基于單片機(jī)的脈搏測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

摘要脈搏測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x的簡(jiǎn)便性和精確度，本課題設(shè)計(jì)了一種基于51單片機(jī)的脈搏測(cè)量?jī)x。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(lái)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(guò)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。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)工作正常，到達(dá)設(shè)計(jì)要求。AbstractPulsemeasuringinstrumenthasbeenwidelyusedinourdailylife.Inordertoincreaseitssimplicityandaccuracy,thissubjectdesignsonesystembasedonsingle-chipmicrocomputerandinfraredlightemittingdiodeandphototransistorassensors,andcalculatestimewithusingoftheinnertimer.Thesensorproducespulseandthesingle-chipmicrocomputergetsthefrequencybyaccumulatingthepulses,andthetimerobtainsthetime.Thesystemcoulddisplaythefrequencyandtimeofthepulseduringoperation.Itcanalsoshowsthetotalnumberwhenitstops.Aftertesting,thesystemworkswellandmeetsthedesignrequirements.目錄摘要1Abstract2目錄3引言4第一章概述51.1選題的背景和意義51.2脈搏測(cè)量?jī)x的開(kāi)展與應(yīng)用6第二章脈搏測(cè)量?jī)x系統(tǒng)結(jié)構(gòu)72.1光電脈搏測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)72.2工作原理72.3光電脈搏測(cè)量?jī)x的特點(diǎn)8第三章根本元器件介紹93.1AT89C51簡(jiǎn)介93.2光電傳感器簡(jiǎn)介143.3LED的綜述15第四章根本結(jié)構(gòu)模塊184.1脈搏檢測(cè)電路184.2信號(hào)采集電路18信號(hào)放大19波形整形局部214.5單片機(jī)處理電路234.6顯示電路24第五章軟件系統(tǒng)265.1主程序流程265.2定時(shí)器中斷程序流程265.3INT中斷程序流程275.4顯示程序流程275.5軟件說(shuō)明28第六章抗干擾措施及使用方法296.1抗干擾措施296.2測(cè)量?jī)x使用方法30第七章系統(tǒng)調(diào)試317.1系統(tǒng)調(diào)試317.2系統(tǒng)檢驗(yàn)317.3誤差分析33總結(jié)34參考文獻(xiàn)35結(jié)束語(yǔ)36附錄138附錄239引言脈搏測(cè)量屬于檢測(cè)有無(wú)脈博的測(cè)量，有脈搏時(shí)遮擋光線(xiàn)，無(wú)脈搏時(shí)透光強(qiáng)，所采用的傳感器是紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管。用于體育測(cè)量用的脈搏測(cè)量大致有指脈和耳脈二種方式。這二種測(cè)量方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，指脈測(cè)量比擬方便、簡(jiǎn)單，但因?yàn)槭种干系暮瓜佥^多，指夾常年使用，污染可能會(huì)使測(cè)量靈敏度下降；耳脈測(cè)量比擬干凈，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(shí)，所測(cè)信號(hào)受環(huán)境溫度影響明顯，造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來(lái)都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。幾乎世界上所有的民族都用過(guò)“摸脈〞作為診斷疾病的手段。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(duì)脈搏波采集和。處理具有很高的醫(yī)學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景。但人體的生物信號(hào)多屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻的弱信號(hào),脈搏波信號(hào)更是低頻微弱的非電生理信號(hào),必需經(jīng)過(guò)放大和后級(jí)濾波以滿(mǎn)足采集的要求。第一章概述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(guó)最早的脈學(xué)專(zhuān)著《脈經(jīng)》問(wèn)世以來(lái)，脈學(xué)理論得到不斷的開(kāi)展和提高。在中醫(yī)四診〔望、聞、問(wèn)、切〕中，脈診占有非常重要的位置。脈診是我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中最具特色的一項(xiàng)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〞的根本精神的表達(dá)與應(yīng)用。脈診作為“綠色無(wú)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(jiǎn)便、無(wú)創(chuàng)、無(wú)痛的特點(diǎn)易為患者接受，然而在長(zhǎng)期的醫(yī)療實(shí)踐中也暴露出一些缺陷。首先，切脈單憑醫(yī)生手指感覺(jué)區(qū)分脈象的特征，受到感覺(jué)、經(jīng)驗(yàn)和表述的限制，并且難免存在許多主觀臆斷因素，影響了對(duì)脈象判斷的標(biāo)準(zhǔn)化；其次，這種用手指切脈的技巧很難掌握；再那么，感知的脈象無(wú)法記錄和保存影響了對(duì)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行性，成為中醫(yī)脈診應(yīng)用、開(kāi)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)用和開(kāi)展，必須與現(xiàn)代科技相結(jié)合，實(shí)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(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)，即使這樣做還是比擬費(fèi)時(shí)，而且精度也不高。為了提高脈搏測(cè)量的精確與速度，多種脈搏測(cè)量?jī)x被運(yùn)用到醫(yī)學(xué)上來(lái)，從而開(kāi)辟了一條全新的醫(yī)學(xué)診斷方法。早在1860年Vierordt創(chuàng)立了第一臺(tái)杠桿式脈搏描記儀，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、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。脈象探頭式樣很多，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)式方向設(shè)計(jì)[2]。目前脈搏測(cè)量?jī)x在多個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，除了應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如無(wú)創(chuàng)心血管功能檢測(cè)、妊高癥檢測(cè)、中醫(yī)脈象、脈率檢測(cè)等等，商業(yè)應(yīng)用也不斷拓展，如運(yùn)動(dòng)、健身器材中的心率測(cè)試都用到了技術(shù)先進(jìn)的脈搏測(cè)量?jī)x。1.2脈搏測(cè)量?jī)x的開(kāi)展與應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的開(kāi)展，脈搏測(cè)量技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)，對(duì)脈搏的測(cè)量精度也越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)外先后研制了不同類(lèi)型的脈搏測(cè)量?jī)x，而其中關(guān)鍵是對(duì)脈搏傳感器的研究。起初用于體育測(cè)量的脈搏測(cè)試集中在對(duì)接觸式傳感器的研究，利用此類(lèi)傳感器所研制的指脈、耳脈等測(cè)量?jī)x各有其優(yōu)缺點(diǎn)。指脈測(cè)量比擬方便、簡(jiǎn)單，但因?yàn)槭种干系暮瓜佥^多，指夾常年使用，污染可能會(huì)使測(cè)量靈敏度下降：耳脈測(cè)量比擬干凈，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(shí)，所測(cè)信號(hào)受環(huán)境溫度影響明顯，造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確[3]。過(guò)去在醫(yī)院臨床監(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(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)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外致力于開(kāi)發(fā)無(wú)創(chuàng)非接觸式的傳感器，這類(lèi)傳感器的重要特征是測(cè)量的探測(cè)局部不侵入機(jī)體，不造成機(jī)體創(chuàng)傷，能夠自動(dòng)消除儀表自身系統(tǒng)的誤差，測(cè)量精度高，通常在體外，尤其是在體表間接測(cè)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(guò)對(duì)手指末端透光度的監(jiān)測(cè)，間接檢測(cè)出脈搏信號(hào)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)損傷、精度高、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)光電式脈搏傳感器所研制的脈搏測(cè)量?jī)x已經(jīng)應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)等各個(gè)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(dòng)脈的收縮和舒張，是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(lái)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(duì)脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景[5]。但人體的生物信號(hào)多屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻的弱信號(hào),脈搏波信號(hào)更是低頻微弱的非電生理信號(hào),因此必需經(jīng)過(guò)放大和后級(jí)濾波以滿(mǎn)足采集的要求。第二章脈搏測(cè)量?jī)x系統(tǒng)結(jié)構(gòu)脈搏測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)，必須是通過(guò)采集人體脈搏變化引起的一些生物信號(hào)，然后把生物信號(hào)轉(zhuǎn)化為物理信號(hào)，使得這些變化的物理信號(hào)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(guò)相應(yīng)的硬件電路及芯片來(lái)處理物理變化并存儲(chǔ)脈搏次數(shù)。在硬件設(shè)計(jì)中一般的物理信號(hào)就是電壓變化，有了這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，本課題就此開(kāi)始實(shí)施。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、電源等局部。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(xiàn)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．?dāng)?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(lái)顯示，便于直接準(zhǔn)確無(wú)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。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的根本測(cè)量功能。脈搏測(cè)量?jī)x硬件框圖如下列圖所示：外部中斷信號(hào)外部中斷信號(hào)光電傳感器低通放大器比擬器和振蕩器單片機(jī)AT89C51數(shù)碼顯示電路外部晶振圖脈搏測(cè)量?jī)x的工作原理當(dāng)手指放在紅外線(xiàn)發(fā)射二極管和接收三極管中間，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。光電脈搏測(cè)量?jī)x的特點(diǎn)與傳統(tǒng)的脈搏測(cè)量?jī)x相比，光電式脈搏測(cè)量?jī)x具有以下特點(diǎn)：1.測(cè)量的探測(cè)局部不侵入機(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(cè)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(zhǎng)、維修方便。5.由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此體積小、重量輕、性?xún)r(jià)比優(yōu)越。6.測(cè)量的有效范圍為50次-199次/分鐘。第三章根本元器件介紹3.1AT89C51簡(jiǎn)介AT89C5l是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kbytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器(PEROM)和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，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?xún)r(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。3AT89C51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(xiě)／擦除周期〔4〕2.7V～6V的操作范圍〔5〕全靜態(tài)圖圖1.2AT89C2051的結(jié)構(gòu)框圖操作：0Hz～24MHz·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(xiàn)·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)模擬比擬器·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(xiě)／擦除周期·2.7V～6V的操作范圍·全靜態(tài)操作：0Hz～24MHz·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(xiàn)·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)模擬比擬器·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(xiě)／擦除周期·2.7V～6V的操作范圍·全靜態(tài)操作：0Hz～24MHz·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(xiàn)·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)模擬比擬器·低功耗空載和掉電方式。3AT89C2051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)。如下圖。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)MCS—51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CPL1和閃速存儲(chǔ)器,ATMELAT89C2051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本錢(qián)低的解決方法。圖圖1.3AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖此外,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)根本一致〔除模擬比擬器外〕,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。3AT89C2051的引腳說(shuō)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)行比照可發(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。口引腳P1.2～P1.7提供內(nèi)部上拉電阻。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)精密模擬比擬器的同相輸入(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”4.P3口：P3口的P3.0～P3.5、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)比擬器的輸出信號(hào)并且它作為一通用I/O引腳而不可訪(fǎng)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)AT89C5.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”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P3口的功能端口引腳功能RXD(串行輸入端口)TXD(串行輸出端口)INT0(外中斷0)INT1(外中斷1)TO(定時(shí)器0外部輸入)T1(定時(shí)器1外部輸入)從上述引腳說(shuō)明可看出，AT89C2051沒(méi)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復(fù)位電路圖1.4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(kāi)始進(jìn)行初始復(fù)位，如圖1.4所示：3.1.5振蕩電路圖圖1.5振蕩電路圖本設(shè)計(jì)晶振選擇頻率為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、反響快、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(jiàn)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(lái)檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、外表粗糙度、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(lái)，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(kāi)創(chuàng)了新的一頁(yè)。在此次設(shè)計(jì)中我們采用的是光電傳感器中最常見(jiàn)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光敏二極管光敏二極管是最常見(jiàn)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(kāi)有一個(gè)嵌著玻璃的窗口，以便于光線(xiàn)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(wú)光照時(shí)，它與普通二極管一樣，反向電流很小〔<µA〕，稱(chēng)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(chēng)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(chēng)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(kāi)窗口，以便光線(xiàn)射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，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(wú)光照時(shí)管子流過(guò)的電流為暗電流Iceo=〔1+β〕Icbo〔很小〕，比一般三極管的穿透電流還??；當(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(guò)管子的電流稱(chēng)為光電流，集電極電流Ic=〔1+β〕Ib，可見(jiàn)光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。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，組織半透明度那么增大；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(xiàn)照射到人體的手指部位，經(jīng)過(guò)手指組織的反射和衰減由裝在該部位旁邊的光敏三管來(lái)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(guò)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)。3.3LED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(lèi)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(jiǎn)稱(chēng)LED顯示器。LED顯示器具有耗電省、本錢(qián)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]。3LED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(yáng)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a~g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(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。共陽(yáng)極的LED數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管的陽(yáng)極，通常接+5V電源，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(yáng)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；a~g、Dp是字選端。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1.7所示。圖圖1.64位數(shù)碼管引腳分布圖圖1.7圖1.74位共陽(yáng)極數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖3LED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(guò)擴(kuò)展I/O口的形式解決輸出口數(shù)量缺乏的問(wèn)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(guò)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。其缺乏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(xiàn)。隨著顯示器位數(shù)的增加，需要的I/O口線(xiàn)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(chēng)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(lái)說(shuō)，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(guò)調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可以既保證亮度，又保證顯示。假設(shè)顯示器的位數(shù)不大于8位，那么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(chēng)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(chēng)為段碼輸出〕。通過(guò)比擬，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。第四章根本結(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)，可根本抑制由呼吸運(yùn)動(dòng)造成的脈搏波曲線(xiàn)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)擺放以獲得最正確的指向特性。從光源發(fā)出的光除被手指組織吸收以外，一局部由血液漫反射返回，其余局部透射出來(lái)。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(chēng)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270Ω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(guò)大，通過(guò)紅外發(fā)射二極管的電流偏小，紅外接收三極管無(wú)法區(qū)別有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)的信號(hào)。反之，R21過(guò)小，通過(guò)的電流偏大，紅外接收三極管也不能準(zhǔn)確地區(qū)分有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)的信號(hào)。當(dāng)手指離開(kāi)傳感器或檢測(cè)到較強(qiáng)的干擾光線(xiàn)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]。圖1.9信號(hào)采集電路圖1.9信號(hào)采集電路4.3信號(hào)放大4LM324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)算放大器可用圖所示的符號(hào)來(lái)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+〔+〕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(jiàn)圖2.1。圖圖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。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(lái)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3.3Hz考慮，低頻特性是令人滿(mǎn)意的。經(jīng)過(guò)低通放大后輸出的信號(hào)是疊加有噪聲的脈動(dòng)正弦波。波形如圖2.3所示。圖2.34.4波形整形局部波形整形電路如圖2.4所示，U2C是一個(gè)電壓比擬器，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。該比擬器的閥值電壓可用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在比擬器輸入信號(hào)的每個(gè)后沿到來(lái)時(shí)輸出高電平，使C7通過(guò)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(guò)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(lái)。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(guò)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。圖圖2.4波形整形電路經(jīng)過(guò)比擬器U2C的輸出波形：圖2.5經(jīng)過(guò)微分器的輸出波形：圖2.6單片機(jī)接收到的信號(hào)：圖2.74.5單片機(jī)處理電路如圖2.8所示，本局部運(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(lái)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(shí)觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行計(jì)時(shí)，來(lái)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(guò)P0、P2口把測(cè)量過(guò)程和結(jié)果送到數(shù)碼管顯示出來(lái)[9]。圖2.8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(lái)顯示。兩個(gè)4位的共陽(yáng)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(lái)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.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(jiàn)圖。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)碼顯示電路等局部組成。圖圖3.0電路的原理圖傳感器主要由紅外線(xiàn)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(xiàn)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F1~F3、R3~R5、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)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)。可變電阻RP1用來(lái)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DS1~DS3、VT1~VT3、R12~R21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(yáng)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(guò)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(zhuān)用存放器、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)器中斷效勞程序由一分鐘計(jì)時(shí)、按鍵檢測(cè)、有無(wú)測(cè)試信號(hào)判斷等局部組成。當(dāng)定時(shí)器中斷開(kāi)始執(zhí)行后，對(duì)一分鐘開(kāi)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(kāi)始測(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5.3INT中斷程序流程外部中斷效勞程序完成對(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(lái)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)。流程如下圖。圖3.3INT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(guò)10ms的延時(shí)后再顯示測(cè)試中的脈搏次數(shù)，再經(jīng)過(guò)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顯示程序流程圖5.5軟件說(shuō)明本程序采用C語(yǔ)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(guò)程假設(shè)發(fā)現(xiàn)有干擾那么忽略該干擾而不顯示，進(jìn)一步減少讀入數(shù)據(jù)的誤差。第六章抗干擾措施及使用方法6.1抗干擾措施為了提高測(cè)量?jī)x的精確度，系統(tǒng)首先要解決的是硬件方面的干擾問(wèn)題。光電式脈搏測(cè)量?jī)x的測(cè)量過(guò)程中，前端測(cè)量到的脈搏信號(hào)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(cè)量環(huán)境光干擾、電磁干擾、測(cè)量運(yùn)動(dòng)噪聲。6在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號(hào)不僅包含脈搏信息的透射光的信號(hào)，而且包含測(cè)量環(huán)境下的背景光信號(hào)，由于動(dòng)脈波動(dòng)引起的光強(qiáng)變化比背景光的變化微弱得多，因此在測(cè)量過(guò)程當(dāng)中要保持測(cè)量背景光的恒定，減少背景光的干擾[13]。測(cè)量環(huán)境下的背景光包含環(huán)境光和在測(cè)量過(guò)程中引起的二次反射光。為了減少環(huán)境光對(duì)脈搏信號(hào)測(cè)量的影響，同時(shí)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(gè)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，為了防止測(cè)量過(guò)程中的二次反射光的影響，在指套式傳感器的內(nèi)層外表涂上一層吸光材料，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(cè)量到的脈搏波形比擬平滑。這是因?yàn)榧又柑资降拿}搏傳感器中環(huán)境光在測(cè)量過(guò)程中根本不受外界環(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(zhǎng)單一，所以得到的脈搏信號(hào)較為穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的重疊雜波信號(hào)，能夠很好的表達(dá)出脈搏波形的特征。6通過(guò)光電轉(zhuǎn)換得到的包含脈搏信息的電信號(hào)一般比擬微弱，容易受到外界電磁信號(hào)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別離的，那么在信號(hào)的傳遞過(guò)程就很容易受到外界電磁干擾，通常在一級(jí)放大電路采用電磁屏蔽的方式來(lái)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(jí)放大電路，有效地抑制了外界電磁信號(hào)對(duì)原始脈搏信號(hào)的干擾。工頻干擾是電路中最常見(jiàn)的干擾，脈搏信號(hào)變化緩慢，特別容易受到工頻信號(hào)的干擾，因此對(duì)工頻信號(hào)干擾的抑制是保證脈搏信號(hào)測(cè)量精度的主要措施之一。通常脈搏信號(hào)的頻率范圍在0.3－30Hz之間，小于工頻50Hz，因此通過(guò)低通濾波器可以有效濾除工頻干擾，這在信號(hào)調(diào)理電路中容易實(shí)現(xiàn)；同時(shí)可以在控制電路中對(duì)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(hào)數(shù)據(jù)采集后，可以通過(guò)數(shù)據(jù)處理法方法進(jìn)一步濾除工頻信號(hào)的干擾[15]。6.1.3測(cè)量過(guò)程中運(yùn)動(dòng)噪聲的影響測(cè)量過(guò)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(duì)的運(yùn)動(dòng)，這樣對(duì)脈搏測(cè)量產(chǎn)生誤差，可以通過(guò)2個(gè)方面減少運(yùn)動(dòng)噪聲誤差：一是改善指套式傳感器的機(jī)械抗運(yùn)動(dòng)性，比方說(shuō)使指套能夠更緊的套在手指上，不易松動(dòng)；二是從脈搏信號(hào)處理的角度，通過(guò)算法來(lái)減小誤差。對(duì)于傳感器的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在采用的主要是第一個(gè)途徑。6.2測(cè)量?jī)x使用方法測(cè)量?jī)x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，這時(shí)很快就可以看到紅色發(fā)光二極管會(huì)伴隨你的脈搏而閃爍，讓你直觀的看到自己脈搏跳動(dòng)的速度，按下復(fù)位鍵后單片機(jī)和顯示局部開(kāi)始工作，單片機(jī)立刻開(kāi)始計(jì)數(shù)，同時(shí)數(shù)碼管顯示出你的心率和測(cè)試的時(shí)間，非常方便。如果偶爾出現(xiàn)不穩(wěn)的情況，請(qǐng)按復(fù)位鍵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。第七章系統(tǒng)調(diào)試7.1系統(tǒng)調(diào)試根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)的調(diào)試可分為兩大局部：模擬局部和純MCU局部。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用模塊化設(shè)計(jì)，所以方便了對(duì)各電路功能模塊的逐級(jí)測(cè)試。斷開(kāi)兩局部的連接點(diǎn)，先調(diào)試MCU局部。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局部能是否能顯示；模擬局部用不透明的筆在紅外發(fā)射二極管和接收三級(jí)管之間搖擺，借助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(cè)試，使系統(tǒng)的功能得以實(shí)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(cè)到的脈沖還是很弱，在確定電路沒(méi)有問(wèn)題的情況下，加強(qiáng)信號(hào)的放大倍數(shù)，調(diào)整電阻R23和R27的阻值。2.時(shí)鐘的調(diào)試根據(jù)晶體振蕩頻率計(jì)算出內(nèi)部定時(shí)器的根本參數(shù)，通過(guò)運(yùn)行一段時(shí)間可通過(guò)秒表來(lái)校正后,看時(shí)間誤差的量,以這個(gè)量為依據(jù)改變程序中的內(nèi)部定時(shí)器根本參數(shù),就可使時(shí)鐘調(diào)準(zhǔn)確。3.開(kāi)機(jī)后無(wú)顯示首先檢查交流電源局部，有無(wú)交流，假設(shè)無(wú)那么可能保險(xiǎn)管或變壓器燒壞，如有繼續(xù)查直流有無(wú)，如無(wú)那么電源已燒壞，可更換解決。4.顯示正常但經(jīng)適當(dāng)運(yùn)動(dòng)后測(cè)量，脈搏次數(shù)沒(méi)有增加可能是前置放大級(jí)有問(wèn)題，可采用更換的方法判斷并排除。5.進(jìn)人測(cè)量狀態(tài),但測(cè)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(kāi)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，假設(shè)無(wú)故障那么是硬件損壞。7.電源的改變理論上模擬局部有三處電壓應(yīng)為9V，但經(jīng)過(guò)測(cè)試，全部使用5V電壓也是可行的。7.2系統(tǒng)檢驗(yàn)系統(tǒng)上電后等待測(cè)試狀態(tài)，如下圖：圖測(cè)量中顯示的數(shù)據(jù)，如下圖：圖測(cè)量結(jié)束后顯示的脈搏次數(shù)，如下圖：圖7.3誤差分析實(shí)際的脈搏次數(shù)測(cè)量得出脈搏次數(shù)1測(cè)量得出脈搏次數(shù)2測(cè)量得出脈搏次數(shù)3測(cè)量得出脈搏次數(shù)4測(cè)量得出脈搏次數(shù)5656464636563727071696970767675757473818080798180858383858284注：實(shí)際的脈搏次數(shù)以聽(tīng)診器測(cè)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(xiàn)性，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了線(xiàn)性補(bǔ)償。由均方差公式得：誤差分析：經(jīng)校準(zhǔn)，非線(xiàn)性補(bǔ)償后，誤差已根本到達(dá)要求。總結(jié)單片機(jī)近20年的飛速開(kāi)展，儼然已成為計(jì)算機(jī)開(kāi)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)的大局部功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過(guò)軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱(chēng)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)的開(kāi)展，51系列單片機(jī)繼承和開(kāi)展了MCS-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(guò)單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了脈搏的測(cè)量系統(tǒng)，由光電傳感器采集到脈沖信號(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，電路板不夠美觀，光電傳感器靈敏度不夠高，數(shù)碼管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(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)?！?〕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?！?〕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。〔4〕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)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22卷第4期3.朱國(guó)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.1998.第1期4.劉云麗，徐可欣等.微功耗光電式脈搏測(cè)量?jī)x.電子測(cè)量技術(shù).2005.第二期5.程詠梅，夏雅琴，尚嵐.人體脈搏波信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng).北京生物醫(yī)學(xué)工程.2006.第25卷AT89C2051單片機(jī)的指脈檢測(cè)系統(tǒng)的研究.醫(yī)療裝備.20057.10.李世馨.模擬電子技術(shù)根底.高等教育出版社.2001.123結(jié)束語(yǔ)脈搏檢測(cè)中關(guān)鍵技術(shù)是傳感器的設(shè)計(jì)與傳感器輸出的微弱信號(hào)提取問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)的脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)以光電檢測(cè)技術(shù)為根底，并采用了脈沖振幅光調(diào)制技術(shù)消除周?chē)s散光、暗電流等各種干擾的影響。并利用過(guò)采樣技術(shù)和數(shù)字濾波等數(shù)字信號(hào)處理方法，代替實(shí)現(xiàn)模擬電路中的放大濾波電路的功能。本系統(tǒng)模擬電路簡(jiǎn)單，由ADC841芯片實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)采集，信號(hào)處理和脈搏次數(shù)的計(jì)算等功能，因此體積小，功耗低，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)脈搏波的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)并可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)(PC機(jī))的實(shí)時(shí)通訊,因此可作為多參數(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。當(dāng)該放大器用于集群脈搏測(cè)量?jī)x時(shí)，一定要注意不同信號(hào)通