基于單片機(jī)的人體脈搏檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的人體脈搏檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要脈搏波所呈現(xiàn)出來(lái)的形態(tài)、強(qiáng)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。本課題是人體脈搏測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)。由于脈搏信號(hào)的特殊性，在設(shè)計(jì)時(shí)必須要注意實(shí)現(xiàn)測(cè)量的準(zhǔn)確。該系統(tǒng)的重點(diǎn)就在于要求實(shí)現(xiàn)測(cè)量的簡(jiǎn)便化和精確化。系統(tǒng)測(cè)量出人體一分鐘的脈搏，并且保證誤差在2次以?xún)?nèi)。本系統(tǒng)以89S51單片機(jī)作為中心，通過(guò)使用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最核心的計(jì)算脈搏功能。在信號(hào)的前端處理上，使用壓電陶瓷片采集人體脈搏信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)AD620放大，施密特觸發(fā)器整形，低通濾波器濾波等一系列操作，將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的脈沖信號(hào)輸入到單片機(jī)內(nèi)，并利用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)的方法是利用單片機(jī)的計(jì)時(shí)器，然后由該周期計(jì)算出頻率，繼而就可以求出一分鐘的脈搏數(shù)。計(jì)數(shù)結(jié)果將最終送至液晶屏1602來(lái)進(jìn)行顯示。雖然壓電陶瓷片的性能并非很好，在信號(hào)的采集上不能實(shí)現(xiàn)非常精確的采集，但是它的價(jià)格低廉，并且在經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路后，也能比擬滿(mǎn)意的實(shí)現(xiàn)我們所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。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。本文首先描述本設(shè)計(jì)的整體思路，然后介紹各個(gè)局部設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)問(wèn)題，最后提出一些完善本設(shè)計(jì)的改良意見(jiàn)。關(guān)鍵字：脈搏測(cè)量；壓電陶瓷片；液晶顯示屏；單片機(jī)THEDESIGNOFHUMANPLUSEDETECTIONSYSTEMBASEDONMCUABSTRACTTheshape,intensity,speed,andrhythmofpulsesignalsmostlyreflectthephysicalandpathologicalcharactersofheart-bloodsysteminhumanbodies.Thistopicisadesignofbodypulsemeasuringinstrument.Becauseofthespecificityofthepulsesignal,thedesignmustpayattentiontoachieveanaccuratemeasurement.Thepointofthisdesignisthesimpleandpreciseofthemeasurement.Weneedtomeasurethepulseofthehumanbodyinoneminute,andtoensurethattheerrorinlessthan2times..Thewholesystemiscenteronsingle-chipmicrocomputer89s51,usingthesignle-chiptoachievethesystemcorefunctionofcountingpulse.Inthefront-endofthesignal,weusepiezoelectricceramicstocollectthesignalofthehumanbodypulse.Andthen,afterafteramplificationoftheAD620,shapingofthe555,filteringofthelow-passfilterandotheroperations,thesignalwillbeconvertedtothepulsesignalwiththesamefrequency,andthissignalwillbeinputtothesingle-ship.Thesingle-shipwillcounttothis.Themethodofcountingisusingthetimerofthesingle-ship,andthenusethecycle,getthefrequency,bythefrequency,wecangetthenumberoftheone-minutepulse.Thefinalresultofthecountwilldisplayinthe1602LCDscreen.Althoughtheperformanceofthepiezoelectricceramicsisnotverygood,inthesignalcollection.itcan’tdoitveryprecise.Butitspriceisverylow,andafterthesignalconditioningcircuitofthesystem,thesignalcanbequitesatisfactorytoachieveourobjectives.Atthebeginningofthepaper,theintegralnotionofthedevicedesignisbroughtout.Afterwards,thedetailinformationofeachpartisnarrated.Atlastpart,somesuggestionsforimprovingthedeviceareprovided.Keywords:Pulsemeasurement;piezoelectricceramics;LCD;single-ship目錄TOC\h\z\t"一級(jí)標(biāo)題,1,二級(jí)標(biāo)題,2,三級(jí)標(biāo)題,3"1緒論11.1課題背景及目的11.2國(guó)內(nèi)外研究狀況及開(kāi)展趨勢(shì)21.3課題研究難點(diǎn)31.3.1抗干擾31.3.2低噪聲、低漂移31.4課題主要研究?jī)?nèi)容42系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)52.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案6傳感器的選擇62.1.2單片機(jī)的選擇82.1.3信號(hào)調(diào)理電路的選擇102.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案102.2.1脈搏波動(dòng)頻率測(cè)量方案的選擇102.2.2單片機(jī)工作方式的選擇102.2.3顯示電路方案的選擇113系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)123.1一級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)123.2二階濾波器電路的設(shè)計(jì)153.3第二級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)173.4整形電路183.5定時(shí)計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)213.6顯示電路的設(shè)計(jì)224系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)254.1主程序流程的設(shè)計(jì)254.2定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷程序流程的設(shè)計(jì)264.3顯示程序流程的設(shè)計(jì)275總結(jié)與展望28參考文獻(xiàn)29致謝31附錄32附錄A原理圖32附錄B主程序33附錄C顯示程序37附件附件A開(kāi)題報(bào)告附件B譯文及原文影印件1緒論1.1課題背景及目的脈搏是臨床檢查和生理研究中常見(jiàn)的生理現(xiàn)象[1]，包含了反映心臟和血管狀態(tài)的重要生理信息。人體內(nèi)各器官的健康狀態(tài)、病變等信息將以某種方式顯現(xiàn)在脈搏中即在脈象中。人體脈象中富含有關(guān)心臟、內(nèi)外循環(huán)和神經(jīng)等系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息，我們可以通過(guò)對(duì)脈搏波檢測(cè)得到的脈波圖含有出許多有診斷價(jià)值的信息，可以用來(lái)預(yù)測(cè)人體某些器臟結(jié)構(gòu)和功能的變換趨勢(shì)，如:血管幾何形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)的變異會(huì)引起脈搏波波形和波速等性質(zhì)的改變，而脈搏的病理生理性改變常引發(fā)各種心血管事件，脈搏生理性能的改變可以先于疾病臨床病癥出現(xiàn)，通過(guò)對(duì)脈搏的檢測(cè)可以對(duì)如高血壓和糖尿病等引起的血管病變進(jìn)行評(píng)估。同時(shí)脈搏測(cè)量還為血壓測(cè)量，血流測(cè)量及其他某些生理檢測(cè)技術(shù)提供了一種生理參考信號(hào)。在醫(yī)院臨床監(jiān)護(hù)和日常中老年保健中，脈搏是一項(xiàng)根本的生命指標(biāo)，因而脈搏測(cè)量是最常見(jiàn)的生命特征的提取。[2]近年來(lái)出現(xiàn)的日常監(jiān)護(hù)儀器，如便攜式電子血壓計(jì)，可以完成脈搏的測(cè)量。但是這種便攜式電子血壓計(jì)利用微型氣泵加壓橡膠氣囊，每次測(cè)量都需要一個(gè)加壓和減壓的過(guò)程，存在體積龐大、加減壓過(guò)程會(huì)有不適、脈搏檢測(cè)的精確度低等缺點(diǎn)。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。本設(shè)計(jì)所使用的系統(tǒng)利用壓電陶瓷片將脈博轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后利用AT89S51單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)采集和處理，在短時(shí)間內(nèi)，測(cè)量出人體一分鐘的脈搏數(shù)，并將心率進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，便于攜帶。到達(dá)了方便、快速、準(zhǔn)確地測(cè)量心率的目的。這樣的脈搏測(cè)量系統(tǒng)性能良好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高，輸出顯示穩(wěn)定，比擬適應(yīng)群眾化，適合家庭進(jìn)行自我檢查以及醫(yī)院護(hù)士進(jìn)行每日的臨床記錄。1.2國(guó)內(nèi)外研究狀況及開(kāi)展趨勢(shì)早在1860年Vierordt創(chuàng)立了第一臺(tái)杠桿式脈搏描記儀[3]，國(guó)內(nèi)20世紀(jì)50年代初朱顏將脈搏儀引用到中醫(yī)脈診的客觀化研究方面。此后隨著機(jī)械及電子技術(shù)的開(kāi)展，國(guó)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(guó)內(nèi)天津、上海、貴州、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(gè)新的境界。以下按脈象儀探頭的形式，傳感器的特點(diǎn)及研制者作一簡(jiǎn)單的歸納[4]，詳見(jiàn)表1-1。表1-1脈象儀的研制情況研制者探頭形式〔單部〕探頭形勢(shì)〔三部〕北京醫(yī)療器械廠(chǎng)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(diǎn)式〕3MX-1型〔應(yīng)變片〕天津醫(yī)療儀器研究所MTY-A〔寸部7點(diǎn)，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(diǎn)，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(diǎn)〕上海中醫(yī)研究院橫向線(xiàn)列式九道〔應(yīng)變片〕浙江大學(xué)63點(diǎn)〔PVDF壓電薄膜〕西苑醫(yī)院壓電晶體江西脈圖協(xié)作組MX-811型〔液態(tài)泵〕中科院根底所硅杯式〔單晶硅〕中科院智能機(jī)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(guó)臺(tái)灣汪叔游三部壓力換能器美國(guó)Dr.Laub〔壓電晶體〕三部手套力與壓力復(fù)合式德國(guó)Park.H.S三部綁帶充氣加壓脈象探頭式樣[5]很多，有單部、三部、單點(diǎn)、多點(diǎn)、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(diǎn)應(yīng)變片式為最廣泛，不過(guò)近年來(lái)正在向三部多點(diǎn)式方向開(kāi)展。脈搏測(cè)量?jī)x的開(kāi)展主要向以下幾個(gè)趨勢(shì)開(kāi)展：(1)自動(dòng)測(cè)量脈搏并且對(duì)所得到的脈搏進(jìn)行自動(dòng)分析。目前很多脈搏測(cè)量?jī)x都具有檢測(cè)血氧等其他的功能，但是對(duì)這些信號(hào)的分析和診斷還需要一些有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生觀察，進(jìn)行分析后才能確認(rèn)結(jié)果，浪費(fèi)大量的人力，且由人為引入的誤差較大。因此，未來(lái)脈搏自動(dòng)檢測(cè)的內(nèi)容將更加詳細(xì)，自動(dòng)分析診斷功能也更強(qiáng)大。(2)數(shù)字化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用。隨著數(shù)字科學(xué)技術(shù)的開(kāi)展，脈搏測(cè)量?jī)x集成度將更高，更便于攜帶。數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)用將使干擾更小，測(cè)量更為準(zhǔn)確?！?〕多功能化越來(lái)越明顯目前的脈搏測(cè)量?jī)x，一般都具有測(cè)試血氧，心電圖等等功能，單純的脈搏測(cè)量?jī)x已經(jīng)很少見(jiàn)。隨著電子技術(shù)的開(kāi)展，脈搏測(cè)量?jī)x必然可以實(shí)現(xiàn)更多的功能。1.3課題研究難點(diǎn)由于人體的脈搏信號(hào)具有頻率低、幅度小干擾大，不穩(wěn)定度低，隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得對(duì)脈搏信號(hào)的采集放大電路的設(shè)計(jì)提出了很?chē)?yán)格的要求，尤其是抗干擾變?yōu)槭种匾?，需要設(shè)計(jì)低通濾波器進(jìn)行濾波。選擇放大器時(shí)需要從增益、頻率響應(yīng)，輸入阻抗，共模抑制比，噪聲，漂移等幾個(gè)方面加以綜合考慮[6]。1.3.1抗干擾〔1〕工頻50HZ干擾及其各次諧波使用頻率為50HZ的市電的電子儀器設(shè)備會(huì)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，其幅值大約是脈搏信號(hào)峰峰值的50%,是主要的干擾源〔2〕肌電干擾肌肉的收縮會(huì)產(chǎn)生微伏級(jí)的電勢(shì)，其幅值大約是脈搏信號(hào)峰峰值的10％，維持時(shí)間大約是50ms，頻帶范圍可以在0HZ~10000HZ。〔3〕由于呼吸引起的基線(xiàn)漂移和ECG幅度變化呼吸引起的基線(xiàn)漂移可以看成是一個(gè)以呼吸的頻率參加ECG信號(hào)的竇性成分〔正弦曲線(xiàn)〕，這個(gè)正弦成分的幅度和頻率是變化的。呼吸所引起的ECG信號(hào)的幅度的變化可以到達(dá)15％?；€(xiàn)漂移的頻率是從0.15～0.3HZ。1.3.2低噪聲、低漂移在脈搏信號(hào)放大器中，由于增益較高，噪聲和漂移是兩個(gè)較重要的參數(shù)。脈搏信號(hào)放大器運(yùn)行過(guò)程中的噪聲主要表現(xiàn)為電子線(xiàn)路的固有熱噪聲和散粒噪聲，這些都屬于白噪聲，其幅值為正態(tài)分布。為了獲得一定信噪比的輸出信號(hào)，對(duì)放大器的低噪聲性能有嚴(yán)格要求。另外，溫度變化會(huì)造成零點(diǎn)漂移，漂移現(xiàn)象限制了放大器的輸入范圍，使得微弱的緩變信號(hào)無(wú)法被放大。而脈搏信號(hào)具有很低的頻率成分，為了能正常測(cè)量，必須采取措施來(lái)限制放大器的漂移。所以放大器應(yīng)選用低漂移，高輸入阻抗并且具有高共模抑制比的集成運(yùn)放電路。1.4課題主要研究?jī)?nèi)容正常人的脈搏次數(shù)是每分鐘60～80次〔嬰兒為90～140次,老年人那么為100～150次),這種頻率信號(hào)屬于低頻范疇.因此,脈搏測(cè)量?jī)x是用來(lái)測(cè)量低頻信號(hào)的裝置,它的根本功能要求應(yīng)該是:〔1〕要把人體的脈搏數(shù)(振動(dòng))轉(zhuǎn)換成電信號(hào),這就需要借助傳感器?！?〕對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)要進(jìn)行放大和整形處理，以保證其它電路能正常加工和處理。〔3〕在很短的時(shí)間〔假設(shè)干秒〕內(nèi)，測(cè)出經(jīng)放大后的電信號(hào)頻率值?？傊?，脈搏測(cè)量?jī)x的核心是要對(duì)低頻信號(hào)在固定的短時(shí)間計(jì)數(shù)，最后以數(shù)字形式顯示出來(lái)。可見(jiàn)，脈搏測(cè)量?jī)x的主要組成局部是計(jì)數(shù)器和數(shù)字顯示器。脈搏測(cè)量?jī)x的上述功能要求，可采用兩個(gè)不同的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：〔1〕把轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的脈搏信號(hào)，在單位時(shí)間內(nèi)〔一分鐘或半分鐘〕進(jìn)行計(jì)數(shù)，并用數(shù)字顯示其計(jì)數(shù)值，從而直接得到每分鐘的脈搏數(shù)?！?〕測(cè)量脈搏跳動(dòng)固定次數(shù)〔比方5次，10次〕所需的時(shí)間，然后轉(zhuǎn)換為每分鐘的脈搏數(shù)[7]。這兩種方案比擬起來(lái)，第一種更直觀，所需的電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單些；第二種方案的測(cè)量誤差比擬小，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)電路要復(fù)雜些。本設(shè)計(jì)采用第二種方案。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)脈搏測(cè)量?jī)x要實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏信號(hào)的檢測(cè)，并且能夠?qū)γ}搏信號(hào)進(jìn)行處理，并進(jìn)而求得脈搏數(shù)來(lái)顯示?？紤]到系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，有兩種方案可以實(shí)現(xiàn)。方案一：使用純硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)的框圖如下列圖2.1所示LCD顯示〔3位〕標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)〔分〕發(fā)生器LCD顯示〔3位〕標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)〔分〕發(fā)生器計(jì)數(shù)器譯碼器計(jì)數(shù)器譯碼器放大整形人體脈搏檢測(cè)放大整形人體脈搏檢測(cè)圖2.1純硬件脈搏測(cè)量?jī)x框圖方案二：使用單片機(jī)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后利用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)脈搏測(cè)量功能。使用該方案其框圖如下列圖圖2.2所示。信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理脈搏檢測(cè)人體單片機(jī)電路顯示圖2.2單片機(jī)脈搏測(cè)量?jī)x框圖通過(guò)比擬以上兩種方案。方案一由于使用純硬件方式，系統(tǒng)穩(wěn)定度比擬高。但是功能有限，靈活度較低，也不能很好的實(shí)現(xiàn)鍛煉自己的目的。而單片機(jī)方案有較大的活動(dòng)空間，不但能實(shí)現(xiàn)所要求的功能而且能在很大的程度上擴(kuò)展功能，而且還可以方便的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，所以我們采用后一種方案。2.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案2.1.1傳感器的選擇〔1〕壓電式傳感器目前常用的是一次性心電電極,它是用印刷方法制得的Ag/Agcl傳感器。這種傳感器采用接扣與敏感區(qū)別離的方法,能明顯的減少由于人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾。電極的好壞對(duì)采集到的心電信號(hào)質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用,采用的電極應(yīng)有貼力強(qiáng),能緊附在人體外表,柔軟、吸汗、極化電壓低、導(dǎo)電性良好等特點(diǎn)。中選用電極傳感器時(shí),需要3個(gè)電極分別置于左右手和左腿,構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)。臨床上為了統(tǒng)一和便于比擬所獲得的脈搏信號(hào),在檢測(cè)脈搏信號(hào)時(shí),對(duì)電極的位置,引線(xiàn)與放大器的連接方式都有嚴(yán)格的統(tǒng)一規(guī)定。目前市場(chǎng)上有一種采用新型高分子壓電材料聚偏氟乙烯研制的壓電傳感器,其靈敏度高,頻帶范圍好,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于使用。當(dāng)手指前端受到輕微的壓力時(shí)，可以感覺(jué)到手指前端在血壓的作用下有一張一弛的感覺(jué)，將這個(gè)信號(hào)用傳感器提取出來(lái)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)指脈的波形檢測(cè)，就可以獲得人體的脈搏信號(hào)?！?〕光電式傳感器血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比血液中大幾十倍，據(jù)此特點(diǎn)，采用光電效應(yīng)手指脈搏傳感器[8][9]來(lái)拾取脈搏信號(hào)。反向偏壓的光敏二極管，它的反向電流具有隨光照強(qiáng)度增加而增加的光電效應(yīng)特性，在一定光強(qiáng)范圍內(nèi)，光敏二極管的反向電流與光強(qiáng)呈線(xiàn)性關(guān)系。指端血管的容積和透光度隨心搏改變時(shí)，將使光電三極管極管收到不同的光強(qiáng)，并由此產(chǎn)生的光電流均隨之作相應(yīng)變化。常用檢測(cè)脈搏的光電傳感器[10]分為紅外對(duì)管和紅外放射管。采用紅外對(duì)管。將對(duì)管夾于手指端部，通過(guò)手指的血液濃度會(huì)隨著心臟的跳動(dòng)發(fā)生變化，紅外對(duì)管對(duì)應(yīng)的信號(hào)便會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，采集此信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，濾波，比擬等處理便可以得到理想的信號(hào)。采用反射式的紅外管?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的心率計(jì)普遍采用這種傳感器來(lái)采集信號(hào)，因?yàn)榇思t外管接收和發(fā)射都在手指的同一側(cè)，因此便不用考慮每個(gè)人手指情況不同所造成的麻煩。接收的是血液漫反射回來(lái)的光，此信號(hào)可以精確地測(cè)得血管內(nèi)容積變化?！?〕集成傳感器當(dāng)前,市面上有很多類(lèi)型的集成心電傳感器[11],其靈敏度高,集成度高,直接就可以反映出心率的變化,且已包含了濾波等抗干擾電路,波形經(jīng)過(guò)放大可以直接處理使用。缺點(diǎn)是價(jià)格非常昂貴，一般均在五百元以上。三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)比擬〔1〕光電式：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，易于操作,響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：1、外部光源的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響較大；2、需要購(gòu)置專(zhuān)門(mén)的醫(yī)用光電傳感器，價(jià)格較貴且不易購(gòu)置；3、對(duì)這樣的器件接觸很少，對(duì)其進(jìn)行調(diào)試時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)較大困難?！?〕壓電式：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，工作頻帶寬，應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，且價(jià)格低廉。缺點(diǎn)：直接與人體相接觸，容易因?yàn)槿梭w肌肉的顫抖等而產(chǎn)生干擾。并且容易受到外界其他信號(hào)的干擾?！?〕集成式:優(yōu)點(diǎn):集成度高,包含了濾波,放大電路,可以直接輸出信號(hào),便于操作,有效的減少了各種干擾。缺點(diǎn):降低了本任務(wù)的難度,如果采用該傳感器，只需將其直接接上單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)功能，且價(jià)格非常昂貴?？紤]到種種情況，結(jié)合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求以及經(jīng)費(fèi)的考慮，最終選擇壓電式傳感器。該傳感器價(jià)格較低，而且輸出電壓變化較為明顯，可以實(shí)現(xiàn)我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。壓電陶瓷片[12][13]的外觀和電路符號(hào)如下列圖2.3所示。壓電片包括三個(gè)局部，鍍銀層，壓電陶瓷，以及銅片。外部壓力作用于銅片時(shí)，壓電陶瓷就可以感受壓力而產(chǎn)生電信號(hào)，并最終通過(guò)鍍銀層將該信號(hào)輸出。在使用時(shí)，壓電陶瓷片要通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與電路板連接,注意在焊接壓電陶瓷片時(shí),時(shí)間不能太長(zhǎng)以免燙壞壓電陶瓷片的鍍銀層。圖2.3壓電陶瓷片的符號(hào)及外觀由于壓電陶瓷片的資料比擬少，為了確定使用該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)本次設(shè)計(jì)的目的，先要對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，來(lái)確定它的輸出電壓是否符合要求。使用實(shí)驗(yàn)室砝碼來(lái)測(cè)試，其結(jié)果如下表表2-1所示。表2-1壓電陶瓷片輸出電壓測(cè)試表壓力(N)輸出電壓(mV)0.1964.410.3924.550.5884.770.7844.800.984.851.1765.051.3725.351.5685.54由于只需要4mv-5mv左右的電壓輸出，就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求[14]。由本次試驗(yàn)，可以得知壓電陶瓷片可以實(shí)現(xiàn)我們所要到達(dá)的目標(biāo)。2.1.2單片機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)作為一個(gè)簡(jiǎn)單脈搏測(cè)量?jī)x，最后需給出脈搏波動(dòng)頻率。以單片機(jī)作為信息處理中心，通過(guò)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，完成信號(hào)輸入檢測(cè)、信息分析處理及信息顯示?！?〕AVR單片機(jī)AVR單片機(jī)[15][16]是ATMEL公司生產(chǎn)的單片機(jī)。1997年,由ATMEL公司挪威設(shè)計(jì)中心的A先生與V先生利用ATMEL公司的Flash新技術(shù),共同研發(fā)出RISC精簡(jiǎn)指令集的高速8位單片機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)AVR。相對(duì)于出現(xiàn)較早也較為成熟的51系列單片機(jī)，AVR系列單片機(jī)片內(nèi)資源更為豐富，接口也更為強(qiáng)大，同時(shí)由于其價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，在很多場(chǎng)合可以替代51系列單片機(jī)。其特點(diǎn)是高速度(50ns)、低功耗,硬件應(yīng)用Harward結(jié)構(gòu)，具有預(yù)取指令功能，使得指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行，而MSC-51要12個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令。AVR單片機(jī)如LPC2131等。〔2〕凌陽(yáng)單片機(jī)凌陽(yáng)是臺(tái)灣凌陽(yáng)公司推出的單片機(jī)，具有高速度、低價(jià)、可靠、實(shí)用、體積小、功耗低和簡(jiǎn)單易學(xué)等特點(diǎn)，它的CPU內(nèi)核采用凌陽(yáng)推出的MicrocontrollerandSignalProcessor16位微機(jī)處理器芯片，以下簡(jiǎn)稱(chēng)µ’nSP。圍繞micro;’nSP所形成的16位u’nSP系列單片機(jī)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)µ’nSP家族。采用的是模塊式集成結(jié)構(gòu)，它以µ’nSP內(nèi)核為中心集成不同規(guī)模的ROMPAM和功能豐富的各種外設(shè)部件。µ’nSP內(nèi)核是一個(gè)通用的和結(jié)構(gòu)。除此之外的其它功能模塊均為可選結(jié)構(gòu)。以及這種結(jié)構(gòu)可大可小可有可無(wú)，借助這種通用結(jié)構(gòu)附加可選結(jié)構(gòu)的積木式的構(gòu)成，便可成為各種系列的派生產(chǎn)品，以適合不同場(chǎng)合，這樣做無(wú)疑會(huì)使每種派生產(chǎn)品具有更強(qiáng)的功能和更低的本錢(qián)。µ’nSP家族有有以下特點(diǎn)：體積小，集成度高，可靠性好易于擴(kuò)展。µ’nSP家族把各功能把各功能部件模塊化地集成在一個(gè)芯片里。內(nèi)部采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，因?yàn)闇p少了各功能部件之間的連接，提高了其可靠性和抗干擾能力，另外，模塊化的結(jié)構(gòu)易于系列的擴(kuò)展，以適應(yīng)不同用戶(hù)的需求。具有較強(qiáng)的中斷處理能力。μ’nSPTM家族的中斷系統(tǒng)支持10個(gè)中斷向量及10余個(gè)中斷源，適合實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域。高性能價(jià)格比：μ’nSPTM家族片內(nèi)帶有高尋址能力的ROM，靜態(tài)RAM和多功能的I/O口，另外μ’nSPTM的指令系統(tǒng)提供出具有較高運(yùn)算速度的16位，16位的乘法運(yùn)算指令和內(nèi)積運(yùn)算指令，為其應(yīng)用添加了DSP功能，使得μ’nSPTM家族運(yùn)用在復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理方面既很便利又比專(zhuān)用的DSP芯片廉價(jià)。如SPCE061等。〔3〕51單片機(jī)51單片機(jī)是對(duì)目前所有兼容Intel8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱(chēng)。該系列單片機(jī)的始祖是Intel的8031單片機(jī)，后來(lái)隨著Flashrom技術(shù)的開(kāi)展，8031單片機(jī)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，成為目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號(hào)是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)之中。目前很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出，在目前乃至今后很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)將占有大量市場(chǎng)。51單片機(jī)是根底入門(mén)的一個(gè)單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。51單片機(jī)是INTEL公司生產(chǎn)的。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格廉價(jià)，易于開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)。通用型，有總線(xiàn)擴(kuò)展，有較強(qiáng)的位處理功能，有全雙工異步串行通信口。但是其功能相對(duì)較少，訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)有瓶頸，作電壓范圍窄。本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)只需要對(duì)脈搏信號(hào)的波動(dòng)頻率進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算和顯示，對(duì)單片機(jī)的要求不是很高。而對(duì)51單片機(jī)，本人比擬熟悉，所以，本設(shè)計(jì)中選擇51單片機(jī)作為信息處理中心。在51系列單片機(jī)中，AT89系列單片機(jī)是美國(guó)ATMEL公司推出的一種新型高性能低價(jià)位、低電壓低功耗的8位CMOS微型計(jì)算機(jī)。AT89S51就是其中一款，它可以完全滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，而且，AT89S51的價(jià)格較低。2.1.3信號(hào)調(diào)理電路的選擇信號(hào)調(diào)理電路包括對(duì)信號(hào)的放大和濾波兩個(gè)局部[17][18]。由于傳感器輸出的電壓比擬小，在幾毫伏左右，且頻率較低，需要低噪聲，低漂移，高輸入阻抗的放大器，所以選擇使用儀表放大器。肌電干擾可能會(huì)導(dǎo)致放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)偏移，甚至使放大器到達(dá)飽和，所以第一級(jí)放大器的放大倍數(shù)不能太高。因此還需要另一個(gè)放大器。此外，為了濾去高頻信號(hào)和市電的干擾，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器。這局部電路的框圖如圖2.4所示。圖2.4信號(hào)調(diào)理單元框圖2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案2.2.1脈搏波動(dòng)頻率測(cè)量方案的選擇脈沖信號(hào)的頻率是指在單位時(shí)間內(nèi)由信號(hào)所產(chǎn)生的交變次數(shù)或脈沖個(gè)數(shù)，即?？梢钥闯鰷y(cè)量fx必須將N或t兩個(gè)量之一作為閘門(mén)或基準(zhǔn)，對(duì)另一個(gè)量進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于不同的頻率范圍，有三種不同的測(cè)量方法?！?〕周期測(cè)量法：適用于低頻信號(hào)。采用單片機(jī)內(nèi)的一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以單片機(jī)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器周期作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)Ts。被測(cè)信號(hào)的周期作為信號(hào)閘門(mén)，由程序控制開(kāi)關(guān)對(duì)時(shí)基進(jìn)行計(jì)數(shù)得nx，因此被測(cè)信號(hào)周期為，每分鐘脈搏跳動(dòng)次數(shù)為?！?〕多周期同步法：適用于中頻信號(hào)。其特點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)不是用來(lái)填充待測(cè)信號(hào)的周期，而是與待測(cè)信號(hào)分別輸入到兩個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行同步計(jì)數(shù)?！?〕頻率測(cè)量法：適用于高頻信號(hào)。充分利用單片機(jī)內(nèi)的兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)作為定時(shí)器，給出標(biāo)準(zhǔn)閘門(mén)信號(hào)，另一個(gè)作為計(jì)數(shù)器。人體脈搏波動(dòng)頻率一般為60～80次/min，其頻率成分主要分布在0～20Hz之間，屬于次聲，最高頻率不超過(guò)40Hz，一般情況下為1Hz左右，屬于低頻信號(hào)。所以，本設(shè)計(jì)中選擇周期測(cè)量法。2.2.2單片機(jī)工作方式的選擇單片機(jī)數(shù)據(jù)傳送方式[19]一般有以下幾種：〔1〕查詢(xún)方式：由于CPU與外設(shè)之間存在時(shí)序、速度等差異，在數(shù)據(jù)傳送前必須檢測(cè)接口狀態(tài)，探查外設(shè)是否數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。查詢(xún)方式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，硬件開(kāi)銷(xiāo)??；缺點(diǎn)是CPU在整個(gè)傳送過(guò)程中需要不斷檢測(cè)外設(shè)狀態(tài)，由于CPU的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(wú)需檢測(cè)外設(shè)是否數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，不占據(jù)CPU時(shí)間，因此CPU與外設(shè)并行工作，提高了CPU的工作效率，還滿(mǎn)足了外設(shè)的實(shí)時(shí)要求。本設(shè)計(jì)中，選擇中斷方式。2.2.3顯示電路方案的選擇脈搏信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，得到脈搏波動(dòng)頻率之后，需要在顯示電路中直觀地顯示出來(lái)。所以，需要選用適宜的顯示設(shè)備及顯示電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波動(dòng)頻率信息的顯示。人體脈搏信號(hào)從時(shí)域上看，是一個(gè)周期性較強(qiáng)的準(zhǔn)周期信號(hào)。脈搏波動(dòng)頻率一般為60～80次/min。本設(shè)計(jì)中，顯示位數(shù)較多?？梢赃x擇LCD字符液晶屏來(lái)對(duì)脈搏波動(dòng)頻率信息進(jìn)行顯示。它具有：電參數(shù)(VDD=5.0V10%,VSS=0V,Ta=25)顯示內(nèi)容：16字符x2行字符點(diǎn)陣：5x8點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式：1/16D可供型號(hào)：TNSTN(黃綠?；夷：诎啄?反射型帶EL或LCD背光源LCD常用顯示方法有兩種：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。〔1〕靜態(tài)顯示：所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)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(jī)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(shí)，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機(jī)中CPU的開(kāi)銷(xiāo)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(shí)?！?〕動(dòng)態(tài)掃描顯示：所謂動(dòng)態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點(diǎn)亮顯示器各個(gè)位〔掃描〕，對(duì)于顯示器的每一位來(lái)說(shuō)，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。利用人的視覺(jué)暫留功能可以看到整個(gè)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(shí)，用靜態(tài)顯示所需的I/O太多，一般采用動(dòng)態(tài)顯示的方法。本設(shè)計(jì)中，顯示的脈搏波動(dòng)頻率，同時(shí)顯示脈搏次數(shù)和測(cè)試時(shí)間，選用動(dòng)態(tài)顯示。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，脈搏波動(dòng)頻率測(cè)量的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)脈搏傳感器采集脈搏信息輸出電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大電路對(duì)其進(jìn)行放大。然后，將放大后的脈搏信號(hào)經(jīng)過(guò)整形電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的脈沖。通過(guò)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波動(dòng)頻率的測(cè)量和計(jì)算，并在顯示電路中直觀的顯示出來(lái)。本章對(duì)各局部電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)論述與分析。3.1一級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)一級(jí)放大電路[20]是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn),脈搏測(cè)量?jī)x要求在脈搏信號(hào)頻率范圍內(nèi)，不失真的放大所采集的微弱信號(hào),這要求所用的放大器必須具有低噪聲,低漂移,低失調(diào)參數(shù),高共模抑制比,高輸入阻抗,線(xiàn)形度小等特點(diǎn)。為了到達(dá)上述要求,并聯(lián)型雙運(yùn)放放大電路[21]能滿(mǎn)足其要求圖3.1并聯(lián)型雙運(yùn)放放大電路前兩個(gè)運(yùn)放為同向比例放大器,輸入阻抗很高,它對(duì)共模信號(hào)有很高的抑制比。由于Rx連接于這兩個(gè)放大器的求和點(diǎn)之間,當(dāng)一個(gè)差分電壓加到醫(yī)用放大器的輸入端時(shí),整個(gè)輸入的電壓都呈現(xiàn)在Rx兩端。由于Rx兩端的電壓等于V2-V1,所以流過(guò)Rx的電流等于(V2-V1)/Rx,因此輸入信號(hào)將通過(guò)放大器獲得增益并且得到放大。這種電路的優(yōu)點(diǎn)在于：a,高共模抑制比；b,通常只需改變電阻Rx大小可改變?cè)鲆?。以上電路需要三個(gè)運(yùn)放，在調(diào)試的時(shí)候會(huì)比擬復(fù)雜?，F(xiàn)在的很多儀表放大器的內(nèi)部電路與這個(gè)電路相同，而且儀表放大器都有成品可以買(mǎi)到,只需調(diào)整外界電阻就可以調(diào)整放大器的放大倍數(shù)，準(zhǔn)確而且方便。以下是幾種常用的集成儀表放大器[22][23],其主要參數(shù)如表3-1表3-1三種集成醫(yī)用放大器參數(shù)器件輸入失調(diào)電壓輸入偏置電流輸入失調(diào)電流輸入噪聲AD62050uV1.0nA0.5nA13INA128125nV5.0nA5.0nA10OPA1311mV50pA50pA21脈搏信號(hào)是在強(qiáng)噪聲下的微弱信號(hào)，它對(duì)前置放大器的共模抑制比，輸入阻抗，輸入噪聲，輸入失調(diào)電壓有較嚴(yán)格的要求，由表3-1知AD620是最為理想的。AD620參數(shù)如表3-2所示。表3-2AD620參數(shù)表工程規(guī)格備注增益范圍1～1000只需一個(gè)電阻就可以設(shè)定電源供給范圍2.V~ 1V低耗電量最大供給電流=1.3mA可用電池供電，方便運(yùn)用于便攜式器材精確度高40ppm的最大非線(xiàn)性度；低訊號(hào)9nV/Hz使用場(chǎng)合AD620的芯片引腳如圖3.2所示圖3.2AD620芯片引腳圖其中增益為〔3-1〕由于肌電干擾可能造成前置放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的偏移，甚至截至飽和，所以前置放大器的增益不能太大。所以設(shè)計(jì)時(shí)考慮兩級(jí)放大,第一級(jí)采用AD620,外接一個(gè)4.7K的電阻,放大倍數(shù)由公式大約放大十倍左右。實(shí)際的一級(jí)放大電路原理圖如圖3.3所示。圖3.3一級(jí)放大電路3.2二階濾波器電路的設(shè)計(jì)由于脈搏信號(hào)的頻率在1.33HZ左右，正常情況下不會(huì)出現(xiàn)高于2HZ的信號(hào)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，用來(lái)濾去高頻信號(hào)。在這個(gè)系統(tǒng)中最大的干擾就是來(lái)自市電的50HZ干擾信號(hào)，考慮到有些病人在患病時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)較高的脈搏，因此在設(shè)計(jì)濾波器的截止頻率在4HZ左右，這樣不但能保證不濾去脈搏信號(hào)，而且能很好的將干擾濾去。〔1〕方案選擇：方案一：無(wú)源濾波器采用RC低通濾波器。其電路如圖3.4所示，特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，阻帶衰減太慢，選擇性較差。其幅頻特性如圖3.5所示。圖3.4一階無(wú)源濾波圖3.5一階無(wú)源濾波器幅頻特性方案二：二階低通濾波器采用二階有源濾波器，通帶內(nèi)幅頻特性曲線(xiàn)比擬平坦，而且二階也可以到達(dá)較陡的衰減的特性。由于主要的干擾出現(xiàn)在50HZ左右，所以在截止頻率較低時(shí)，采用二階濾波器即可到達(dá)很好的濾波效果。二階有源濾波器的電路圖如圖3.6所示。其幅頻特性如圖3.7所示。圖3.6二階有源濾波器圖3.7有源濾波器幅頻特性〔2〕參數(shù)確定電容C的容量宜在微法數(shù)量級(jí)以下,電阻器的阻值一般應(yīng)在幾百千歐以?xún)?nèi)。我們現(xiàn)在設(shè)定C1=C2=0.33uF，R1=R2=100K。根據(jù) 〔3-2〕可以計(jì)算出，該濾波器的截止頻率為4.8HZ。符合所要到達(dá)的指標(biāo)。同時(shí)，為了更好的實(shí)現(xiàn)效果，也可以使用一些稍大的電阻，如110K等?！?〕方案確定由于使用二階有源濾波器能夠很好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的濾波目的，所以選擇使用方案二，即二階有源濾波器。其電路原理圖如圖3.8所示。 圖3.8二階濾波器3.3第二級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)第二級(jí)放大采用同相放大器[24],其電路圖為圖3.9同相放大器電路其閉環(huán)電壓增益AVF=1+EQ\F(RF,R1)〔3-3〕輸入電阻Ri=ric 〔3-4〕輸出電阻R0=0〔3-5〕平衡電阻RP=R1//RF〔3-6〕其中，ric為運(yùn)放本身同相端對(duì)地的共模輸入電阻，一般為108歐姆。同相放大器具有輸入阻抗高，輸出阻抗很低的特點(diǎn)，廣泛用于前置放大級(jí)。假設(shè)RF≈0，R1=∞〔開(kāi)路〕，那么為電壓跟隨器，與晶體管電壓跟隨器〔射極輸出器〕相比，集成運(yùn)放的電壓跟隨器的輸入阻抗更高，幾乎不從信號(hào)源吸取電流；輸出阻抗更小，可視作電壓源，是較理想的阻抗變換器。在設(shè)計(jì)時(shí)，選用的運(yùn)放為T(mén)L082，該運(yùn)放具有較小的輸入偏置電壓和偏移電流，輸出設(shè)有短路保護(hù)，輸入級(jí)有較高的輸入阻抗，完全可以到達(dá)設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，設(shè)定RF=100K,R1=1K,由AVF=1+EQ\F(RF,R1)〔3-7〕可以得到第二級(jí)的放大倍數(shù)為101倍,可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要到達(dá)的放大參數(shù)。第二級(jí)放大電路的電路圖如圖3.10所示。圖3.10第二級(jí)放大器電路3.4整形電路由于單片機(jī)只能檢測(cè)到數(shù)字信號(hào)，因此，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后得到的模擬信號(hào)必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這里有兩個(gè)方案可以選擇。方案一:使用三極管進(jìn)行整形.圖3.11三極管整形電路方案二：使用施密特觸發(fā)器[25]來(lái)實(shí)現(xiàn)整形。只要使用一個(gè)施密特觸發(fā)器，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于信號(hào)的整流作用。由于三極管的調(diào)試較為復(fù)雜，且工作性能不如施密特觸發(fā)器穩(wěn)定，所以我們選用施密特觸發(fā)器?，F(xiàn)在的施密特觸發(fā)器一般分為由555芯片構(gòu)成和用TTL電路構(gòu)成兩種。使用由555芯片構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，因此選用555芯片來(lái)完成該項(xiàng)任務(wù)。由555芯片構(gòu)成的施密特觸發(fā)器如圖3.12所示。圖3.12555施密特觸發(fā)器電路圖使用施密特觸發(fā)器后，其輸入輸出波形的變化如圖3.13所示。圖3.13施密特觸發(fā)器工作波形由于VCC=5V，所以，當(dāng)輸入電壓大于2/3VCC，也就是3.33V時(shí)，電路就可以輸出高電平，然后一直持續(xù)到1/3VCC，也就是1.67V時(shí)，電路開(kāi)始輸出低電平。在前面的電路中，脈搏信號(hào)被轉(zhuǎn)化為5V左右的信號(hào)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，脈搏信號(hào)在本級(jí)可以被轉(zhuǎn)化為能被單片機(jī)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。圖3.14整形電路3.5定時(shí)計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)在這里，單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏信號(hào)的處理。在檢測(cè)到第一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，開(kāi)啟定時(shí)器，然后在下一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，關(guān)閉計(jì)時(shí)器，如此就可以求得一次心跳所需要的時(shí)間，然后由該周期就可以得到一分鐘的脈搏數(shù)?？紤]到單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)以上功能，選擇使用AT89S51來(lái)構(gòu)成電路。AT89S51[27]是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性?xún)r(jià)比的解決方案。AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器〔RAM〕，32個(gè)外部雙向輸入/輸出〔I/O〕口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門(mén)狗〔WDT〕電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。經(jīng)過(guò)整形的信號(hào)由單片機(jī)的INT0口輸入，使用單片機(jī)的外部中斷0。單片機(jī)的P0口作為數(shù)據(jù)口，與顯示屏相接，來(lái)輸出單片機(jī)所計(jì)算的脈搏值。單片機(jī)的P2.5，P2.6,P2.7口接到液晶屏的控制端，來(lái)控制單片機(jī)工作。設(shè)置定時(shí)/計(jì)數(shù)器1屏蔽，定時(shí)/計(jì)數(shù)器0工作方式為16位計(jì)數(shù)器，并對(duì)中斷做出定義[28]。定時(shí)計(jì)數(shù)電路如圖3.15所示。圖3.15定時(shí)計(jì)數(shù)電路3.6顯示電路的設(shè)計(jì)脈搏信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，得到脈搏波動(dòng)頻率之后，需要在顯示電路中直觀地顯示出來(lái)。所以，需要選用適宜的顯示設(shè)備及顯示電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波動(dòng)頻率信息的顯示。本設(shè)計(jì)中，采用1602[29]字符液晶屏動(dòng)態(tài)顯示方式來(lái)顯示脈搏波動(dòng)頻率信息。顯示電路如圖3.16所示，1602字符液晶屏?xí)r序參數(shù)如表3-3所示，硬件端口定義及軟件資源分配如表3-4所示。表3-3液晶驅(qū)動(dòng)程序硬件端口資源分配表硬件端口分配資源說(shuō)明RSP0.0存放器選擇控制線(xiàn)RWP0.1LCD讀寫(xiě)控制線(xiàn)EP0.2啟用控制線(xiàn)，高電平動(dòng)作LCDP2雙向數(shù)據(jù)總線(xiàn)POS_FLAG20H字符串顯示位置標(biāo)志，為0時(shí)顯示在第一行，為1時(shí)顯示在第二行BLANK30H清行時(shí)填入的空格個(gè)數(shù)控制變量LCD初始化液晶顯示模塊1602的控制指令：1602的控制指令共11條,其中9條針對(duì)命令存放器IR的，[30][31]另外2條是針對(duì)數(shù)據(jù)存放器DR的，具體指令如表3.4所示。表3-41602指令表〔注：×表示可以為0或1〕編號(hào)指令RSRWD7D6D5D4D3D2D1D01清屏顯示00000000012光標(biāo)返回000000001×3置輸入模式00000001I/DS4顯示開(kāi)/關(guān)控制0000001DCB5光標(biāo)或字符移位000001S/CR/L××6置功能00001DLNF××7置字符發(fā)生存儲(chǔ)器地址0001字符發(fā)生存儲(chǔ)器地址(AGG)8置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址001顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址(ADD)9讀忙標(biāo)志或地址01BF計(jì)數(shù)器地址(AC)10寫(xiě)數(shù)到CGRAM或DDRAM10要寫(xiě)的數(shù)據(jù)11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)[32][33]表3-4的相關(guān)命令設(shè)置如表3-5所示：表3-51602指令相關(guān)設(shè)置命令設(shè)置命令設(shè)置I/D1—增量方式，0—減量方式S/C1—顯示器移位，0—光標(biāo)移位S1—不移動(dòng)，0—移動(dòng)R/L1—右移，0—左移D1—顯示，0—不顯示DL1—8BIT，0—6BITC1—顯示光標(biāo)，0—不顯示光標(biāo)N1—2行，0—1行B1—光標(biāo)閃爍，0—光標(biāo)不閃爍F1—5*10字型，0—5*7字型BF1—正在執(zhí)行內(nèi)部操作，0—可接收命令圖3.16液晶顯示電路4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1主程序流程的設(shè)計(jì)本程序的主要思路是，利用單片機(jī)的兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，得出一分鐘的脈搏數(shù)，最后送LCD顯示。流程如圖4.1所示。YYN開(kāi)始初始化設(shè)置T0、T1值為0設(shè)計(jì)數(shù)器結(jié)束標(biāo)志為0開(kāi)T0,T1中斷計(jì)數(shù)結(jié)束標(biāo)志=1？算出脈搏頻率送顯示結(jié)束圖4.1主程序流程圖4.2定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷程序流程的設(shè)計(jì)T0是定時(shí)器，T1是計(jì)數(shù)器。T0,T1中斷請(qǐng)求來(lái)自于輸入單片機(jī)中頻率為1Hz的脈沖信號(hào)。T0中斷開(kāi)始執(zhí)行后，檢測(cè)T1代表的時(shí)間是否大于60S，沒(méi)有大于60S那么繼續(xù)檢測(cè)，大于60S那么關(guān)T1,T0中斷，然后設(shè)計(jì)數(shù)結(jié)束的標(biāo)志為1。T1中斷采用邊沿觸發(fā)方式，當(dāng)處于測(cè)量狀態(tài)的時(shí)候來(lái)一個(gè)脈沖，脈搏次數(shù)就加一，由T0定時(shí)一分鐘，累加得出一分鐘的脈搏次數(shù)。T0，T1流程分別如圖4.2，圖4.3所示。NNYT0中斷入口T1代表的時(shí)間≥60S？關(guān)T1、T0中斷設(shè)計(jì)數(shù)結(jié)束的標(biāo)志為1結(jié)束圖4.2T0中斷程序流程圖LCD顯示T1的值LCD顯示T1的值結(jié)束T1中斷入口圖4.3T1中斷程序流程圖4.3顯示程序流程的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)LCD1602顯示的內(nèi)容是被測(cè)量者一分鐘的脈搏次數(shù)。設(shè)置的動(dòng)態(tài)顯示方式是顯示的內(nèi)容在屏幕上從左向右移動(dòng)。從中斷程序中取得結(jié)果后，顯示測(cè)試中的脈搏次數(shù)。在液晶屏的第一行將顯示出字符“yourpulseis：〞,在第二行顯示出脈搏數(shù)。其數(shù)據(jù)口為P0口。sbitRS=P2^5;//H數(shù)據(jù)，L指令sbitRW=P2^6;//H讀，L寫(xiě)sbitE=P2^7;//片使能信號(hào)，控制其工作。#defineLCD_DataP0//數(shù)據(jù)口流程如圖4.4所示。顯示子程序顯示子程序取結(jié)果顯示測(cè)試中的脈搏數(shù)延時(shí)返回圖4.4顯示程序流程圖5總結(jié)與展望本設(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(guò)單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了脈搏的測(cè)量系統(tǒng)，由壓電陶瓷片采集到脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)的放大、濾波和整形電路將輸出的信號(hào)通過(guò)單片機(jī)的外部中斷獲取并液晶屏上顯示。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)間比擬短，同時(shí)本人掌握的知識(shí)有限，本次設(shè)計(jì)雖已完成，但其中有很多缺乏，如程序不夠簡(jiǎn)練，壓電傳感器靈敏度不夠高，液晶屏顯示局部不夠完美等，同時(shí)此次設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x功能比擬單一，沒(méi)有如語(yǔ)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(guò)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(lái)更多的方便和精彩。為了更好的進(jìn)行基于單片機(jī)的人體脈搏檢測(cè)系統(tǒng)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(guò)這次畢設(shè)，我收獲了很多，具體總結(jié)如下：〔1〕通過(guò)此次的設(shè)計(jì)，使我知道了無(wú)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(guò)此次的設(shè)計(jì)，使我了解了脈搏測(cè)量?jī)x在國(guó)內(nèi)外開(kāi)展之迅速、應(yīng)用領(lǐng)域之廣、市場(chǎng)前景之大。〔3〕通過(guò)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?！?〕通過(guò)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?！?〕通過(guò)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(guò)程中的樂(lè)趣。參考文獻(xiàn)[1]高上凱．淺談腦一機(jī)接口的開(kāi)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)[J]．中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2007，26(6)：801-803．[2]楊國(guó)忠．生物醫(yī)學(xué)工程的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)[J]．世界醫(yī)療器械，1995，1(1).[3]齊頒揚(yáng)．醫(yī)學(xué)儀器[M]．北京：高等教育出版社，1990．[4]程詠梅，夏雅琴，尚嵐，人體脈搏波信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)[J]．北京生物醫(yī)學(xué)工程，2006，25(5)：1-3．[5]彭承琳．生物醫(yī)學(xué)傳感器原理及應(yīng)用[M]．高等教育出版社，2000．[6]趙茂泰．智能儀器原理及應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社．2004：7．[7]楊福生．電生理信號(hào)的檢測(cè)[J]．世界醫(yī)療器械，1996，2(2)．[8]劉文，楊欣，張鎧麟．基于AT89C2051單片機(jī)的指脈檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J]．醫(yī)療裝備，2005，9：2-14．[9]歐陽(yáng)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(shí)用預(yù)防醫(yī)學(xué)，2004，11(2)：2-4．[10]李秀農(nóng)，汪國(guó)強(qiáng)．光電式脈搏傳感器及由其組成的血壓測(cè)量?jī)x[J]．電測(cè)與儀表，1998，35(3)：35-48．[11]丁鎮(zhèn)生．傳感及其遙控遙測(cè)技術(shù)應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2002．[12]強(qiáng)錫富．傳感器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社．2001：5.[13]王博亮，劉迎春，劉安芝．醫(yī)用傳感器及其接口設(shè)計(jì)[J]．北京，國(guó)防工業(yè)出版社，1998.[14]葉湘濱，熊飛麗，張文娜，羅武勝．傳感器與測(cè)試技術(shù)[M].．北京：國(guó)防工業(yè)出版社．2023：1.[15]張克彥．AVR單片機(jī)實(shí)用程序設(shè)計(jì)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003．[16]丁化成，耿德根，李君凱．AVR單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002．[17]張亮．脈搏采集系統(tǒng)的研制[D]．東北大學(xué)，2005.[18]劉繼光.人體脈搏信號(hào)的采集裝置[D]．沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2006.[19]葉青，劉錚，張靜，雷輝.微機(jī)原理與接口技術(shù)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2023：9.[20]孫友明，黃秉鐮新型腦電信號(hào)放大檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)[J]．醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2007，28(1)：15-17．[21]童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)根底〔第五版〕[M].北京：高等教育出版社，2006.[22]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.[23]齊頌揚(yáng)．醫(yī)學(xué)儀器[M]．北京：高等教育出版社，1993：35-39.[24]李建鋒，何為，楊浩．基于DSP的心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)[N]．重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)，2003－6．[25]閻石．?dāng)?shù)字電子技術(shù)根底〔第五版〕[M]．北京：高等教育出版社，2006.[26]張靖武，周靈彬，方曙光．單片機(jī)原理、應(yīng)用于PROTEUS仿真〔第二版〕[M].北京：電子工業(yè)出版社，2023.[27]康華光．單片機(jī)典型外圍器件及應(yīng)用實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社.，2003.[28]KaraS,Kemalo?luS,Kirba??.Low-costcompactECGwithgraphicLCDandphonocardiogramsystemdesign[J].JournalofMedicalSystems,2006,30(3):205-209.[29]AnalogDevice．ADuC841_2_3_adatasheet[M]．AnalogDevice，2003：20－45．[30]J.C.CandyandG.C.Temes．OversamplingMethodsforDataConversion[M]．IEEEPacificRimconferenceonCommunications，ComputersandSignalProcessing，May1991：9-10．[31]JohnD．RyderElectronicFundamentalsandApplications[M]．1983：1-24．[32]AndrewK．AcceleratedC++：practicalprogrammingbyexample[M]．PearsonEducationIndia，2000.致謝四年大學(xué)生活即將結(jié)束，在這四年中，我收獲了知識(shí)，收獲了友誼，更收獲了為人處事的道理。感謝學(xué)校為我提供了自我發(fā)揮的舞臺(tái)，我在這里盡情展現(xiàn)自己的才能。在這個(gè)大家庭里，我和其他的同學(xué)共同生活，共同學(xué)習(xí)。其實(shí)生活的道路一直不是這么平坦的，在前進(jìn)的道路上，我遇到了很多的困難和挫折，但是憑借著自己的毅力和周?chē)蠋?、同學(xué)的幫助，我最終都努力地克服了。感謝學(xué)院、分院的各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)，為我們創(chuàng)造的良好的學(xué)習(xí)氣氛，感謝各位老師和我的朋友，以及電信0901班的各位同學(xué)們，你們的關(guān)心與幫助使我能夠更好地成長(zhǎng)。感謝我的各位專(zhuān)業(yè)授課老師，正是你們的辛勤工作，使我對(duì)本專(zhuān)業(yè)產(chǎn)生了濃厚的興趣，而且學(xué)到了很多的知識(shí)，掌握了很多的方法。你們的諄諄教誨使我有志于在本專(zhuān)業(yè)繼續(xù)深造。感謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師XX老師，您的指導(dǎo)和教誨將我領(lǐng)進(jìn)了單片機(jī)這一扇大門(mén)。您嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)態(tài)度、樂(lè)觀的生活態(tài)度深深地影響著我，是您細(xì)心認(rèn)真地指導(dǎo)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)，指出我的缺乏之處，以使我及時(shí)修改更正。父母是我生命中最重要的人，我今天取得的成績(jī)與他們?yōu)槲业母冻鍪欠植婚_(kāi)的。他們一如既往的支持，是我前進(jìn)的最大動(dòng)力，是我成功的基石，感謝你們多年來(lái)為我的付出。附錄A原理圖附錄B主程序#include<reg52.h>#include"LCD_1602.c"http://定義周期測(cè)頻法測(cè)式的周期數(shù)，這個(gè)值越大，結(jié)果越精確，但也需//要更多的時(shí)間。#defineTF_TIMES3//頻率暫存字unsignedlongg_Ftmp;unsignedlongg_Ftmp_All;//單周期信號(hào)結(jié)束標(biāo)志0未測(cè)試完成1初始化2測(cè)試完成unsignedintg_flag;//定時(shí)器T0溢出次數(shù)統(tǒng)計(jì)unsignedlongg_T0count;//每分鐘心跳次數(shù)unsignedintg_CountMinu;unsignedcharcodestring1[]="YourPulseIs:";voidINT0ISR(void)interrupt0//外部中斷0中斷效勞函數(shù){ //IE0=0;//外部中斷0標(biāo)志位清0在邊沿觸發(fā)模式下 //會(huì)由硬件清零 TR0=0;//停止計(jì)數(shù) if(1!=g_flag) { g_Ftmp=g_T0count*65535; g_Ftmp+=(unsignedint)(TH0<<8)+TL0; g_flag=2; } else { g_flag=0; } TH0=0; TL0=0; g_T0count=0; TR0=1;//啟動(dòng)定時(shí)器進(jìn)行下一周期測(cè)頻}voidT0ISR(void)interrupt1//定時(shí)器0溢出中斷效勞函數(shù){ TH0=0; TL0=0; g_T0count++;}voidTFInit(void)//初始化函數(shù){ EX0=1;//使能外部中斷0 IT0=1;//外部中斷0觸發(fā)方式為邊沿觸發(fā)高-->低 ET0=1;//使能T0溢出中斷 PX0=1;//外部中斷0為高優(yōu)先級(jí) PT0=0; //定時(shí)器0溢出中斷為低優(yōu)先級(jí) TMOD=0x01;//屏蔽T1,GATE=0:軟件控制TR0啟動(dòng)定時(shí)器 //C/T=0:T0工作在定時(shí)器方式 //M1\M0=01:T0