數(shù)顯式脈搏計的設(shè)計

1、數(shù)顯式脈搏計的設(shè)計摘要：脈搏波所呈現(xiàn)出來的形態(tài)、強度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息，能反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理疾病的血流特征。根據(jù)人體脈搏信號特征，本文設(shè)計了一種脈搏波動頻率測量系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過脈搏傳感器采集脈搏信息輸出電壓信號，經(jīng)信號放大電路對其進行放大。然后，將放大后的脈搏信號通過電壓基準(zhǔn)變化電路和過零比較器轉(zhuǎn)換為單片機易于處理的脈沖信號。通過單片機編程對脈沖信號進行處理，實現(xiàn)對脈搏波動頻率的測量和計算，最終在LED中直觀地顯示出來。通過調(diào)試，表明本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對脈搏波動頻率的測量，為醫(yī)生的診斷提供客觀依據(jù)，具有一定的臨床應(yīng)用價值。本文首先描述本設(shè)計的整體思路，然后介紹各個部分設(shè)計中的

2、細節(jié)問題，最后提出一些完善本設(shè)計的改進意見。關(guān)鍵詞: 人體脈搏信號，單片機，頻率測量第1章 緒論1.1 中醫(yī)脈象研究的意義脈診在中醫(yī)“望、聞、問、切”四診中占很重要的地位，原因有以下幾點：首先，脈診可以辨別病情。通過不斷總結(jié)，歸納出各種脈象。這種辨脈綱領(lǐng)，便于與臨床辨別癥狀結(jié)合起來，使醫(yī)生能正確地掌握病情。其次，脈診可以闡述病機。病機是指疾病發(fā)生發(fā)展的原理，說明疾病過程中的陰陽、表里、寒熱、虛實屬性及其相互關(guān)系。由于脈象隨著病機的變化而變化，而且常出現(xiàn)在其他癥狀之前。所以，脈診是辨析病情、推測病機的一個重要內(nèi)容。及時觀察脈象的動態(tài)，就可以掌握疾病的特性及其變化的規(guī)律。最后，脈診可以指導(dǎo)治療。脈

3、診對明辨病機，確定治療的方法、選方用藥有著舉足輕重的作用?？梢苑乐拐`診或誤治，避免醫(yī)療事故的發(fā)生。通過診脈判斷病情的輕重，觀察療效的好壞，及時接受脈象反饋的信息，隨時修正原有的診療方案，采取有力的治療措施，使疾病早日康復(fù)1。從近代醫(yī)學(xué)的角度來看，人體循環(huán)系統(tǒng)承擔(dān)著協(xié)調(diào)全身各組織的能量代謝，輸送氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)，運走代謝廢物等重要的工作，還承擔(dān)運送抗體、激素等物質(zhì)以協(xié)調(diào)整體的動態(tài)平衡。從整體的角度對疾病進行綜合分析，顯然循環(huán)系統(tǒng)的信息將占很重要的比重；從整個循環(huán)系統(tǒng)來看橈動脈介于大動脈與小動脈之間，由于心臟的舒縮、內(nèi)臟血容量的變化、血管端點阻抗、管道內(nèi)脈波的反射、血液的粘滯性、血管壁的粘彈性等因素

4、使脈象攜帶著有關(guān)心臟運動、內(nèi)臟循環(huán)、外周循環(huán)等豐富的心血管系統(tǒng)及整體的動態(tài)信息。因此脈診的臨床意義很大，它的機理是急待于我們進行研究的。1.2 中醫(yī)脈診客觀化研究的概況脈象探頭式樣很多，有單部、三部、單點、多點、剛性接觸式、軟性接觸式、氣壓式、硅杯式、液態(tài)汞、液態(tài)水、子母式等組成脈象探頭的主要原件有應(yīng)變片，壓電晶體、單晶硅、光敏元件、PVDF壓電薄膜等，其中以單部單點應(yīng)變片式為最廣泛，不過近年來正在向三部多點式方向發(fā)展。研制者探頭形式（單部）探頭形勢（三部） 北京醫(yī)療器械廠 MX-1型（應(yīng)變片） BYS-14型（應(yīng)變片） 上海醫(yī)療儀器研究所 MX-3型，MX型（7點式） 3MX-1型（應(yīng)變片）

5、 天津醫(yī)療儀器研究所 MTY-A（寸部7點，應(yīng)變片） 上海中醫(yī)學(xué)院 ZM-1型（子母式，應(yīng)變片） 九路型（徑向7點，軸向3組） 貴州省脈象協(xié)作組 ZH-I型（應(yīng)變片） ZH-II型，軸向徑向均可調(diào)節(jié) 西安交通大學(xué) 圓形氣囊加壓式（7點） 上海中醫(yī)研究院 橫向線列式九道（應(yīng)變片） 浙江大學(xué) 63點（PVDF壓電薄膜） 大連201醫(yī)院 DhGZ（氣導(dǎo)微壓式） 西苑醫(yī)院 壓電晶體 江西脈圖協(xié)作組 MX-811型（液態(tài)泵） 中科院基礎(chǔ)所 硅杯式（單晶硅） 中科院智能機械所 軟接觸式（應(yīng)變片，液態(tài)） 湖南省中醫(yī)學(xué)院 血管容積式（光敏元件） 湖南省中醫(yī)研究院 阻抗儀 中國臺灣 汪叔游 三部壓力換能器 美國

6、 Dr. Laub （壓電晶體） 三部手套力與壓力復(fù)合式 德國 Park. H.S 三部綁帶充氣加壓 日本 谷美智士 半導(dǎo)體應(yīng)變片式 表1-1 脈象儀的研制情況1.3 主要完成的任務(wù)及設(shè)計思想本設(shè)計完成對脈搏信號的采集及對脈搏波波形的顯示。但由于本人能力有限，本設(shè)計中主要完成脈搏波動頻率，即每分鐘脈搏跳動次數(shù)的測量及顯示，為脈診的客觀化打下基礎(chǔ)。將脈搏信號通過脈搏傳感器采集、信號放大電路、過零比較器，然后經(jīng)單片機處理系統(tǒng)處理得到每分鐘脈搏跳動次數(shù)，最后在顯示電路中直觀地顯示出來。本設(shè)計主要完成的內(nèi)容有：1、脈搏傳感器的選型。脈搏傳感器的精度、靈敏度、抗干擾能力及安裝方式?jīng)Q定了脈搏測量精度，因此

7、其選型對整個設(shè)計具有決定性的作用。2、系統(tǒng)硬件設(shè)計。脈搏傳感器出來的信號幅值較低，所以，脈搏傳感器出來的信號首先應(yīng)進行放大。然后，將脈搏信號通過電壓基準(zhǔn)變化電路和過零比較器轉(zhuǎn)換為單片機易于處理的脈沖信號。本設(shè)計作為一個簡單脈搏測量儀，需給出脈搏波動頻率，所以還需要設(shè)計單片機微處理系統(tǒng)及顯示部分硬件電路。3、系統(tǒng)軟件設(shè)計。本設(shè)計需給出脈搏波動頻率，所以需要對單片機進行編程，以實現(xiàn)對脈搏波動頻率的測量、計算及顯示。第二章：主要介紹脈搏波動頻率測量系統(tǒng)硬件原理框圖及軟件實現(xiàn)方案，并通過比較硬件電路組成部分和軟件部分各種實現(xiàn)方案，最終確立最佳方案。第三章：介紹以單片機AT89S51為信息處理核心的脈搏

8、波動頻率測量的硬件設(shè)計電路，詳細分析各單元的硬件電路，并給出相關(guān)電路原理圖。第四章：根據(jù)儀器的硬件構(gòu)成和功能要求，給出相應(yīng)的軟件設(shè)計及主要程序流程圖 第2章 脈搏波動頻率測量系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1 系統(tǒng)硬件電路方案本設(shè)計中，脈搏波動頻率測量的實現(xiàn)是通過脈搏傳感器采集脈搏信息輸出電壓信號，經(jīng)信號放大電路對其進行放大。然后，將放大后的脈搏信號通過電壓基準(zhǔn)變化電路和過零比較器轉(zhuǎn)換為單片機易于處理的脈沖信號。通過對單片機進行編程來實現(xiàn)對脈搏波動頻率的測量和計算，最終在顯示電路中直觀的顯示出來。硬件原理框圖如圖2-1:信號放大電路脈搏傳感器顯示電路單片機處理電路過零比較電路電壓基準(zhǔn)變化電路圖2-1 脈搏

9、測量系統(tǒng)硬件原理框圖由圖2-1可知，本系統(tǒng)硬件部分主要由以下部分構(gòu)成：脈搏傳感器部分、信號放大電路部分、電壓基準(zhǔn)變化電路部分、過零比較器部分、單片機處理電路部分及顯示電路部分。其中各部分實現(xiàn)功能如下：1、脈搏傳感器部分。選用合適的脈搏傳感器，將脈搏信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。脈搏傳感器的精度、靈敏度、抗干擾能力及安裝方式?jīng)Q定了脈搏測量精度，因此其選型對整個設(shè)計具有決定性的作用。2、信號放大電路部分。脈搏傳感器出來的電壓信號較弱，一般在毫伏級，需要進行放大。所以，設(shè)計信號放大電路，將脈搏傳感器出來的信號進行放大，使之成為一個幅值適當(dāng)?shù)男盘枺阌诤罄m(xù)電路的處理。3、電壓基準(zhǔn)變化電路部分。放大后脈搏信號在

10、一個周期內(nèi)，有多個零值，不便于對脈搏波動頻率進行測量。通過電壓基準(zhǔn)變化，將脈搏基準(zhǔn)下調(diào)，使其在一個周期內(nèi)，只有兩個零值，便于后續(xù)電路的處理。4、過零比較器部分。單片機是數(shù)字信號處理工具，輸入單片機的信號必須是離散的數(shù)字信號或者是脈沖信號。過零比較器就用于把周期性脈搏信號變?yōu)槊}沖信號，便于單片機處理。5、單片機處理電路部分。本設(shè)計作為一個簡單脈搏測量儀，最后需給出脈搏波動頻率，以單片機作為信息處理中心，通過對單片機進行編程，完成信號輸入檢測、信息分析處理及信息顯示。6、顯示電路部分。單片機處理得到的脈搏波動頻率信息，最后在顯示電路中直觀地顯示出來。所以，需要選用合適的顯示設(shè)備及顯示電路，來實現(xiàn)對

11、脈搏波動頻率信息的顯示。2.1.1 脈搏傳感器的選擇傳感器又稱為換能器、變換器等。脈搏傳感器是脈搏檢測系統(tǒng)中重要的組成部分，其基本功能是將切脈壓力和橈動脈搏動壓力這樣一些物理量(非電量)轉(zhuǎn)換成為便于測量的電量。脈搏傳感器的精度、靈敏度、抗干擾能力及安裝方式?jīng)Q定了脈搏測量精度，因此其選型對整個設(shè)計具有決定性的作用。目前，脈搏信號的測量方式主要有：1、光電脈搏波傳感器。血管不受壓力時，血流均勻，反射光也比較均勻，故傳感器無脈搏信號輸出；當(dāng)血管受壓血液不流動時，傳感器也無輸出信號；只有當(dāng)血管受到擠壓，血管中的血液斷續(xù)流動時，反射光也隨之變化，這時傳感器輸出脈搏信號，達到了測量脈搏的作用。這種傳感器的

12、特點是結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、抗干擾能力強，主要用于測量脈搏的跳動次數(shù)。人體不同部位的脈搏波波形存在差異，光電脈搏波傳感器不適合用于提取不同部位的脈搏波信號。 2、力傳感器測量。其測量原理是，將測力傳感器的受力端壓在人體橈動脈處，模仿人的指頭。這種方式通常采用壓阻式傳感器，它具有抗干擾能力強的特點，但由于動脈血管產(chǎn)生的力很小，故量程小，抗沖擊力不強。3、脈搏信號還表現(xiàn)為皮膚振動，因此可以用加速度傳感器進行檢測，其特點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、波形測量精度較高。本設(shè)計中，采用第三種脈搏傳感器，即基于由脈搏跳動引起皮膚振動而研制的脈搏傳感器。其型號選擇了生物醫(yī)學(xué)工程實驗室的MP100型壓電式脈搏傳感器。它是

13、上海洪聯(lián)公司生產(chǎn)的，該產(chǎn)品具有使用方便、性能穩(wěn)定、體積小巧、性價比高等特點。其主要技術(shù)指標(biāo)：1) 頻率響應(yīng)1500HZ 2) 無源 3) 輸出電纜二芯 4) 外型尺寸Ø16.5*62.1.2 信號放大電路的選擇脈搏傳感器出來的電壓信號較弱，一般在毫伏級，需要對其進行放大。所以，設(shè)計信號放大電路，將脈搏傳感器出來的信號進行放大，使之成為一個幅值適當(dāng)?shù)男盘?，便于后續(xù)電路的處理。MP100型壓電式脈搏傳感器輸出電壓大約為-10mv40mv，在后續(xù)電路中需要將其通過過零比較器，轉(zhuǎn)換為脈沖信號，只要將其放大100倍，就可以滿足后續(xù)電路處理的要求。同時，要求放大電路有較高的輸入阻抗。同相比例放大

14、電路簡單、實用、焊接方便，相對反相比例放大電路而言，具有更高的輸入阻抗，而且價格便宜，所以，本設(shè)計選擇了同相比例放大電路。可以組成同相比例放大電路的運算放大器件有很多，比如LM324，OP07等。1、LM324。LM324是四運放集成電路，價格很便宜，但經(jīng)實驗測試，LM324放大的效果卻不是很理想，所以，最終沒有選LM324。2、OP07。OP07是一種高精度單片運算放大器，具有很低的輸入失調(diào)電壓和漂移，特別適合作前級放大器，放大微弱信號。使用OP07一般不用考慮調(diào)零和頻率問題就能滿足要求。而且，OP07的價格便宜。所以，從性能價格方面綜合考慮，最后本設(shè)計選擇了OP07。2.1.3 單片機的選

15、擇本設(shè)計作為一個簡單脈搏測量儀，最后需給出脈搏波動頻率。以單片機作為信息處理中心，通過對單片機進行編程，完成信號輸入檢測、信息分析處理及信息顯示。51單片機51單片機是INTEL公司生產(chǎn)的。它具有結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，易于開發(fā)的特點。通用型，有總線擴展，有較強的位處理功能，有全雙工異步串行通信口。但是其功能相對較少，訪問外部數(shù)據(jù)有瓶頸，作電壓范圍窄。本設(shè)計中，單片機只需要對脈搏信號的波動頻率進行測量、計算和顯示，對單片機的要求不是很高。而對51單片機，本人比較熟悉，所以，本設(shè)計中選擇51單片機作為信息處理中心。在51系列單片機中，AT89系列單片機是美國ATMEL公司推出的一種新型高性能低價位、

16、低電壓低功耗的8位CMOS微型計算機。AT89S51就是其中一款，它可以完全滿足本設(shè)計的設(shè)計要求，而且，AT89S51的價格較低。2.2 系統(tǒng)軟件方案選擇2.2.1 脈搏波動頻率測量方案的選擇通過放大電路、電壓基準(zhǔn)變化電路及過零比較器出來的信號為脈沖信號。脈沖信號的頻率是指在單位時間內(nèi)由信號所產(chǎn)生的交變次數(shù)或脈沖個數(shù)，即fx=N/t?？梢钥闯鰷y量fx必須將N或t兩個量之一作為閘門或基準(zhǔn)，對另一個量進行測量。對于不同的頻率范圍，有三種不同的測量方法。1、周期測量法：適用于低頻信號。采用單片機內(nèi)的一個定時/計數(shù)器，以單片機內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)機器周期作為標(biāo)準(zhǔn)時基信號Ts。被測信號的周期作為信號閘門，由程序控制

17、開關(guān)對時基進行計數(shù)得nx，因此被測信號周期為Tx=nx×Ts，每分鐘脈搏跳動次數(shù)為N=60/Tx。2、多周期同步法：適用于中頻信號。其特點是標(biāo)準(zhǔn)頻率信號不是用來填充待測信號的周期，而是與待測信號分別輸入到兩個計數(shù)器進行同步計數(shù)。3、頻率測量法：適用于高頻信號。充分利用單片機內(nèi)的兩個定時/計數(shù)器，一個作為定時器，給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號，另一個作為計數(shù)器。人體脈搏波動頻率一般為6080次/min，其頻率成分主要分布在020Hz之間，屬于次聲，最高頻率不超過40Hz，一般情況下為1Hz左右，屬于低頻信號。所以，本設(shè)計中選擇周期測量法。2.2.2 單片機工作方式的選擇單片機數(shù)據(jù)傳送方式一般有以下幾

18、種：1、查詢方式：由于CPU與外設(shè)之間存在時序、速度等差異，在數(shù)據(jù)傳送前必須檢測接口狀態(tài)，探查外設(shè)是否數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。查詢方式優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，硬件開銷??；缺點是CPU在整個傳送過程中需要不斷檢測外設(shè)狀態(tài)，由于CPU的速度遠遠高于外設(shè)，因此通常處于等待狀態(tài)，工作效率很低。2、中斷方式：CPU無需檢測外設(shè)是否數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，不占據(jù)CPU時間，因此CPU與外設(shè)并行工作，提高了CPU的工作效率，還滿足了外設(shè)的實時要求。本設(shè)計中，只對過零比較后的脈沖信號進行頻率計算，CPU工作不是很繁忙，可以選擇查詢方式。2.2.3 顯示電路方案的選擇脈搏信號經(jīng)過單片機處理，得到脈搏波動頻率之后，需要在顯示電路中直觀地顯示

19、出來。所以，需要選用合適的顯示設(shè)備及顯示電路，來實現(xiàn)對脈搏波動頻率信息的顯示。人體脈搏信號從時域上看，是一個周期性較強的準(zhǔn)周期信號。脈搏波動頻率一般為6080次/min。本設(shè)計中，設(shè)定顯示的每分鐘脈搏跳動次數(shù)誤差不超過1次，顯示位數(shù)為2位?？梢赃x擇7段LED數(shù)碼顯示器來對脈搏波動頻率信息進行顯示。它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長、使用方便等特點，使用非常廣泛。它由若干個發(fā)光二極管組成，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點或一個筆畫發(fā)亮。控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種數(shù)字或字符。LED常用顯示方法有兩種：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。1、靜態(tài)顯示：所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示器都要占用

20、單獨的具有鎖存功能的 I/O接口用于筆劃段字形顯示。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機中CPU的開銷小，較小的電流能得到較高的亮度且字符不閃爍。靜態(tài)顯示適用于顯示器位數(shù)較少時。2、動態(tài)掃描顯示：所謂動態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點亮顯示器各個位（掃描），對于顯示器的每一位來說，每隔一段時間點亮一次。利用人的視覺暫留功能可以看到整個顯示，但必需保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。當(dāng)顯示位數(shù)較多時，用靜態(tài)顯示所需的I/O太多，一般采用動態(tài)顯示的方法。本設(shè)計中，顯示的脈搏波動頻率位數(shù)取2位，顯示位數(shù)少，所以，選擇

21、靜態(tài)顯示。第3章 脈搏波動頻率測量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計本設(shè)計中，脈搏波動頻率測量的實現(xiàn)是通過脈搏傳感器采集脈搏信息輸出電壓信號，經(jīng)信號放大電路對其進行放大。然后，將放大后的脈搏信號通過電壓基準(zhǔn)變化電路和過零比較器轉(zhuǎn)換為單片機易于處理的脈沖信號。通過對單片機進行編程來實現(xiàn)對脈搏波動頻率的測量和計算，并在顯示電路中直觀的顯示出來。為達到電路低成本、結(jié)構(gòu)簡單實用的設(shè)計目的，從設(shè)計要求出發(fā)，設(shè)計了信號放大電路、電壓基準(zhǔn)變化電路、過零比較器，單片機處理電路及LED顯示電路等。本章對各部分電路的設(shè)計進行詳細論述與分析。3.1 信號放大電路部分的設(shè)計脈搏傳感器出來的電壓信號較弱，在毫伏級，需要對其進行放大。所以

22、，設(shè)計信號放大電路，將脈搏傳感器出來的信號進行放大，使之成為一個幅值適當(dāng)?shù)男盘枺阌诤罄m(xù)電路的處理。本設(shè)計中采用的是由OP07組成的同相比例運算放大電路，電路原理圖如圖3-1： 圖3-1 同相比例運算放大電路從圖 3-1中可以得到： V+=V-=Vi1 （3-1） Vo1-Vi1R2=Vi1R1 （3-2） Vo=1+ R2R1Vi1 （3-3） Avf=Vo1Vi1=1+ R2R1 （3-4）MP100型壓電式脈搏傳感器輸出電壓大約為-10mv40mv，在后續(xù)電路中需要將其通過過零比較器，轉(zhuǎn)換為脈沖信號，只要將其放大100倍，就可以滿足后續(xù)電路處理的要求?？紤]到每個人個體之間的差異，人與人之

23、間脈搏信號的強弱不同，反映在脈搏波形中即是幅度不同。為了使該設(shè)計能適用于不同的人，在設(shè)計的時候，R2采用滑動變阻器，通過調(diào)節(jié)其電阻，可以改變放大倍數(shù)。3.2 電壓基準(zhǔn)變化電路的設(shè)計放大后的脈搏信號，幅值為-14V，一個周期內(nèi)，電壓為零值的地方有很多。而在后續(xù)電路中，需要把放大后的脈搏信號通過過零比較器，轉(zhuǎn)換為易于單片機處理得到脈搏波動頻率信息的脈沖信號。所以，根據(jù)脈搏信號特點，可以通過電壓基準(zhǔn)變化電路，將脈搏信號電壓基準(zhǔn)調(diào)低，使其在一個周期內(nèi)過零點只有兩個。本設(shè)計中，采用同相輸入加法電路，來實現(xiàn)電壓基準(zhǔn)變化。其原理圖如圖3-2： 圖3-2 同相輸人加法電路在圖3-2中: Vo2=1+R6R7V

24、p （3-5） Vp=R9 R8+R9Vi2+R8R8+R9Vio （3-6）即： Vo2=1+R6R71R8+R9R9Vi2+ R8Vio （3-7）當(dāng)R6=R7=R8=R9的時候，可以得到： Vo2=Vi2+Vio （3-8）當(dāng)Vio為負的時候，輸出電壓Vo2就降低了。而Vio由R4和R5分壓，并經(jīng)過一個電壓跟隨器獲得。本設(shè)計中，把電壓基準(zhǔn)降低1V就可以滿足設(shè)計要求。3.3 過零比較器的設(shè)計 單片機是數(shù)字信號處理工具，輸入單片機的信號必需是離散的數(shù)字信號或者是脈沖信號。過零比較器就用于把周期性脈搏信號變?yōu)槊}沖信號，便于單片機處理。過零比較器，顧名思義，其閾值電壓UT=0V，電路如圖3-3：

25、圖3-3 過零比較器電路圖集成運放工作在開環(huán)狀態(tài)，其輸出電壓為+UOM或-UOM。當(dāng)輸入電壓uI<0V時，UO=+UOM；當(dāng)輸入電壓uI>0V時，UO=-UOM。因此，電壓傳輸特性如圖3-4：圖3-4 過零比較器電壓傳輸特性當(dāng)脈搏信號經(jīng)過過零比較器之后，就轉(zhuǎn)換為易于單片機處理的脈沖信號。3.4 單片機微處理系統(tǒng)的設(shè)計本設(shè)計作為一個簡單脈搏測量儀，最后需給出脈搏波動頻率，以單片機作為信息處理中心，通過對單片機進行編程，完成信號輸入檢測、信息分析處理及信息顯示。 從實用性、設(shè)計、貨源及價格的角度出發(fā)，并且考慮到本設(shè)計對單片機沒有特殊的要求，選用了常用的AT89S51單片機。AT89S5

26、1單片機的引腳如圖3-5：圖3-5 AT89S51單片機引腳圖在AT89S51單片機引腳圖中，P3口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表3-1：表3-1 P3口第二功能端口引腳第二功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 INTO（外中斷0）P3.3 INT1（外中斷1）P3.4 T0（定時/計數(shù)0外部輸入）P3.5 T1（定時/計數(shù)1外部輸入）P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）本設(shè)計正是利用T0口的定時功能實現(xiàn)對脈搏波動頻率的測量。AT89S51單片

27、機不僅完全可以實現(xiàn)對脈搏波動頻率測量的控制要求，而且可以在線編程調(diào)試，符合設(shè)計的要求。1、復(fù)位電路：由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成，由圖并結(jié)合“電容電壓不能突變”的性質(zhì)，可以知道，當(dāng)系統(tǒng)一上電，RST腳將會出現(xiàn)高電平，并且，這個高電平持續(xù)的時間由電路的RC值來決定。典型的51單片機當(dāng)RST腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復(fù)位，所以，適當(dāng)組合RC的取值就可以保證可靠的復(fù)位。C 可取30u，R取4.7K。2、 晶振電路：典型的晶振取11.0592MHz，因為可以準(zhǔn)確地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通訊的場合，或者12MHz，因為產(chǎn)生精確的s級時歇，方便定時操作。3、與前端電路連接：本設(shè)計中

28、對脈搏頻率的測量，采用周期測量法。將單片機內(nèi)定時/計數(shù)器T0定為16位定時器，對內(nèi)部機器周期計數(shù)。將過零比較器出來的脈沖信號接到單片機的P3.2口上，則定時器的開關(guān)由程序根據(jù)P3.2口上的狀態(tài)進行控制。檢測到上升沿時開T0計數(shù)，當(dāng)緊接著的另一個上升沿被檢測到時關(guān)T0計數(shù)。T0中的計數(shù)值為nx，則被測信號周期Tx=nx×Ts，頻率Fx=1/Tx，對于12MHz晶振，Ts=1s。單片機微處理系統(tǒng)硬件電路如圖3-6：圖3-6 單片機微處理系統(tǒng)硬件電路3.5 LED顯示硬件電路的設(shè)計脈搏信號經(jīng)過單片機處理，得到脈搏波動頻率之后，需要在顯示電路中直觀地顯示出來。所以，需要選用合適的顯示設(shè)備及顯

29、示電路，來實現(xiàn)對脈搏波動頻率信息的顯示。本設(shè)計中，采用2位LED靜態(tài)顯示方式來顯示脈搏波動頻率信息。顯示電路如圖3-7：圖3-7 LED顯示硬件電路圖3-10中數(shù)碼管是共陰極的，和移位寄存器74LS164連接時，加接200的限流電阻，避免亮度過高造成數(shù)碼管使用壽命縮短。74LS164的引腳圖如3-8：圖3-8 74LS164的引腳圖 在74LS164的引腳圖中：1) A，B：串行輸入端。2) Q0-Q7：并行輸出端。3) Cr：清除端，為0時，輸出清零。4) CP：時鐘輸入端。AT89S51單片機串行口方式為移位寄存器方式，外接2片74LS164作為2位LED顯示器的靜態(tài)顯示接口，把AT89S

30、51的RXD作為數(shù)據(jù)輸出線，TXD作為移位時鐘脈沖。74LS164為TTL單向8位移位寄存器，可實現(xiàn)串行輸入，并行輸出。串行數(shù)據(jù)輸入端A、B（第1、2腳）共一個輸入信號時可并接。時鐘輸入端T，即第8腳，連接到串行口的TXD端。每一個時鐘信號的上升沿加到T端時，移位寄存器移一位，8個時鐘脈沖過后，8位二進制數(shù)全部移入74LS164中。復(fù)位端R，即第9腳，當(dāng)R=0時，移位寄存器各位復(fù)0，只有當(dāng)R=1時，時鐘脈沖才起作用。并行輸出端Q1Q8，即第3-6和10-13引腳，分別接LED顯示器的hg-a各段對應(yīng)的引腳上。在74LS164獲得時鐘脈沖的瞬間，如果數(shù)據(jù)輸入端，即第1、2引腳，是高電平，則就會有

31、一個1進入到74LS164的內(nèi)部，如果數(shù)據(jù)輸入端是低電平，則就會有一個0進入其內(nèi)部。在給出了8個脈沖后，最先進入74LS164的第一個數(shù)據(jù)到達了最高位，再來一個脈沖，第一個脈沖就會從最高位移出。如圖3-7顯示電路，2片7LS164首尾相串，而時鐘端則接在一起，這樣，當(dāng)輸入8個脈沖時，從單片機RXD端輸出的數(shù)據(jù)就進入到了第一片74LS164中了，而當(dāng)?shù)诙€8個脈沖到來后，這個數(shù)據(jù)就進入了第二片74LS164，而新的數(shù)據(jù)則進入了第一片74LS164。第4章 脈搏波動頻率測量系統(tǒng)軟件設(shè)計從脈搏傳感器出來的脈搏信號，經(jīng)過放大電路、電壓基準(zhǔn)變化電路、過零比較器，轉(zhuǎn)換為脈沖信號之后，需要對單片機進行編程，

32、實現(xiàn)對脈搏波動頻率的測量、計算和顯示。本設(shè)計中，軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)。根據(jù)脈搏波動頻率測量系統(tǒng)的設(shè)定功能，將軟件劃分為若干個功能相對獨立的模塊，主要有系統(tǒng)主程序和脈搏波動頻率測量模塊。本章給出主要模塊的程序設(shè)計思想和流程圖。4.1 脈搏頻率測量原理 脈沖信號的頻率是指在單位時間內(nèi)由信號所產(chǎn)生的交變次數(shù)或脈沖個數(shù)，即fx=N/t?？梢钥闯鰷y量fx必須將N或t兩個量之一作為閘門或基準(zhǔn)，對另一個量進行測量。1、周期測量法：適用于低頻信號。采用單片機內(nèi)的一個定時/計數(shù)器，以單片機內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)機器周期作為標(biāo)準(zhǔn)時基信號Ts，如圖4-1。被測信號的周期作為信號閘門，由程序控制開關(guān)對時基進行計數(shù)得nx，因此被測

33、信號周期為Tx=nx×Ts 。圖4-1 周期測量法原理2、多周期同步法：適用于中頻信號。其特點是標(biāo)準(zhǔn)頻率信號不是用來填充待測信號的周期，而是與待測信號分別輸入到兩個計數(shù)器進行同步計數(shù)。首先，由單片機給出閘門開啟信號，此時，計數(shù)器并不開始計數(shù)，而是等到被測信號的上升沿到來時，才真正開始計數(shù)。然后，兩級計數(shù)器分別對被測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)。當(dāng)單片機給出閘門關(guān)閉信號后，計數(shù)器并不立即停止計數(shù)而是等到被測信號上升沿來到的時刻才真正結(jié)束計數(shù)，完成一次測量過程。如圖4-2，可以看出，實際閘門與參考閘門并不嚴(yán)格相等，但最大差值不超過被測信號的一個周期。設(shè)對被測信號的計數(shù)值為Nx，對時基信號的計數(shù)值為

34、N0，時基信號的頻率為f0，則被測信號的頻率為：Fx=(Nx×f0)/N0。圖4-2 多周期測量法原理3、頻率測量法：適用于高頻信號。充分利用單片機內(nèi)的兩個定時/計數(shù)器。一個作為定時器，給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號Tz，另一個作為計數(shù)器，對fx的變化次數(shù)直接進行計數(shù)得Nx，F(xiàn)x=Nx/Tz，如圖4-3： 圖4-3 脈搏波動頻率測量法原理人體脈搏信號從時域上看，是一個周期性較強的準(zhǔn)周期信號。脈搏波動頻率為6080次/min，其頻率一般情況下為1Hz左右，屬于低頻信號。所以，本設(shè)計中采用周期測量法。4.2 系統(tǒng)主程序的設(shè)計系統(tǒng)主程序控制單片機系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運行，是單片機系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)主程

35、序流程圖如圖4-4：開始系統(tǒng)初始化NP3.2是否為上升沿？Y脈搏波動頻率測量子程序LED顯示圖4-4 系統(tǒng)主程序流程圖上電后，首先進行整機初始化處理。主程序的初始化模塊主要完成儀器硬件、軟件的初態(tài)設(shè)置，單片機內(nèi)專用寄存器的設(shè)定，單片機工作方式及各端口的工作狀態(tài)的規(guī)定。整機初始化結(jié)束后，檢測P3.2口的狀態(tài)，如果檢測到上升沿，則進入脈搏波動頻率測量子程序，測得脈搏波動頻率之后，送到LED顯示單元進行顯示。4.3 脈搏波動頻率測量子程序的設(shè)計本設(shè)計中對脈搏頻率的測量采用周期測量法。可將單片機內(nèi)定時/計數(shù)器T0定為16位定時器，對內(nèi)部機器周期計數(shù)，即方式控制字為#01H。定時器的開關(guān)由程序根據(jù)P3.

36、2口上的狀態(tài)進行控制，檢測到上升沿時開T0計數(shù)，當(dāng)緊接著的另一個上升沿被檢測到時關(guān)T0計數(shù)。T0中的計數(shù)值為nx，則被測脈搏信號周期Tx=nx×Ts（對于12MHz晶振，Ts=1s），每分鐘跳動次數(shù)Fx=60/Tx?？紤]到脈搏的頻率很低，大約為1HZ左右，而16 位定時/計數(shù)器的最高計數(shù)值為65535，這樣定時/計數(shù)器將發(fā)生溢出，且最后脈搏波動頻率的計算涉及到雙字節(jié)除法，編程較復(fù)雜。為此，采用定時器中斷方式，即在一個脈搏周期內(nèi)，隔一段時間T1，T1即為中斷周期，且T1<65535，就將TH0，TL0清零。設(shè) N為每分鐘脈搏跳動次數(shù)，T為脈搏跳動周期，則N=60/T本設(shè)計中，設(shè)定

37、顯示的每分鐘脈搏跳動次數(shù)誤差不超過1次，則dN=60T2dT若T=2，dN=604dT=15dT則定時器周期T不超過1/15秒。若T=1，dN=60dT則定時器周期T不超過1/60秒。取T=1，即定時器周期T不超過1/60秒。設(shè)中斷周期為T1，中斷次數(shù)為n，則：N=60T1×n為方便計算，取：1T1=2m。由于定時器周期T不超過1/60秒，即T1<1/60，1T1>60，故取m=7。即中斷周期為127=1128s=7812us，此時，TH0=1EH，TL0=84H。每分鐘脈搏跳動次數(shù)N=60×27n，為方便計算，取N=30×28n。脈搏波動頻率測量子程

38、序流程圖如圖4-5所示。其中，中斷次數(shù)放在R3中，最后的脈搏波動頻率值在R1中。0TH0，0TL0TR0置1，開始計數(shù)N是否TH0=1EH，TL0=84H？YTR0置1，開始計數(shù)30R0，0R1，8R2 R3加1R0左移，R1左移NP3.2是否為上跳沿？YR1加1，R0-R3R0R3 R0?NYR2減1TR0置0，定時器停止工作NR2=0？Y結(jié)束圖4-5 脈搏波動頻率測量子程序流程圖參考文獻1 張亮.脈搏采集系統(tǒng)的研制D.東北大學(xué)，2005.2 劉繼光.人體脈搏信號的采集裝置D.沈陽工業(yè)大學(xué)，2006. 3 何金茂.電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗M.北京：高等教育出版社，1989：47-48.4 彭承琳.生

39、物醫(yī)學(xué)傳感器原理與應(yīng)用M.北京：高等教育出版社，2000：90-99.5 彭承琳.生物醫(yī)學(xué)傳感器原理與應(yīng)用M.重慶：重慶大學(xué)出版社，1996: 125-155.6 蔡建新，張唯真.生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)M.北京：北京大學(xué)出版社，1997：79-82. 7 周明德.微型計算機原理及應(yīng)用M.北京:清華大學(xué)出版社，2005:350-354.8 齊頌揚.醫(yī)學(xué)儀器M.北京：高等教育出版社，1993:35-39.9 康華光，陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）M.北京：高等教育出版社，1998：330-330.10 姜志海，黃玉清，劉連鑫，馮占英.單片機原理及應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社，2005：193-195. 1