便攜式心率監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)(共30頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)目 錄便攜式人體心率監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)摘 要多年來(lái)，心率監(jiān)測(cè)儀在心血管疾病的研究和診斷方面發(fā)揮出顯著的作用，它們所記錄的心臟活動(dòng)時(shí)的生物電信號(hào)，已成為臨床診斷的重要依據(jù)。目前，檢測(cè)心率的儀器雖然很多，但是能像本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)一樣實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量、便于攜帶、報(bào)警等多種功能的便攜式全數(shù)字心率測(cè)量裝置卻不多。本系統(tǒng)以AT89C2051單片機(jī)為核心控制芯片，光電式脈搏波傳感器采集信號(hào)，以七段數(shù)碼管作為顯示系統(tǒng)，經(jīng)信號(hào)處理電路后脈沖送入單片機(jī)，由數(shù)碼管顯示心率。本文設(shè)計(jì)的人體心率監(jiān)測(cè)儀使用方便，只需將手指端輕輕放在傳感器上，即可實(shí)時(shí)顯示出每分鐘脈搏次數(shù)，特別適合體育訓(xùn)練和外

2、出旅游等場(chǎng)合使用。采用紅外光學(xué)檢測(cè)法，能夠在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下進(jìn)行心率測(cè)量。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，安全可靠，系統(tǒng)通用性好，移植、擴(kuò)展方便，同時(shí)具有功耗低，體積小，操作簡(jiǎn)單，便于隨身攜帶等特點(diǎn)，適合家庭和社區(qū)醫(yī)療保健使用，對(duì)心血管疾病的早期診斷具有重要的意義?！娟P(guān)鍵詞】：心率監(jiān)測(cè)  單片機(jī)  數(shù)碼顯示 The Design of Portable Heart Rate MonitorAbstractFor many years, the heart rate monitor has played a significant role in research and diagno

3、ses of cardiovascular diseases. Biological signals of cardiac activity recorded by the heart rate monitor have become important basis of clinical diagnosis. At present, there are a lot of instruments of detecting heart rate, but there is a little portable digital heartbeat measurement device the sam

4、e as the system in this paper with various functions such as accurate measurement, easy to carry and alarm .The system adopts AT89S52051 microcontroller as core control chip, photoelectric pulse wave sensor for data acquisition, seven-segment digital tubes as the display system. Through signal proce

5、ssing circuitry, the pulse is directed to the microcontroller, displaying heart rate by digital tubes. The human heart rate monitor designed in this paper is easy to use, just lightly putting a finger on the sensor side which can display real-time pulse rate per minute, especially for sports trainin

6、g and travel and so on. The method of infrared optical detection is able to measure the heart rate in motion state. The system is stable, strong real-time, safe and reliable, universal and easy to transplant and expand. Also it has low power consumption, small size, simple operation, easy to carry a

7、nd so on. It is suitable for family and community medical health care which has the vital to early diagnosis of cardiovascular diseases.【Key words】heart rate monitoring MCU digital display緒論 心血管疾病是當(dāng)今發(fā)達(dá)國(guó)家死亡率占第一位的重要疾病，在我國(guó)也是死率最高的一類(lèi)疾病，世界衛(wèi)生組織已將其列為2l世紀(jì)危害人類(lèi)健康的頭號(hào)殺手1。隨著人們生活水平的提高，工作方式以及膳食結(jié)構(gòu)的變化，源于心臟與循環(huán)系統(tǒng)的不健康而導(dǎo)

8、致的心血管疾病已逐漸成為威脅人類(lèi)健康的主要疾病。心血管疾病是一種常見(jiàn)病、多發(fā)病，而且有極高的死亡率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1990年全球大約有1400萬(wàn)人死于心血管疾病，預(yù)計(jì)到2020年，死于心血管疾病的患者將達(dá)到2500萬(wàn)人2。目前我國(guó)城市人口中每5個(gè)成年人中就有1個(gè)人不同程度的患有心血管面的疾病。中國(guó)每年有100萬(wàn)人死于腦卒中，并且有更多的人致殘。特別是在近，中國(guó)、日本和新西蘭研究人員發(fā)現(xiàn)高血壓是東方人腦卒中的主要原因3。近來(lái)，心血管疾病的發(fā)病率逐年提高，患者的年齡卻逐年降低，心血管疾病對(duì)人類(lèi)身體健康產(chǎn)生的威脅也越來(lái)越大。人們希望通過(guò)早期采取一些積極的防治手段，使自己擁有健康。同時(shí)，中國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了老齡化

9、社會(huì)，越來(lái)越多的老年人受到慢性疾病的困擾，如高血壓、冠心病、慢性支氣管炎等。老年慢性疾病通常是終身性疾病，疼痛和昂貴的醫(yī)療費(fèi)用不僅嚴(yán)重影響病人的生活質(zhì)量而且占用了大量醫(yī)療衛(wèi)生資源，帶來(lái)不堪重負(fù)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。要避免和減少高血壓、心臟病這類(lèi)心血管疾病給人類(lèi)健康帶來(lái)的嚴(yán)重危害，有效的早期預(yù)防、早期診斷和早期治療方法和設(shè)備，以及快速的發(fā)病后的救治手段都是非常重要的，這些也正是目前廣大醫(yī)學(xué)界專(zhuān)家正在共同努力研究的重點(diǎn)，改進(jìn)對(duì)心血管疾病的預(yù)防及治療手段已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)界的一個(gè)重大難題。 目前，現(xiàn)代的醫(yī)學(xué)電子儀器已不僅僅是單純的醫(yī)學(xué)電子測(cè)量?jī)x器硬件系統(tǒng)，而是基于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的生理

10、量檢測(cè)和分析系統(tǒng)。以往專(zhuān)門(mén)測(cè)量心率值的儀器較少，能提供心率變異指標(biāo)的儀器更是寥寥無(wú)幾。人們?yōu)榱酥雷约旱倪\(yùn)動(dòng)或勞動(dòng)強(qiáng)度是否超負(fù)荷，尤其是老年人或運(yùn)動(dòng)員等，他們都得趕到醫(yī)院而不能實(shí)時(shí)測(cè)量和預(yù)知。而心電儀的出現(xiàn)，使心電圖機(jī)進(jìn)入家庭變成了可能，但基于心電工作站的模式，使個(gè)別地區(qū)的患者因醫(yī)院分析診斷系統(tǒng)的不健全，而變得不適用；基于嵌入式及DSP的心電監(jiān)護(hù)儀功能強(qiáng)大，但又因芯片價(jià)格的高昂而有悖于我國(guó)基本國(guó)情，不利于家庭的普及4。因此，一種性能優(yōu)良，帶有自動(dòng)監(jiān)測(cè)、報(bào)警等功能，適合在家庭和社區(qū)條件下使用，同時(shí)適用于有隱性疾患的亞健康人群及各種作業(yè)環(huán)境下的勞動(dòng)者，在其心率變異時(shí)，能及時(shí)發(fā)出警示的安全監(jiān)護(hù)器，而

11、又符合我國(guó)人均收入水平不高這一國(guó)情的心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制顯得尤其重要?；谶@一目的，我設(shè)計(jì)的課題就是便攜式人體心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 1 系統(tǒng)統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1.1 系統(tǒng)功能要求要求以AT89C2051單片機(jī)為核心控制芯片，光電式脈搏波傳感器采集信號(hào)，以七段數(shù)碼管作為顯示系統(tǒng)，經(jīng)信號(hào)處理電路后脈沖送入單片機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)報(bào)警、數(shù)碼管顯示心率的頻率等功能。1.2 醫(yī)學(xué)常識(shí)心率(Heart Rate)：用來(lái)描述心動(dòng)周期的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，是指心臟每分鐘跳動(dòng)的次數(shù),以第一聲音為準(zhǔn)。心電信號(hào)是一種非常弱且頻率較低的信號(hào)，一般幅值在0.055mV，頻率在0.05100Hz。結(jié)構(gòu)特征：心臟是一厚壁的肌性器官，由左右2心房和左右

12、2心室 4個(gè)心腔組成。心臟的自動(dòng)節(jié)律性收縮，推動(dòng)血液在循環(huán)系統(tǒng)的各種血管中環(huán)流，使機(jī)體各組織、器官能不斷地吐故納新、新陳代謝。正常成年人安靜時(shí)的心率有顯著的個(gè)體差異，平均在75次/分左右(60100次/分之間)。心率可因年齡、性別及其它生理情況而不同。初生兒的心率很快，可達(dá)130次/分以上。在成年人中，女性的心率一般比男性稍快。同一個(gè)人，在安靜或睡眠時(shí)心率減慢，運(yùn)動(dòng)時(shí)或情緒激動(dòng)時(shí)心率加快，在某些藥物或神經(jīng)體液因素的影響下，會(huì)使心率發(fā)生加快或減慢。經(jīng)常進(jìn)行體力勞動(dòng)和體育鍛煉的人，平時(shí)心率較慢。健康成人的心率為60100次/分，大多數(shù)為6080次/分，女性稍快；3歲以下的小兒常在100次/分以上；

13、老年人偏慢。成人每分鐘心率超過(guò)100次（一般不超過(guò) 160次/分）或嬰幼兒超過(guò) 150次/分者，稱(chēng)為竇性心動(dòng)過(guò)速。常見(jiàn)于正常人運(yùn)動(dòng)、興奮、激動(dòng)、吸煙、飲酒和喝濃茶后。也可見(jiàn)于發(fā)熱、休克、貧血、甲亢、心力衰竭及應(yīng)用阿托品、腎上腺素、麻黃素等。如果成人的心率在 160220次/分，則稱(chēng)為陣發(fā)性心動(dòng)過(guò)速。心率低于60次/分者（一般在40次/分以上），稱(chēng)為竇性心動(dòng)過(guò)緩5。可見(jiàn)于長(zhǎng)期從事重體力勞動(dòng)和運(yùn)動(dòng)員；病理性的見(jiàn)于甲狀腺機(jī)能低下、顱內(nèi)壓增高、阻塞性黃疸、以及洋地黃、奎尼丁或心得安類(lèi)藥物過(guò)量或中毒。如心率低于40次/分，應(yīng)考慮有房室傳導(dǎo)阻滯。心率過(guò)快超過(guò)160次/分，或低于40次/分，大多見(jiàn)于心臟病病

14、人，病人常有心悸、胸悶、心前區(qū)不適，應(yīng)及早進(jìn)行詳細(xì)檢查，以便針對(duì)病因進(jìn)行治療。心電圖如圖1.1所示。圖1.1 心電圖脈搏波：人體心室周期性的收縮和舒張導(dǎo)致主動(dòng)脈的收縮和舒張,使血流壓力以波的形式從主動(dòng)脈根部開(kāi)始沿著整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)傳播,這種波稱(chēng)為脈搏波。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息,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。正常人脈搏數(shù)為6080次/分鐘，嬰兒為90100次/分鐘，老人為100150次/分鐘。脈搏波如圖1.2所示。 圖1.2 脈搏波心率與脈搏的聯(lián)系：心率與脈搏在身體正常的時(shí)候是相等的，只有在心臟出現(xiàn)疾病的時(shí)候出現(xiàn)。因此心率測(cè)量問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為脈

15、搏的測(cè)量，而脈搏的測(cè)量有更容易實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛運(yùn)用。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效測(cè)量范圍為50次199次/分鐘。檢測(cè)的基本原理是：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??；當(dāng)血液流回心臟，組織則半透明度增大。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。因此，本心率監(jiān)測(cè)儀將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的上述部位，并用裝在該部位另一側(cè)或旁邊的紅外光電管來(lái)檢測(cè)機(jī)體組織的透明程度并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于此信號(hào)的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比，故只要把它轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，即可實(shí)時(shí)地測(cè)出脈搏的次數(shù)6。1.3 系統(tǒng)方框圖檢測(cè)的基本

16、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?。划?dāng)血液流回心臟，組織則半透明度增大。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。因此，將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的上述部位，并用裝在該部位另一側(cè)或旁邊的紅外光電管來(lái)檢測(cè)機(jī)體組織的透明程度并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)7。由于此信號(hào)的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比，故只要把它轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，即可實(shí)時(shí)地測(cè)出脈搏的次數(shù)。心率監(jiān)測(cè)儀由單片機(jī)AT89C2051、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、傳感器與信號(hào)處理電路、顯示電路和報(bào)警電路等組成，如圖1.3所示。圖1.3 心率監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)總框圖光電式脈搏波

17、傳感器從手指獲取脈搏信號(hào)，通過(guò)前置放大和濾波電路，再經(jīng)過(guò)波形變換電路后，將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)傳給單片機(jī)。顯示器將單片機(jī)處理后的信號(hào)顯示出來(lái)，同時(shí)每次脈沖的到來(lái)均響鈴，與脈搏同步。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 單片機(jī)介紹2.1.1 AT89C2051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： ·和MCS-51產(chǎn)品的兼容 ·15根可編程I/O引線 ·2K字節(jié)可重編程閃速存儲(chǔ)器 ·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 ·耐久性：1,000寫(xiě)擦除周期 ·六個(gè)中斷源

18、·2.7V6V的操作范圍 ·可編程串行UART通道 ·全靜態(tài)操作：0Hz24MHz ·直接LED驅(qū)動(dòng)輸出 ·兩級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 ·低功耗空載和掉電方式 ·128×8位內(nèi)部RAM   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)。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(guò)在單塊芯片上組合通用的閃速存儲(chǔ)器，ATMEL的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

19、成本低的解決辦法。 此外，從AT89C2051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。其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。 圖2.1 AT89C2051結(jié)構(gòu)框圖2.1.2 AT89C2051的引腳說(shuō)明 AT89C2051是一個(gè)有20個(gè)引腳的芯片，引腳如圖2.2所示，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。圖2.2 AT89C2051引

20、腳圖AT89C2051芯片的20個(gè)引腳功能為： （1）Vcc：電源電壓。 （2）GND：地。 （3）P1口：P1口是一個(gè)8位雙向I/O口。引腳P1.2P1.7提供內(nèi)部上拉阻。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(xiě)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

21、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(wèn)。P3口緩沖器可吸收20mA電流。當(dāng)P3口引腳寫(xiě)入“1”時(shí)，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。 

22、;        （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 P3口的功能   P3口引腳 功 能  P3.0RXD(串行輸入端口)  P3.1TXD(串行輸出端口)   P3.2INT0(外中斷0)   P3.3INT1(外中斷1)   P3.4 TO(定時(shí)器0外部輸入)   P3.5       

23、; T1(定時(shí)器1外部輸入) 2.2 傳感器與信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)2.2.1 光電式脈搏波傳感器其原理是利用光電信號(hào)來(lái)測(cè)量脈搏容量的變化。當(dāng)血管內(nèi)血容量變化時(shí)，組織對(duì)光的吸收程度相對(duì)發(fā)生變化，利用光電傳感器可測(cè)出這種變化，該變化反映出血液動(dòng)脈的基本參數(shù)情況（包括頻率、幅度、脈搏波形狀的改變）。根據(jù)郎伯特比爾（lambert-beer）定律，物質(zhì)在一定波長(zhǎng)處的吸光度和他的濃度成正比，當(dāng)恒定波長(zhǎng)的光照射到人體組織上時(shí),通過(guò)人體組織吸收、反射衰減后測(cè)量到的光強(qiáng)在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。光電式脈搏波傳感器可分為反射型光電式脈搏波傳感器和透射型光電式脈搏波傳感器?？衫冒l(fā)光二極

24、管做光源，光敏晶體管做光檢測(cè)器件組成光電式脈搏波傳感器。將發(fā)光二極管和光敏晶體管分別放在組織的兩邊（透射法）或同一側(cè)（反射法），當(dāng)被測(cè)處血管中的血液流動(dòng)改變時(shí)，此處組織的透光率和反射率隨之變化，光敏晶體管就可將此時(shí)引起的光線變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。反射型光電式脈搏波傳感器：光源和光敏元件處于被測(cè)部位的同一側(cè)，光源所發(fā)處的光線經(jīng)指尖組織的反射有一小部分可以透過(guò)指尖組織和血液照射到光敏元件所在的窗口中，再由光敏元件檢測(cè)出其變化，因此血液的搏動(dòng)情況可以被描記，通常稱(chēng)這種傳感器為反射型光電式脈搏波傳感器8，其電路如圖2.3所示。圖2.3反射型光電式脈搏波傳感器光源和光敏元件分別處于被測(cè)部位的兩側(cè)，光源

25、發(fā)出的光線可以經(jīng)指尖部組織透射到光敏元件所在的窗口，從而由光敏元件檢測(cè)出脈搏的波動(dòng)信號(hào)，這樣記錄的波也有將其作為指尖容積波處理，通常稱(chēng)這種傳感器為透射型光電式脈搏波傳感器，其電路如圖2.4所示。圖2.4 透射型光電式脈搏波傳感器本設(shè)計(jì)選用透射型光電式脈搏波傳感器，其電路如圖2.5所示。圖2.5透射型光電式脈搏波傳感器電路圖因?yàn)閭鞲衅鬏敵鲂盘?hào)的頻率很低，如當(dāng)脈搏為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)R14、C8組成的低通濾波器濾除高頻干擾，當(dāng)傳感器與手指斷開(kāi)或檢測(cè)到較強(qiáng)的干擾光線時(shí)，輸出端的直流電壓會(huì)出現(xiàn)很大變化，用C6、C7背靠背串聯(lián)組成的雙極性

26、耦合電容把它隔斷，濾除直流成分。2.2.2 前置放大與濾波電路1. LM324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，外形如圖所示。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。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，引腳如圖2.6所示。圖2.6 LM324引腳圖2. 前置放大與波形變換電路運(yùn)放IC1a將信號(hào)放大200倍，并與R11、C5組成截止頻率為10Hz左右的低通濾波器以進(jìn)一步濾除殘留的干擾，其輸出的信號(hào)是疊加有噪聲的脈動(dòng)脈搏波，此信號(hào)由滯回比較器（施密特觸發(fā)器）IC1d轉(zhuǎn)換成方波9。該比

27、較器的閾值可用P2調(diào)定在脈搏波的幅值范圍之內(nèi)，但對(duì)P2的調(diào)定要求并不嚴(yán)格，因?yàn)镮C1d的輸出信號(hào)經(jīng)C4、C3的微分后總是將正、負(fù)相間的尖脈沖加到單穩(wěn)多諧振蕩器IC1c的反相輸入端，不會(huì)造成很大的觸發(fā)誤差。當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，IC1c在滯回比較器IC1d輸入信號(hào)的每個(gè)下降沿到來(lái)時(shí)輸出高電平，使C3通過(guò)R6充電。大約持續(xù)20ms之后，因C3充電電流減小而使IC1c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(guò)去很久），于是IC1c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D14的閃亮指示出來(lái)。同時(shí)，該脈沖電平通過(guò)R17送到單片機(jī)P3.3腳，進(jìn)行對(duì)心率的計(jì)算和顯示。9

28、v電源電壓由R3、R4分壓成4.5v，再經(jīng)IC1b緩沖后用作IC1 a、IC1d、 IC1c的參考電壓，這樣即使電池電電壓降低到6v本電路也能正常工作。其電路如圖2.7所示。圖2.7 波形變換電路2.3 顯示電路2.3.1 ULN2003的功能ULN2003(國(guó)產(chǎn)型號(hào)為5G1413) 是七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器陣列，是個(gè)集電極開(kāi)路(OC)輸出的反向器.最大驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受 50V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。采用DIP-16或SOP-16 塑料封裝， 如圖2.8所示。圖2.8 ULN2003引腳和內(nèi)部方框圖2.3.3 顯示電路接口設(shè)計(jì)選用七段共陰數(shù)碼

29、管作為數(shù)據(jù)顯示器，單片機(jī)AT89C2051的P1口接數(shù)碼管的a、b、c、d、e、f、g和dp引腳。P3.0P3.2接ULN2003的1B、2B和3B，ULN2003的1C、2C和3C分別接三個(gè)數(shù)碼管的公共端子COM2 、COM1 和COM0。當(dāng)P3.0P3.2其中有一個(gè)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，分別驅(qū)動(dòng)7SEG2、7SEG1 和7SEG0，此時(shí)從P1口輸出經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)數(shù)碼管就可以顯示心率的次數(shù)（每分鐘送一次數(shù)據(jù)），其中P3.3是對(duì)脈沖計(jì)數(shù)的。8個(gè)220的排阻接電源后接P1口，作限流用，維持?jǐn)?shù)碼管正常顯示，當(dāng)單片機(jī)復(fù)位時(shí)，使P1口電平全為高電平。其電路如圖2.9所示，本部分運(yùn)用89C2051單片機(jī)

30、作核心元件，在這里運(yùn)用了單片機(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。ULN2003為內(nèi)置達(dá)林頓管集成電路，作動(dòng)態(tài)掃描時(shí)的選通驅(qū)動(dòng)用。來(lái)自傳感下降沿到達(dá)時(shí)，單片機(jī)對(duì)兩次脈沖間的時(shí)間進(jìn)行運(yùn)算得出心率，通過(guò)P1口把結(jié)果送到數(shù)碼管顯示出來(lái)。同時(shí)，對(duì)每次脈沖的到來(lái)均響鈴，與脈搏同步。這樣，就可以通過(guò)聲光的形式和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機(jī)89C2051的P3.3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)；當(dāng)下一次脈沖的形象地把脈搏的快慢顯示出來(lái)。為避免干擾的影響，單片機(jī)對(duì)兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間距進(jìn)行檢測(cè)，

31、若發(fā)現(xiàn)有干擾則忽略該干擾而不顯示。圖2.9 顯示電路圖2.4 報(bào)警電路 報(bào)警電路是對(duì)每次脈沖的到來(lái)均響鈴，與脈搏同步。這樣，就可以通過(guò)聲光的形式形象地把脈搏的快慢顯示出來(lái)，其電路如圖2.10所示。圖2.10 報(bào)警電路2.5 時(shí)鐘和復(fù)位電路設(shè)計(jì)2.5.1 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)單片機(jī)內(nèi)部時(shí)候方式如圖2.11所示。在單片機(jī)內(nèi)部有一振蕩器電路，只要在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體，就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。圖中電容C9和C10的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在530pF。晶振X1的振蕩頻率范圍為1.212MHz，典型值為12 MHz和6 MHz。圖2.12 時(shí)鐘電路2

32、.5.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)按鍵與上電復(fù)位電路如圖2.13所示。開(kāi)機(jī)瞬間RESET引腳獲得高電平，隨著電容 C11的充電，RESET引腳的高電平將逐漸下降。RESET引腳的高電平只要保持足夠的時(shí)間（2個(gè)機(jī)器周期），單片機(jī)就可以進(jìn)行復(fù)位操作；另外，在單片機(jī)運(yùn)行期間，還可以利用按鍵來(lái)完成復(fù)位操作。圖2.13 復(fù)位電路3 軟件設(shè)計(jì)3.1 中端程序流程圖3.1.1 定時(shí)器中斷程序流程圖 圖4.1 定時(shí)器中斷程序流程圖MOV A，MORE_200 ；判斷是否大于200，即是否小于50次CJNE A,#00H,TOKEEP ；大于200，即小于50次CLR C ；保持原來(lái)的顯示MOV A，TIMES ；判斷是

33、否小于50，即是否大于200次SUBB A，#32HJC TOKEEP ；小于50，保持原來(lái)的顯示3.1.2 INT中斷程序流程圖 圖4.2 INT中斷程序流程圖subs2: MOV A，R2 SUBB A，R1 MOV R2，A JC chg2dec INC R7 AJMP subs2CHG2DEC: MOV A，R7 ；由r7 的值轉(zhuǎn)換成3位十進(jìn)制，其中r1為百位,r2為十位，r3為個(gè)位 CLR C 3.2 顯示程序流程圖 圖2.16 顯示程序流程圖 ORG 0600HDELAY： PUSH ACC MOV A, R5 PUSH ACC MOV R5，#0AH ；延時(shí)1msD2_1： MO

34、V R4，#32HD2_2： DJNZ R4，D2_2 DJNZ R5，D2_14 調(diào)試與仿真4.1 仿真軟件（1）Proteus軟件元件庫(kù)中包含的元器件非常豐富,應(yīng)用涵蓋了軟件部分的匯編、C語(yǔ)言的調(diào)試，可以輔助類(lèi)如單片機(jī)、數(shù)字電路、電子電路等多種科目教學(xué)。本文研究并舉例說(shuō)明了該軟件在電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，闡述了使用該軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有系統(tǒng)資源豐富、硬件投入少、工程實(shí)踐最為接近和學(xué)生綜合能力得到提高等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐證明，該軟件廣泛加以應(yīng)用，可以提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，通過(guò)理論與仿真驗(yàn)證相結(jié)合，可以克服傳統(tǒng)教學(xué)中的不足。（2）打開(kāi)Keil uVision3，新建Keil項(xiàng)目，選擇AT89C2051單片機(jī)

35、作為CPU，新建匯編源程序文件，編寫(xiě)程序，并將其導(dǎo)入”Source Group1”中10。“ptions for Target ”對(duì)話窗口中，選擇“Output”選擇卡中的“Create HEX File ”選項(xiàng)和“Debug”選項(xiàng)卡中的“Debug Use：Proteus VSW Simulator”選項(xiàng)。編譯匯編源程序，改正程序中的錯(cuò)誤。（3）在Proteus ISIS中，選中AT89C2051并單擊鼠標(biāo)左鍵，打開(kāi)“Edit Component對(duì)話窗口，設(shè)置單片機(jī)晶振頻率為12MHZ11。在Proteus ISIS的菜單欄中選擇“File”/“Save Design”保存設(shè)計(jì)。打開(kāi)“Deb

36、ug”/Use Remote Debug Monitor以支持與Keil的聯(lián)合調(diào)試。4.2 調(diào)試仿真中注意的問(wèn)題（1）在用Proteus ISIS仿真時(shí)，記的要先生成.HEX文件。（2）在Keil的菜單欄中選擇“Debug”/Start/Stop Debug Session選項(xiàng)，進(jìn)入程序調(diào)試環(huán)境。只有按“F5”鍵，順序運(yùn)行程序，觀察程序運(yùn)行結(jié)果。結(jié)論從硬件設(shè)計(jì)到軟件設(shè)計(jì)，再到電路的調(diào)試與仿真，這樣的過(guò)程讓我懂得一個(gè)電子工程師在設(shè)計(jì)中的基本工作流程。體會(huì)到單片機(jī)在智能儀器設(shè)計(jì)中的強(qiáng)大作用，能熟練使用Protel99SE、Keil uVision3和Proteus7.12軟件。但在設(shè)計(jì)過(guò)程中明顯感

37、覺(jué)到用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)程序還沒(méi)有達(dá)到熟練程度，在以后的學(xué)習(xí)中還需要加強(qiáng)程序的編寫(xiě)，尤其是單片機(jī)C語(yǔ)言。硬件方面對(duì)電路理論、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)要求很高，因此在后期學(xué)習(xí)及以后的工作過(guò)程中還學(xué)要把這三門(mén)課加強(qiáng)。參考文獻(xiàn)1鄭文，李峰，刑武，李瑩瑩心血管功能脈圖檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用2004，40(22)：199-201.2 Neal B，Chapman N，PateI AManaging the global burden of cardiovasculardiseaseEuropean Hearl Jounral。Supplements2002，4：F2-F6.3 李澤君基于心電與

38、脈搏信息的心血管功能檢測(cè)與監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究北京工業(yè)大學(xué)碩士論文2004：l-5.4 Aarner Chughtai and Ella AKazerooniCT and M剛of Acute Thoracic Cardiovascular EmergenciesCritical Care Clinics，2007，23(4)：835-8535TaiJenchao,Tseng Shungtsang,Lin Chingpo, et al. Real2time ima2 getracking for automatic trafficmonitoring and enforcement appli2 c

39、ationsJ. Image and Vision Computing, 2004, 22 (6): 485-501.6 吳本王介. 紅外技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)J. 中國(guó)醫(yī)療器械信息2. 3. 1 信號(hào)識(shí)別和心率換算 2001 ,7(2) :33-35.7 趙治棟，唐囪宏，趙知?jiǎng)??；鐷ilbert-Huang Transform的心音信號(hào)譜分析瑟J傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，18(1)：18-22.8 譚善文，秦樹(shù)人，湯寶平Hilbert-Huang變換的濾波特性及其應(yīng)用J重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，200427(2)：9-12.9 程光 . 指動(dòng)脈搏動(dòng)波光電傳感器的研制J. 南京醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào) 2001 ,7（4）:3

40、29 - 330.10 徐愛(ài)鈞，彭秀華Keil Cx51 V7.1單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言程序與uVision2應(yīng)用實(shí)踐M北京：電子工業(yè)出版社，2004，11-15.11 林志琦基于Proteus的單片機(jī)可視化軟硬件仿真M北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006，55-56. 附錄A 心率監(jiān)測(cè)儀電氣原理圖附錄B 部分源程序 ORG 0000H AJMP START ORG 000BH AJMP TIME ORG 0013H AJMP INT_1TIMES EQU 30HMORE_200 EQU 31HMORE200 EQU 32HBELL EQU 33H ORG 00e0HSTART: MOV SP,#5

41、0H MOV TMOD,#01H；方式1，定時(shí)時(shí)間為6ms MOV TH0,#0E8H MOV TL0,#90H SETB EA ；開(kāi)總中斷 SETB IT1 ；INT1 負(fù)跳變觸發(fā) SETB EX1 ；INT1 開(kāi)中斷 SETB ET0 SETB IE1 MOV R1,#00H MOV R2,#00H MOV R3,#02H SETB TR0 ORG 0100H MOV R3,#06H AJMP MAIN ORG 0110HMAIN: ACALL SHOW AJMP MAIN;* ORG 0200HTIME: CLR ex1 PUSH ACC PUSH PSW MOV TH0,#0E8H M

42、OV TL0,#90H CLR C MOV A,R6 ；大于200既是小于50次每分；清r6，并置標(biāo)志位MORE200為1 SUBB A,#0C8H JC T_TEMP1 MOV R6,#00H MOV MORE200,#01H AJMP T_TEMP2T_TEMP1: INC R6T_TEMP2: CLR C MOV A,BELL SUBB A,#01H ；響鈴18ms，與脈搏脈沖同步 JC STOPBELL SETB P3.7 AJMP SSSSSTOPBELL: CLR P3.7SSSS: SETB ex1 POP PSW POP ACC RETI NOP NOP LJMP 0100H;

43、* ORG 0300HINT_1: PUSH PSW ; PUSH ACC MOV TIMES,R6；保存r6的時(shí)間 MOV R6,#00H ；令r6為0，重新計(jì)時(shí) MOV MORE_200,MORE200；保存MORE200標(biāo)志位 MOV MORE200,#00H；令MORE200為0 MOV BELL,#03H；設(shè)響鈴 MOV A,MORE_200 ；判斷是否大于200，即是否小于50次 CJNE A,#00H,TOKEEP；大于200，即小于50次，；保持原來(lái)的顯示 CLR C MOV A,TIMES ；判斷是否小于50，即是否大于200次 SUBB A,#32H JC TOKEEP ；

44、小于50，保持原來(lái)的顯示 AJMP CALCULATETOKEEP: POP ACC POP PSW AJMP C_TORETICALCULATE:push psw PSW ACC MOV R1,times MOV R7,#0H MOV R3,#27H MOV R2,#10H CLR Csubs1: MOV A,R2 SUBB A,R1 MOV R2,A MOV A,R3 SUBB A,#0H INC R7 MOV R3,A CLR C CJNE R3,#0H,subs1subs2: MOV A,R2 SUBB A,R1 MOV R2,A JC chg2dec INC R7 AJMP subs2CHG2DEC: MOV A,R7；由r7 的值轉(zhuǎn)換成3位十進(jìn)制，其中r1為百位,r2為十位，r3為個(gè)位 CLR C SUBB A,#0C7H ；大