基于單片機(jī)的脈搏測量儀

1、 寧波理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 題 目 基于單片機(jī)的脈搏測量儀設(shè)計 姓 名 傅佳慧 學(xué) 號 3050121005 專業(yè)班級 05通信工程1班 指導(dǎo)教師 李林功 分 院 信息科學(xué)與工程分院 完成日期 2009年6月5日 39摘 要脈搏測量儀在我們的日常生活中已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用。為了提高脈搏測量儀的簡便性和精確度，本課題設(shè)計了一種基于51單片機(jī)的脈搏測量儀。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)部定時器來計算時間，由光敏三極管感應(yīng)產(chǎn)生脈沖，單片機(jī)通過對脈沖累加得到脈搏跳動次數(shù)，時間由定時器定時而得。系統(tǒng)運(yùn)行中能顯示脈搏次數(shù)和時間，系統(tǒng)停止運(yùn)

2、行時，能夠顯示總的脈搏次數(shù)和時間。經(jīng)測試，系統(tǒng)工作正常，達(dá)到設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：脈搏測量儀；at89c51單片機(jī)；光電傳感器 abstractpulse measuring instrument has been widely used in our daily life. in order to increase its simplicity and accuracy, this subject designs one system based on single-chip microcomputer and infrared light emitting diode and photo tr

3、ansistor as sensors, and calculates time with using of the inner timer. the sensor produces pulse and the single-chip microcomputer gets the frequency by accumulating the pulses, and the timer obtains the time. the system could display the frequency and time of the pulse during operation. it can als

4、o shows the total number when it stops. after testing, the system works well and meets the design requirements.keywords：pulse measurement; at89c51 single-chip microcomputer; photoelectric sensor 目 錄摘 要iabstractii第1章 概述11.1 選題的背景和意義11.2 脈搏測量儀的發(fā)展與應(yīng)用2第2章 脈搏測量儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)42.1 光電脈搏測量儀的結(jié)構(gòu)42.2工作原理52.3光電脈搏測量儀的特點5第

5、3章 硬件系統(tǒng)73.1 控制器73.1.1 at89c51 簡介73.1.2 at89c51 的特點73.1.3 at89c51 的結(jié)構(gòu)73.2脈搏信號采集93.2.1光電傳感器的原理103.2.2光電傳感器的結(jié)構(gòu)103.2.3 光電傳感器檢測原理113.2.4信號采集電路113.3信號放大123.3.1放大器的介紹123.3.2 放大電路133.4 波形整形電路143.5單片機(jī)處理電路163.6 顯示電路173.6.1 led 的綜述183.6.2 led 的結(jié)構(gòu)183.6.3 led數(shù)碼管的顯示方法193.6.4 脈搏測量儀電路原理圖20第4章 軟件系統(tǒng)214.1 主程序流程：214.2

6、定時器中斷程序流程：214.3 int中斷程序流程：224.4 顯示程序流程：234.5 軟件說明23第五章 抗干擾措施及使用方法245.1抗干擾措施245.1.1環(huán)境光對脈搏傳感器測量的影響245.1.2電磁干擾對脈搏傳感器的影響245.1.3 測量過程中運(yùn)動噪聲的影響255.2測量儀使用方法25第6章 系統(tǒng)調(diào)試266.1 系統(tǒng)調(diào)試266.2 系統(tǒng)檢驗276.3 誤差分析28第七章 總結(jié)與展望29參考文獻(xiàn)31附 錄33致 謝39第1章 概述1.1 選題的背景和意義脈搏攜帶有豐富的人體健康狀況的信息，自公元三世紀(jì)我國最早的脈學(xué)專著脈經(jīng)問世以來，脈學(xué)理論得到不斷的發(fā)展和提高。在中醫(yī)四診（望、聞、

7、問、切）中，脈診占有非常重要的位置。脈診是我國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中最具特色的一項診斷方法，其歷史悠久，內(nèi)容豐富，是中醫(yī)“整體觀念”、“辨證論證”的基本精神的體現(xiàn)與應(yīng)用。脈診作為“綠色無創(chuàng)”診斷的手段和方法，得到了中外人士的關(guān)注。但由于中醫(yī)是靠手指獲取脈搏信息，雖然脈診具有簡便、無創(chuàng)、無痛的特點易為患者接受，然而在長期的醫(yī)療實踐中也暴露出一些缺陷。首先，切脈單憑醫(yī)生手指感覺辨別脈象的特征，受到感覺、經(jīng)驗和表述的限制，并且難免存在許多主觀臆斷因素，影響了對脈象判斷的規(guī)范化；其次，這種用手指切脈的技巧很難掌握；再則，感知的脈象無法記錄和保存影響了對脈象機(jī)理的研究。脈診的這種定性化和主觀性，大大影響了其精度與可

8、行性，成為中醫(yī)脈診應(yīng)用、發(fā)展和交流中的制約因素。為了將傳統(tǒng)的中醫(yī)藥學(xué)發(fā)揚(yáng)光大，促進(jìn)脈診的應(yīng)用和發(fā)展，必須與現(xiàn)代科技相結(jié)合，實現(xiàn)更科學(xué)、客觀的診斷1。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脈上，根據(jù)脈搏的跳動進(jìn)行計數(shù)。為了節(jié)省時間，一般不會作1分鐘的測量，通常是測量10秒鐘時間內(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，而且精度也不高。為了提高脈搏測量的精確與速度，多種脈搏測量儀被運(yùn)用到醫(yī)學(xué)上來，從而開辟了一條全新的醫(yī)學(xué)診斷方法。早在1860年vierordt 創(chuàng)建了第一臺杠桿式脈搏描記儀，國內(nèi)20世紀(jì)50年代初朱顏將脈搏儀

9、引用到中醫(yī)脈診的客觀化研究方面。此后隨著機(jī)械及電子技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外在研制中醫(yī)脈象儀方面進(jìn)展很快，尤其是70年代中期，國內(nèi)天津、上海、江西等地相繼成立了跨學(xué)科的脈象研究協(xié)作組，多學(xué)科共同合作促使中醫(yī)脈象研究工作進(jìn)入了一個新的境界。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設(shè)計2。目前脈搏測量儀在多個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，除了應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如無創(chuàng)心血管功能檢測、妊高癥檢測、中醫(yī)脈象、脈率檢測等

10、等，商業(yè)應(yīng)用也不斷拓展，如運(yùn)動、健身器材中的心率測試都用到了技術(shù)先進(jìn)的脈搏測量儀。1.2 脈搏測量儀的發(fā)展與應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量技術(shù)也越來越先進(jìn)，對脈搏的測量精度也越來越高，國內(nèi)外先后研制了不同類型的脈搏測量儀，而其中關(guān)鍵是對脈搏傳感器的研究。起初用于體育測量的脈搏測試集中在對接觸式傳感器的研究，利用此類傳感器所研制的指脈、耳脈等測量儀各有其優(yōu)缺點。指脈測量比較方便、簡單，但因為手指上的汗腺較多，指夾常年使用，污染可能會使測量靈敏度下降：耳脈測量比較干凈，傳感器使用環(huán)境污染少，容易維護(hù)。但因耳脈較弱，尤其是當(dāng)季節(jié)變化時，所測信號受環(huán)境溫度影響明顯，造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確3。過去在醫(yī)院臨

11、床監(jiān)護(hù)和日常中老年保健中出現(xiàn)的日常監(jiān)護(hù)儀器，如便攜式電子血壓計，可以完成脈搏的測量,但是這種便攜式電子血壓計利用微型氣泵加壓橡膠氣囊，每次測量都需要一個加壓和減壓的過程，存在體積龐大、加減壓過程會有不適、脈搏檢測的精確度低等缺點。近年來國內(nèi)外致力于開發(fā)無創(chuàng)非接觸式的傳感器，這類傳感器的重要特征是測量的探測部分不侵入機(jī)體，不造成機(jī)體創(chuàng)傷，能夠自動消除儀表自身系統(tǒng)的誤差，測量精度高，通常在體外，尤其是在體表間接測量人體的生理和生化參數(shù)。其中光電式脈搏傳感器是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器，通過對手指末端透光度的監(jiān)測，間接檢測出脈搏信號。具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、精度高、可重復(fù)使用等優(yōu)點。通過光電式脈搏

12、傳感器所研制的脈搏測量儀已經(jīng)應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)等各個方面并收到了理想效果。人體心室周期性的收縮和舒張導(dǎo)致主動脈的收縮和舒張，是血流壓力以波的形式從主動脈根部開始沿著整個動脈系統(tǒng)傳播，這種波成為脈搏波4。從脈搏波中提取人體的心理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強(qiáng)度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征,因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價值和應(yīng)用前景5。但人體的生物信號多屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻的弱信號, 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號,因此必需經(jīng)過放大和后級濾波

13、以滿足采集的要求。第2章 脈搏測量儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)脈搏測量儀的設(shè)計，必須是通過采集人體脈搏變化引起的一些生物信號，然后把生物信號轉(zhuǎn)化為物理信號，使得這些變化的物理信號能夠表達(dá)人體的脈搏變化，最后要得出每分鐘的脈搏次數(shù)，就需要通過相應(yīng)的硬件電路及芯片來處理物理變化并存儲脈搏次數(shù)。在硬件設(shè)計中一般的物理信號就是電壓變化，有了這個系統(tǒng)的設(shè)計思路，本課題就此開始實施。2.1 光電脈搏測量儀的結(jié)構(gòu)光電脈搏測量儀是利用光電傳感器作為變換原件，把采集到的用于檢測脈搏跳動的紅外光轉(zhuǎn)換成電信號，用電子儀表進(jìn)行測量和顯示的裝置。本系統(tǒng)的組成包括光電傳感器、信號處理、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

14、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)換成便于測量的物理量(如電壓、電流或頻率等)輸出。2信號處理 即處理光電傳感器采集到的低頻信號的模擬電路(包括放大、濾波、整形等)。3. 單片機(jī)電路即利用單片機(jī)自身的定時中斷計數(shù)功能對輸入的脈沖電平進(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)計采

15、用單片機(jī)at89c51為控制核心，實現(xiàn)脈搏測量儀的基本測量功能。脈搏測量儀硬件框圖如下圖2.1 所示：外部中斷信號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 2.1 脈搏測量儀的工作原理當(dāng)手指放在紅外線發(fā)射二極管和接收三極管中間，隨著心臟的跳動，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。該信號經(jīng)放大、濾波、整形后輸出，輸出的脈沖信號作為單片機(jī)的外部中斷信號。單片機(jī)電路對輸入的脈沖信號進(jìn)行計算處理后把結(jié)果送到數(shù)

16、碼管顯示。2.3光電脈搏測量儀的特點與傳統(tǒng)的脈搏測量儀相比，光電式脈搏測量儀具有以下特點：1. 測量的探測部分不侵入機(jī)體，不造成機(jī)體創(chuàng)傷，通常在體外。2. 傳感器可重復(fù)使用且速度快，精度高。3. 測試的適用電壓為5v-9v的直流電壓。4. 穩(wěn)定性好、磨損小、壽命長、維修方便。5. 由于結(jié)構(gòu)簡單，因此體積小、重量輕、性價比優(yōu)越。6. 測量的有效范圍為50次-199次/分鐘。 第3章 硬件系統(tǒng)3.1 控制器本系統(tǒng)基于51系列單片機(jī)來實現(xiàn)，因為系統(tǒng)沒有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們最終選擇了at89c51通用的比較普通單片機(jī)來實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。3.1.1 at89c51 簡介at89c5l是美國atmel公司生

17、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器(perom)和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(ram)，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(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存儲單元，功能強(qiáng)大at89csl單片機(jī)可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。3.1.2 at89c51 的特點與mcs-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容4k字節(jié)可重擦寫flash閃速存儲器1000次擦寫周期全靜態(tài)操作：ohz-24mhz三級加密程序存儲器128*8字節(jié)內(nèi)部ram32個可編程io口線

18、2個16位定時計數(shù)器6個中斷源可編程串行uart通道低功耗空閑和掉電模式3.1.3 at89c51 的結(jié)構(gòu)此次設(shè)計所使用的at89c51 的封裝形式是dip40。如圖3.1 所示。圖3.1 at89c51 的封裝形式引腳功能：vcc：電源電壓gnd：接地p0口：p0口是一組8位漏極開路型雙向i0口，也即地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個ttl邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗轉(zhuǎn)入端用。pl口：p1是個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向io口，p1的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個ttl邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。

19、作輸入口使用時，因內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電萌。p2口：p2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向io口，p2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流)4個ttl邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。p3口：可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備。作為第二功能使用，每一位功能定義如表3.1 所示。表3.1 p3 口的第二功能rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，rst引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ale/prog：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器

20、時，ale(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ale仍以時鐘振器頻率的16輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。psen：程序存儲允許（psen）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)at89c51由外部程序存儲器取指令(或數(shù)據(jù))時每個機(jī)器周期兩次psen有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的psen信號不出現(xiàn)。eavpp：ea 0，單片機(jī)只訪問外部程序存儲器。ea 1，單片機(jī)訪問內(nèi)部程序存儲器。xtali：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。xtal2：振蕩器反相放大器的輸出端。3.2脈搏信號采集目前脈

21、搏波檢測系統(tǒng)有以下幾種檢測方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應(yīng)變式脈搏傳感器。近年來, 光電檢測技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很快, 這主要是由于光能避開強(qiáng)烈的電磁干擾, 具有很高的絕緣性, 且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息,具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、精度高、可重復(fù)好等優(yōu)點6。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學(xué)儀器工作的專家和學(xué)者的重視。3.2.1光電傳感器的原理根據(jù)朗伯一比爾(lamberbeer)定律，物質(zhì)在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比。當(dāng)恒定波長的光照射到人體組織上時，通過人體組織吸收、反射衰減后，測量到的光強(qiáng)將在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)

22、特征7。脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生的，在人體指尖組織中的動脈成分含量高，而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測到的光強(qiáng)相對較大，因此光電式脈搏傳感器的測量部位通常在人體指尖。手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織，其中非血液組織的光吸收量是恒定的，而在血液中，靜脈血的搏動相對于動脈血是十分微弱的，可以忽略。因此可以認(rèn)為光透過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起的，那么在恒定波長的光源照射下，通過檢測透過手指的光強(qiáng)將可以間接測量到人體的脈搏信號7。3.2.2光電傳感器的結(jié)構(gòu)傳感器由紅外發(fā)光二級管和紅外接收三極管組成。采用gaas紅外發(fā)光二極管作為光源時，可基本

23、抑制由呼吸運(yùn)動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轉(zhuǎn)換為電信號。在本設(shè)計中，紅外接收三極管和紅外發(fā)射二極管相對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，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, 實現(xiàn)了光電隔離,減少了對后級模擬電路的干擾。結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。圖3.2 透射式光電傳感器3.2.3 光電傳感器檢測原理檢

24、測原理是: 隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變：當(dāng)血液送到人體組織時，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)計將紅外發(fā)光二極管產(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。由于手指動脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動變化，所以它對光的反射和衰減也是周期性脈動的, 于是紅外接收三極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化。故只要把此電信號轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計數(shù)和顯示9，即可實時的測出脈搏的次數(shù)。3.2.4信號采集電路圖3.3是脈搏信號

25、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r21阻值的選取要求較高。r21選擇270同時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)射二極管的電流偏小，紅外接收三極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時的信號。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的信號。當(dāng)手指離開傳感器或檢測到較強(qiáng)的干擾光線時，輸入端的直流電壓會出現(xiàn)很大變化，為了使它不致泄露到u2b輸入端而造成錯誤指示，用c8、c9串聯(lián)組成的雙極性耦合電容把它隔斷10。當(dāng)手指處于測量位置時，會出現(xiàn)二種情況：一是無脈期。

26、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，會造成輸出電壓略低。二是有脈期。當(dāng)有跳動的脈搏時，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的頻率很低，如當(dāng)脈搏只有為50次/分鐘時，只有0.78hz，200次/分鐘時也只有3.33hz，因此信號首先經(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3.3 信號采集電路3.3信號放大3.3.1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)放相互獨立。每一組運(yùn)

27、算放大器可用圖3.4所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“v+”、“v-”為正、負(fù)電源端，“vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端vo 的信號與該輸入端的相位相反；vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端vo 的信號與該輸入端的相位相同。lm324 的引腳排列見圖3.5。 圖3.4 圖3.5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，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。3.3.2 放大電路按人體脈搏在運(yùn)動后跳動次數(shù)達(dá)200次/分鐘的計算來設(shè)計低通放大器，如圖3.6所示。r23、c6組成低通

28、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將信號放大，放大倍數(shù)由r23和r27的比值決定。圖3.6 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：按人體的脈搏跳動為200次/分鐘時的頻率是3.3 hz考慮，低頻特性是令人滿意的。經(jīng)過低通放大后輸出的信號是疊加有噪聲的脈動正弦波。波形如圖3.7所示。圖3.73.4 波形整形電路波形整形電路如圖3.8所示，u2c是一個電壓比較器，c11、r29構(gòu)成一個微分器，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r31的調(diào)

29、節(jié)要求并不嚴(yán)格，因為u2c的輸出信號（波形如圖3.9）經(jīng)c11、r29的微分后總是將正、負(fù)相間的尖脈沖（波形如圖3.10）加到單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器u2a的反向輸入端，不會造成很大的觸發(fā)誤差。 當(dāng)有輸入信號時，u2a在比較器輸入信號的每個后沿(90度到0度上升沿)到來時輸出高電平，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)光二極管作脈搏測量狀態(tài)顯示，脈搏每跳動一次發(fā)光二極管就亮一次。同時，該脈沖電平通過

30、r24送到單片機(jī)/into腳，進(jìn)行對心率的計算和顯示。輸出波形如圖3.11所示。j圖3.8 波形整形電路經(jīng)過比較器u2c的輸出波形：圖3.9經(jīng)過微分器的輸出波形：圖3.10單片機(jī)接收到的信號：圖3.113.5單片機(jī)處理電路 如圖3.12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)確地對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，而且可以根據(jù)實際情況進(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/into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)時觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行計時，來一個脈沖脈搏次數(shù)就加一；定時器中斷主

31、要完成一分鐘的定時功能。單片機(jī)對一分鐘內(nèi)的脈沖次數(shù)進(jìn)行累加，通過p0、p2口把測量過程和結(jié)果送到數(shù)碼管顯示出來9。圖3.12 單片機(jī)處理電路3.6 顯示電路本設(shè)計的顯示采用led數(shù)碼管動態(tài)掃描來顯示。兩個4位的共陽極led數(shù)碼管組成8位顯示，其中0、1兩位顯示測量中的時間，3、4兩位顯示測量中的脈搏次數(shù)，6、7兩位用來顯示上次測量的數(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3.13。圖3.13 顯示電路3.6.1 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

32、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)光二極管數(shù)碼顯示器，簡稱led 顯示器。led 顯示器具有耗電省、成本低廉、配置簡單靈活、安裝方便、耐振動、壽命長等優(yōu)點。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。3.6.2 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。共陰極led數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管陰

33、極，通常接地，當(dāng)發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮。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電源，當(dāng)發(fā)光二極管的陰極為低電平時，發(fā)光二極管點亮。本設(shè)計中采用的是4位七段共陽極數(shù)碼管顯示器，一共具有12個引腳，4個位選端，8個字選端。圖3.14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3.15所示。圖3.14 4位數(shù)碼管引腳分布圖圖3.15 4位共陽極數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖3.6.3 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，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led數(shù)碼管顯示器都需要一個8位的輸出口進(jìn)行控制。由于

34、單片機(jī)本身提供的i/o口有限，實際使用中，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)點是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導(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，cpu才去執(zhí)行顯示更新子程序，這樣既節(jié)約了cpu的時間，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led數(shù)碼管需要獨占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。動態(tài)顯示方式是指一位一位地輪流點亮每位顯示器（稱為掃描），即每個數(shù)碼管的位選被輪流選中，多個數(shù)碼管公用一組段選，段選數(shù)據(jù)僅對位選選中的數(shù)碼管有效。對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示

35、器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。通過調(diào)整電流和時間參數(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，則顯示器的公共端只需一個8位i/o口進(jìn)行動態(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8位口（稱為段碼輸出）。通過比較，我們可以發(fā)現(xiàn)led動態(tài)顯示更加適合本設(shè)計，所以就采用此方法。3.6.4 脈搏測量儀電路原理圖圖 3.16 電路原理圖第4章 軟件系統(tǒng)4.1 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,對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化程序主要完成對單片機(jī)內(nèi)專用寄存器、定時器工作方式及各端口的工作狀態(tài)的

36、設(shè)定。系統(tǒng)初始化之后, 進(jìn)行定時器中斷、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4.1所示。圖 4.1 主程序流程圖4.2 定時器中斷程序流程：定時器中斷服務(wù)程序由一分鐘計時、按鍵檢測、有無測試信號判斷等部分組成。當(dāng)定時器中斷開始執(zhí)行后，對一分鐘開始計時，1s計時到之后繼續(xù)檢測下1s，直到60s到了再停止并保存測得的脈搏次數(shù)。同時可以對按鍵進(jìn)行檢測，只要復(fù)位測試值就可以重新開始測試。主要完成一分鐘的定時功能和保存測得的脈搏次數(shù)。流程如圖4.2所示。圖 4.2 定時器中斷程序流程圖4.3 int中斷程序流程：外部中斷服務(wù)程序完成對外部信號的測量和計算。外部中斷采用邊沿觸

37、發(fā)的方式，當(dāng)處于測量狀態(tài)的時候，來一個脈沖脈搏次數(shù)就加一，由單片機(jī)內(nèi)部定時器控制一分鐘，累加得出一分鐘內(nèi)的脈搏次數(shù)。流程如圖4.3所示。圖 4.3 int中斷程序流程圖4.4 顯示程序流程：顯示程序包括顯示上次的脈搏次數(shù)、本次測量中的時間和脈搏的次數(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的延時后再顯示測試中的脈搏次數(shù)，再經(jīng)過10ms的延時顯示測試中的時間。流程如圖4.4所示。圖 4.4 顯示程序流程圖4.5 軟件說明本程序采用c語言，程序的可讀性非常好。程序中對前一次測量的脈搏數(shù)據(jù)進(jìn)行了自動保存，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

38、入數(shù)據(jù)的誤差。第五章 抗干擾措施及使用方法5.1抗干擾措施為了提高測量儀的精確度，系統(tǒng)首先要解決的是硬件方面的干擾問題。光電式脈搏測量儀的測量過程中，前端測量到的脈搏信號十分微弱，容易受到外界環(huán)境干擾，其中主要的干擾源有測量環(huán)境光干擾、電磁干擾、測量運(yùn)動噪聲。 5.1.1環(huán)境光對脈搏傳感器測量的影響 在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號不僅包含脈搏信息的透射光的信號，而且包含測量環(huán)境下的背景光信號，由于動脈波動引起的光強(qiáng)變化比背景光的變化微弱得多，因此在測量過程當(dāng)中要保持測量背景光的恒定，減少背景光的干擾13。 測量環(huán)境下的背景光包含環(huán)境光和在測量過程中引起的二次反射光。為了減少環(huán)境光

39、對脈搏信號測量的影響，同時考慮到傳感器使用的方便性，采用密封的指套式包裝方式，整個外殼采用不透光的介質(zhì)和顏色，盡量減小外界環(huán)境光的影響，為了避免測量過程中的二次反射光的影響，在指套式傳感器的內(nèi)層表面涂上一層吸光材料，這樣能有效減少二次反射光的干擾。 加上指套式外殼后的脈搏傳感器測量到的脈搏波形比較平滑。這是因為加指套式的脈搏傳感器中環(huán)境光在測量過程中基本不受外界環(huán)境光的影響，而且能夠有效減少二次反射光，使照射到手指上的光波長單一，所以得到的脈搏信號較為穩(wěn)定，沒有明顯的重疊雜波信號，能夠很好的體現(xiàn)出脈搏波形的特征。 5.1.2電磁干擾對脈搏傳感器的影響通過光電轉(zhuǎn)換得到的包含脈搏信息的電信號一般比

40、較微弱，容易受到外界電磁信號的干擾，在傳統(tǒng)的光電式脈搏傳感器電路中，由于光敏器件和放大電路是分離的，那么在信號的傳遞過程就很容易受到外界電磁干擾，通常在一級放大電路采用電磁屏蔽的方式來消除電磁干擾14。本系統(tǒng)采用了新型的光敏器件，在芯片內(nèi)部集成光敏器和一級放大電路，有效地抑制了外界電磁信號對原始脈搏信號的干擾。 工頻干擾是電路中最常見的干擾，脈搏信號變化緩慢，特別容易受到工頻信號的干擾，因此對工頻信號干擾的抑制是保證脈搏信號測量精度的主要措施之一。通常脈搏信號的頻率范圍在0.330hz之間，小于工頻50hz，因此通過低通濾波器可以有效濾除工頻干擾，這在信號調(diào)理電路中容易實現(xiàn)；同時可以在控制電路

41、中對光源進(jìn)行脈沖調(diào)制，這樣不但能夠降低系統(tǒng)的功耗，而且能夠在一定程度上減小外界的電磁干擾，在脈搏信號數(shù)據(jù)采集后，可以通過數(shù)據(jù)處理法方法進(jìn)一步濾除工頻信號的干擾15。5.1.3 測量過程中運(yùn)動噪聲的影響 測量過程當(dāng)中，通常情況下手指和光電式脈搏傳感器可能產(chǎn)生相對的運(yùn)動，這樣對脈搏測量產(chǎn)生誤差，可以通過2個方面減少運(yùn)動噪聲誤差：一是改善指套式傳感器的機(jī)械抗運(yùn)動性，比如說使指套能夠更緊的套在手指上，不易松動；二是從脈搏信號處理的角度，通過算法來減小誤差。對于傳感器的設(shè)計，現(xiàn)在采用的主要是第一個途徑。5.2測量儀使用方法測量儀通電后，數(shù)碼管全部顯示0。把手輕輕置于右下角的傳感器中，以稍微有壓迫感為宜，

42、這時很快就可以看到紅色發(fā)光二極管會伴隨你的脈搏而閃爍，讓你直觀的看到自己脈搏跳動的速度，按下復(fù)位鍵后單片機(jī)和顯示部分開始工作，單片機(jī)立刻開始計數(shù)，同時數(shù)碼管顯示出你的心率和測試的時間，非常方便。如果偶爾出現(xiàn)不穩(wěn)的情況，請按復(fù)位鍵對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。第6章 系統(tǒng)調(diào)試6.1 系統(tǒng)調(diào)試根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，本系統(tǒng)的調(diào)試可分為兩大部分：模擬部分和純mcu部分。由于在系統(tǒng)設(shè)計中采用模塊化設(shè)計，所以方便了對各電路功能模塊的逐級測試。斷開兩部分的連接點，先調(diào)試mcu部分。試著輸入一系列脈沖（用適當(dāng)?shù)碾娮杞诱龢O，間斷性地輸入），觀察mcu部分能是否能顯示；模擬部分用不透明的筆在紅外發(fā)射二極管和接收三級管之間搖擺，借助

43、示波器觀察波形效果如何。單片機(jī)軟件先在最小系統(tǒng)板上調(diào)試，確保工作正常之后，再與硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。最后將各模塊組合后進(jìn)行整體測試，使系統(tǒng)的功能得以實現(xiàn)。1.放大倍數(shù)的增加 傳感器的輸出端經(jīng)示波器觀察有幅度很小的正弦波，但經(jīng)整形輸出后檢測到的脈沖還是很弱，在確定電路沒有問題的情況下，加強(qiáng)信號的放大倍數(shù)，調(diào)整電阻r23和r27的阻值。2. 時鐘的調(diào)試根據(jù)晶體振蕩頻率計算出內(nèi)部定時器的基本參數(shù)，通過運(yùn)行一段時間可通過秒表來校正后,看時間誤差的量,以這個量為依據(jù)改變程序中的內(nèi)部定時器基本參數(shù),就可使時鐘調(diào)準(zhǔn)確。3. 開機(jī)后無顯示首先檢查交流電源部分，有無交流，若無則可能保險管或變壓器燒壞，如有繼續(xù)查直流有無

44、，如無則電源已燒壞，可更換解決。4. 顯示正常但經(jīng)適當(dāng)運(yùn)動后測量，脈搏次數(shù)沒有增加可能是前置放大級有問題，可采用更換的辦法判斷并排除。5. 進(jìn)人測量狀態(tài), 但測量值不穩(wěn)定主要是光電傳感器受到電磁波等干擾，其次是損壞或有虛焊。6. 開機(jī)后顯示不正?；虬存I失靈可查手指擺放的位置或按鍵電路，若無故障則是硬件損壞。7. 電源的改變 理論上模擬部分有三處電壓應(yīng)為9v，但經(jīng)過測試，全部使用5v電壓也是可行的。6.2 系統(tǒng)檢驗系統(tǒng)上電后等待測試狀態(tài)，如圖6.1所示：圖6.1測量中顯示的數(shù)據(jù)，如圖6.2所示：圖6.2測量結(jié)束后顯示的脈搏次數(shù)，如圖6.3所示：圖6.36.3 誤差分析實際的脈搏次數(shù)測量得出脈搏次

45、數(shù)1測量得出脈搏次數(shù)2測量得出脈搏次數(shù)3測量得出脈搏次數(shù)4測量得出脈搏次數(shù)5656464636563727071696970767675757473818080798180858383858284注：實際的脈搏次數(shù)以聽診器測出的脈搏次數(shù)為參考值。由于傳感器和其他器件本身并非理想線性，實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性補(bǔ)償。由均方差公式得： =0.59誤差分析：經(jīng)校準(zhǔn)，非線性補(bǔ)償后，誤差已基本達(dá)到要求。第七章 總結(jié)與展望單片機(jī)近20年的飛速發(fā)展，儼然已成為計算機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的一個重要方面。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)計思想和設(shè)計方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部

46、分功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過軟件方法來實現(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-51系列的技術(shù)特色，有逐漸取而代之之勢。本設(shè)計主要是51單片機(jī)在脈搏測試系統(tǒng)中的應(yīng)用。重點介紹了單片機(jī)的最小系統(tǒng)，通過單片機(jī)最小系統(tǒng)實現(xiàn)了脈搏的測量系統(tǒng)，由光電傳感器采集到脈沖信號，經(jīng)過信號的放大、濾波和整形電路將輸出的信號通過單片機(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)自身的定時中斷、外部中斷、計數(shù)等功能，不僅能顯示出此次脈搏測量的次數(shù)，還能自動儲存這個數(shù)據(jù)。本次所設(shè)計的測量儀系統(tǒng)實現(xiàn)簡

47、單、功能穩(wěn)定、使用方便，應(yīng)用廣泛，具有實際意義。由于時間比較短，同時本人掌握的知識有限，本次設(shè)計雖已完成，但其中有很多不足，如程序不夠簡練，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美等，同時此次設(shè)計的測量儀功能比較單一，沒有如語音系統(tǒng)實現(xiàn)自動讀出脈搏次數(shù)等人性化功能，且在設(shè)計過程中使用的運(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)步勢必會使測量儀的功能日益強(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)行電脈搏測量儀的設(shè)計，在近一個學(xué)期的時間里，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)計做好充分的準(zhǔn)備。經(jīng)過這次畢設(shè)，我收

48、獲了很多，具體總結(jié)如下：（1）通過此次的設(shè)計，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)而被動的學(xué)習(xí)。（2）通過此次的設(shè)計，使我了解了脈搏測量儀在國內(nèi)外發(fā)展之迅速、應(yīng)用領(lǐng)域之廣、市場前景之大。（3）通過此次的設(shè)計，使我對硬件設(shè)計和各模塊的功能有了更深的了解，同時提高了動手能力。（4）通過次次的設(shè)計，使我體會到堅持不懈的毅力對完成一件事情起著巨大的作用。（5）通過此次的設(shè)計，使我深刻的體會到團(tuán)隊合作精神的重要性及相互討論過程中的樂趣。參考文獻(xiàn)1 歐陽俊，謝定等基于bl-410 的指端脈搏波采集系統(tǒng)應(yīng)用研究j實用預(yù)防醫(yī)學(xué)，2004，第11卷第2期，242 韓文波，曹

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51、ssing，may 1991，9-1013 oversampling techniques using thetms320c24x familymliterature number：spra461 texas instruments europe，june 1998，5-2014 john dryder electronic fundamentals and applicationsm1983，1-2415 accelerated c+mpractical programming by example pearson eduction 4-1，2006，12-34附 錄參考程序脈搏測量儀的信號采集、處理、顯示的程序#include #define uint8 unsigned char#define uint16 unsigned int#define timer0_hight 0xdc/設(shè)置定時器0工作方式1自動裝載初值，定時10ms，fosc=11.059200mhz#define timer0_low 0x00sbit keyin = p31;/按鍵輸入bit starttest;/啟動測脈搏標(biāo)志uint16 cnt10ms;/10ms計數(shù)器uint8 cnt1s;/1秒計數(shù)器ui