、外部中斷、顯示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序12。流程如圖3.1所示。圖3.1 主程序流程圖5.2 定時(shí)器中斷程序流程定時(shí)器中斷服務(wù)程序由一分鐘計(jì)時(shí)、按鍵檢測(cè)、有無測(cè)試信號(hào)判斷等部分組成。當(dāng)定時(shí)器中斷開始執(zhí)行后，對(duì)一分鐘開始計(jì)時(shí)，1s計(jì)時(shí)到之后繼續(xù)檢測(cè)下1s，直到60s到了再停止并保存測(cè)得的脈搏次數(shù)。同時(shí)可以對(duì)按鍵進(jìn)行檢測(cè)，只要復(fù)位測(cè)試值就可以重新開始

32、測(cè)試。主要完成一分鐘的定時(shí)功能和保存測(cè)得的脈搏次數(shù)。流程如圖3.2所示。圖 3.2 定時(shí)器中斷程序流程圖5.3 INT中斷程序流程外部中斷服務(wù)程序完成對(duì)外部信號(hào)的測(cè)量和計(jì)算。外部中斷采用邊沿觸發(fā)的方式，當(dāng)處于測(cè)量狀態(tài)的時(shí)候，來一個(gè)脈沖脈搏次數(shù)就加一，由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器控制一分鐘，累加得出一分鐘內(nèi)的脈搏次數(shù)。流程如圖3.3所示。圖 3.3 INT中斷程序流程圖5.4 顯示程序流程顯示程序包括顯示上次的脈搏次數(shù)、本次測(cè)量中的時(shí)間和脈搏的次數(shù)。從中斷程序中取得結(jié)果后，先顯示上次的脈搏次數(shù)，經(jīng)過10ms的延時(shí)后再顯示測(cè)試中的脈搏次數(shù)，再經(jīng)過10ms的延時(shí)顯示測(cè)試中的時(shí)間。流程如圖3.4所示。圖3.4

33、顯示程序流程圖5.5 軟件說明本程序采用C語言，程序的可讀性非常好。程序中對(duì)前一次測(cè)量的脈搏數(shù)據(jù)進(jìn)行了自動(dòng)保存，并且用數(shù)碼顯示。程序在執(zhí)行過程若發(fā)現(xiàn)有干擾則忽略該干擾而不顯示，進(jìn)一步減少讀入數(shù)據(jù)的誤差?？偨Y(jié)單片機(jī)近20年的飛速發(fā)展，儼然已成為計(jì)算機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要方面。另一方面，單片機(jī)應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過軟件方法來實(shí)現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。而51單片機(jī)作為單片機(jī)的主流，隨著集成技術(shù)的發(fā)展，51系列單片機(jī)繼承和發(fā)展了MCS-

34、51系列的技術(shù)特色，有逐漸取而代之之勢(shì)。本設(shè)計(jì)主要是51單片機(jī)在脈搏測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用。重點(diǎn)介紹了單片機(jī)的最小系統(tǒng)，通過單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了脈搏的測(cè)量系統(tǒng)，由光電傳感器采集到脈沖信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)的放大、濾波和整形電路將輸出的信號(hào)通過單片機(jī)的外部中斷獲取并最終在數(shù)碼管上顯示。利用單片機(jī)自身的定時(shí)中斷、外部中斷、計(jì)數(shù)等功能，不僅能顯示出此次脈搏測(cè)量的次數(shù)，還能自動(dòng)儲(chǔ)存這個(gè)數(shù)據(jù)。本次所設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、功能穩(wěn)定、使用方便，應(yīng)用廣泛，具有實(shí)際意義。由于時(shí)間比較短，同時(shí)本人掌握的知識(shí)有限，本次設(shè)計(jì)雖已完成，但其中有很多不足，如程序不夠簡(jiǎn)練，電路板不夠美觀，光電傳感器靈敏度不夠高，數(shù)碼管顯示部分不夠完

35、美等，同時(shí)此次設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x功能比較單一，沒有如語音系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)讀出脈搏次數(shù)等人性化功能，且在設(shè)計(jì)過程中使用的運(yùn)放數(shù)量也較多，加大了電源管理的復(fù)雜度。然而科技的進(jìn)步勢(shì)必會(huì)使測(cè)量?jī)x的功能日益強(qiáng)大和完善，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大，將會(huì)給我們的生活帶來更多的方便和精彩。為了更好的進(jìn)行電脈搏測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)，在近一個(gè)學(xué)期的時(shí)間里，認(rèn)真收集有關(guān)資料，并做相關(guān)的整理和閱讀，為這次的設(shè)計(jì)做好充分的準(zhǔn)備。經(jīng)過這次畢設(shè)，我收獲了很多，具體總結(jié)如下：（1）通過此次的設(shè)計(jì)，使我知道了無論做什么事都應(yīng)該事先做好充分的準(zhǔn)備，不應(yīng)該盲目的只為了完成任務(wù)而被動(dòng)的學(xué)習(xí)。（2）通過此次的設(shè)計(jì)，使我了解了脈搏測(cè)量?jī)x在國內(nèi)外發(fā)展之迅速、應(yīng)用領(lǐng)域之廣、市場(chǎng)前景之大。（3）通過此次的設(shè)計(jì)，使我對(duì)硬件設(shè)計(jì)和各模塊的功能有了更深的了解，同時(shí)提高了動(dòng)手能力。（4）通過次次的設(shè)計(jì)，使我體會(huì)到堅(jiān)持不懈的毅力對(duì)完成一件事情起著巨大的作用。（5）通過此次的設(shè)計(jì)，使我深刻的體會(huì)到團(tuán)隊(duì)合作精神的重要性及相互討論過程中的樂趣。專心-專注-專業(yè)參考文獻(xiàn)1. 歐陽俊.基于BL-410 的指端脈搏波采集系統(tǒng)應(yīng)用研究.2004.第11卷第2期2. 韓文波.光電式脈搏波監(jiān)測(cè)系統(tǒng).長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào).1999.第22卷第4期3. 朱國富，廖明濤，王博亮.袖珍式脈搏波測(cè)量?jī)x.電子技術(shù)應(yīng)用