畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于STC89C52單片機(jī)的心率測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕題目：基于單片機(jī)的心率測(cè)試儀的設(shè)計(jì)學(xué)院：電氣與信息工程專業(yè)：自動(dòng)化姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師：完成時(shí)間：2013年05月28日摘要隨著生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的開(kāi)展,醫(yī)學(xué)信號(hào)測(cè)量?jī)x器日新月異。生物醫(yī)學(xué)測(cè)量與臨床醫(yī)學(xué)和保健醫(yī)療的聯(lián)系日益緊密。通過(guò)對(duì)人體各種生理信號(hào)的檢測(cè)，能更好的認(rèn)識(shí)人體的生命現(xiàn)象。脈象包含豐富的人體健康狀況信息,脈診技術(shù)應(yīng)客觀化、定量化。本設(shè)計(jì)利用光電式傳感器,設(shè)計(jì)脈搏信號(hào)獲取的方法。本設(shè)計(jì)主要是基于單片機(jī)的便攜式脈搏測(cè)試儀的具體實(shí)現(xiàn)方法，利用光電傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大整形后，輸入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的控制，從而測(cè)量出一分鐘內(nèi)的脈搏跳動(dòng)次數(shù)，快捷方便。通過(guò)觀測(cè)脈搏信號(hào)，可以對(duì)人體的健康進(jìn)行檢查，通常被用于保健中心和醫(yī)院。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的便攜式心率測(cè)試儀對(duì)推進(jìn)脈診技術(shù)客觀化的實(shí)現(xiàn)具有積極的促進(jìn)作用。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，由脈搏檢測(cè)傳感器采集脈搏信號(hào)。經(jīng)過(guò)前置放大電路、濾波電路、整形電路后得到與脈搏相關(guān)的脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)交由單片機(jī)進(jìn)行脈長(zhǎng)周期的計(jì)算。然后得到每分鐘的脈搏搏動(dòng)次數(shù)〔即心率〕，并在數(shù)碼管上顯示心率，同時(shí)還設(shè)置了脈搏測(cè)量?jī)x的上下限報(bào)警電路。關(guān)鍵詞：脈搏信號(hào)，單片機(jī)，光電傳感器，脈沖信號(hào)，便攜式心率測(cè)試儀AbstractWiththedevelopmentofthebiomedicalengineeringtechnology,themedicalsignalmeasuringinstrumentischangingeveryday.Biomedicalmeasurementandclinicalmedicineandhealthcareincreasinglycloseties.Wecouldbetterunderstandthephenomenonofhuman.lifethroughvariousphysiologicalsignaldetectionofthehumanbody.Pulseinclusionsrichstateofthehealthinformation,Byusingopticalsensors,Withthehighdevelopmentofelectronicsandcomputernowadays,thepulsediagnosingtechnologyshouldbeobjectiveandquantitive.thistextaccesstothepulsesignaldesignmethods.Thispapermainlyintroducestheconcreterealizationmethodfordigitalpulsecounter,whichusesphotoelectricsensorstogeneratepulsesignal.ThepulsesignalisamplifiedandregeneratedtoinputintoMCUtocarryoutcorrespondingcontrol,asaresultthepulsenumberperaminuteismeasured.Theuseofthepulsecounterisquickandconvenient.Throughobservingthepulsesignal,humanhealthcanbeinspected,itisusuallyusedinhealthcarecentersandthehospitals.Inmydesign,PortableheartratemeasuringinstrumentbasedonMCUhasapositiveroleinpromotingtheobjectiveofthepulsetechnology.Keywords:Pulse，MCU，PhotoelectricSensor，PulseSignal，Portable目錄TOC\o"1-3"\h\u32摘要II175701緒論135751.1課題設(shè)計(jì)背景 1751.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2116551.3設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 329662系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 4104502.1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 4125002.2方案的比照和論證 4102052.2.1脈搏檢測(cè)傳感器的選擇 4192062.2.2單片機(jī)的選擇 6267342.2.3顯示局部的選擇 6236752.3系統(tǒng)各局部的最終方案 7145173系統(tǒng)的硬件局部設(shè)計(jì)分析 83.1單片機(jī)控制器 8254333.1.1單片機(jī)stc89c52介紹 8113033.1.2單片機(jī)復(fù)位電路 1190863.1.3單片機(jī)時(shí)鐘電路 1211253.1.4數(shù)碼管顯示電路 1262373.1.5報(bào)警電路 13220493.2脈搏信號(hào)采集 1458213.2.1光電傳感器的結(jié)構(gòu)及原理 14292793.2.2信號(hào)采集電路 1596113.3信號(hào)放大電路 1678093.4波形整形電路 1736123.5單片機(jī)處理電路 17148533.6系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮的問(wèn)題 19265093.6.1環(huán)境光對(duì)脈搏傳感器測(cè)量的影響 1999493.6.2電磁干擾對(duì)脈搏傳感器的影響 19159133.6.3測(cè)量過(guò)程中運(yùn)動(dòng)噪聲的影響 20127353.6.4電源不穩(wěn)定導(dǎo)致光源供電波動(dòng)帶來(lái)影響 20161254系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 21250724.1設(shè)計(jì)思想 21207354.1.1主程序流程圖 2251954.2定時(shí)器中斷程序流程 2342084.3INT中斷程序流程 2391074.4顯示程序流程 2416424.5蜂鳴器報(bào)警流程 24123735系統(tǒng)仿真與調(diào)試2614595.1程序設(shè)計(jì) 26278815.2程序調(diào)試 2680116總結(jié)與展望2913896結(jié)束語(yǔ)3029780參考文獻(xiàn)3118649致謝336206附錄A整體硬件電路圖346243附錄B程序351緒論1.1課題設(shè)計(jì)背景多年來(lái)，心率測(cè)試儀在心腦血管疾病的研究和診斷方面發(fā)揮出顯著的作用，它記錄的心臟活動(dòng)時(shí)的生物電信號(hào)，已成為臨床診斷的重要依據(jù)。臨床上使用的心電監(jiān)護(hù)儀雖然功能強(qiáng)大，測(cè)量精度高，但因?yàn)閮r(jià)格高昂，不利于家庭的普及。就算是在醫(yī)院，護(hù)士每天監(jiān)控病人病情而進(jìn)行的心率測(cè)試也是常用手測(cè)。因?yàn)檎Ｈ说男穆屎兔}搏跳動(dòng)的次數(shù)是一樣的，所以可以用測(cè)量脈搏的方法來(lái)測(cè)心率。因此，本設(shè)計(jì)采用的是設(shè)計(jì)一種脈搏測(cè)試儀測(cè)量脈搏數(shù)從而實(shí)現(xiàn)心率的測(cè)量的方法。脈搏測(cè)試儀是用來(lái)測(cè)量一個(gè)人脈搏跳動(dòng)次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成局部,因此，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)上具有重要的作用。目前檢測(cè)脈搏的儀器雖然很多，但是能實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量、精確顯示且計(jì)時(shí)功能準(zhǔn)確等多種功能的便攜式全數(shù)字脈搏測(cè)量裝置很少。隨著人們生活環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件的改善，以及文化素質(zhì)的提高，其生活方式，保健需求以及疾病種類、治療措施等發(fā)生了明顯的變化。但在目前，我國(guó)的心腦血管疾病仍呈逐年上升趨勢(shì)。其發(fā)病率和死亡率均居各種疾病之首，是人類死亡的主要原因之一。因此，認(rèn)識(shí)、預(yù)防及早期發(fā)現(xiàn)這些疾病是十分必要的。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。本設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)出一種以單片機(jī)為核心的一種實(shí)用型脈搏測(cè)量?jī)x。采用脈搏檢測(cè)傳感器對(duì)人體的脈搏進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。得到的信號(hào)送入進(jìn)行濾波、放大、整形等處理之后送入單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)將采集到的脈搏數(shù)在數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，同時(shí)還設(shè)置了脈搏測(cè)量?jī)x的上下限報(bào)警電路。本設(shè)計(jì)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)。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的便攜式心率測(cè)試儀，系統(tǒng)性能良好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，輸出顯示穩(wěn)定，比擬適合群眾化。適合家庭進(jìn)行自我檢測(cè)以及醫(yī)院護(hù)士進(jìn)行每日的臨床記錄。這使我們?cè)诩抑芯涂梢詼y(cè)試心率從而能檢測(cè)是否患有一些心血管疾病，做到早發(fā)現(xiàn)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在我國(guó)傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)的診斷中，“望、聞、問(wèn)、切”是最根本的四個(gè)方面。而在其中，切，也就是脈診，占有非常重要的地位。通過(guò)脈診，醫(yī)生可以對(duì)患者的身體狀況有一個(gè)大概的了解，進(jìn)而對(duì)癥下藥。脈搏信號(hào)可以直接反響出患者心臟的局部狀況，我國(guó)傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)認(rèn)為，通過(guò)脈診可以了解到患者臟腑氣血的盛衰，可以探測(cè)到病因，病位，預(yù)測(cè)療效等。鑒于脈診的重要性，人們對(duì)于脈搏測(cè)量一直非常關(guān)注，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、廣州、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。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。而由于脈搏傳感器的不同，現(xiàn)今市場(chǎng)上的脈搏測(cè)試儀的脈率采集主要有三種方法：采用一對(duì)紅色發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)、采用反射式的紅外管實(shí)現(xiàn)和采用壓電陶瓷芯片實(shí)現(xiàn)。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)。脈搏測(cè)量?jī)x的開(kāi)展主要向以下幾個(gè)趨勢(shì)：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。3、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設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，由脈搏檢測(cè)傳感器采集脈搏信號(hào)。經(jīng)過(guò)前置放大電路、濾波電路、整形電路后得到與脈搏相關(guān)的脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)交由單片機(jī)進(jìn)行脈長(zhǎng)周期的計(jì)算。然后得到每分鐘的脈搏搏動(dòng)次數(shù)〔即心率〕，并在數(shù)碼管上顯示心率，同時(shí)還設(shè)置了脈搏測(cè)量?jī)x的上下限報(bào)警電路。本設(shè)計(jì)的工作是圍繞著脈搏檢測(cè)傳感器檢測(cè)脈搏波而單片機(jī)進(jìn)行控制進(jìn)行的。本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容安排如下：第一章為引言。簡(jiǎn)要介紹了心率測(cè)試儀設(shè)計(jì)的目的和意義，并對(duì)基于單機(jī)的便攜式心率測(cè)試儀的現(xiàn)狀和應(yīng)用以及未來(lái)的發(fā)轉(zhuǎn)走勢(shì)做了簡(jiǎn)單的闡述，指出了本設(shè)計(jì)的主要技術(shù)內(nèi)容，即心率的測(cè)試。第二章為整體方案的分析。顧名思義第二章是對(duì)整個(gè)方案的詳細(xì)的比照與選擇并確定最終方案。在確定方案之前我必須先明確本設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求，之后是各個(gè)局部的比照選擇。第三章是本設(shè)計(jì)的核心。在這里給出了整體的硬件電路設(shè)計(jì)思路，并且對(duì)電路的各個(gè)局部進(jìn)行分析與解釋。第四章表達(dá)程序的編程方案，給出程序的框架結(jié)構(gòu)圖并對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，而且對(duì)以后的設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了展望。2系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模塊可以根本劃分為：脈搏傳感器局部、單片機(jī)處理電路局部、顯示電路局部和報(bào)警電路局部。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的便攜式脈搏測(cè)量?jī)x將利用脈搏檢測(cè)傳感器采集脈搏信號(hào)，再對(duì)其進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)脈搏次數(shù)的目的，再通過(guò)報(bào)警電路可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)硬件框圖如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2方案的比照和論證基于單片機(jī)的便攜式心率測(cè)試儀的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，由光電傳感器采集脈搏信號(hào)。經(jīng)過(guò)前置放大電路、濾波電路、積分和比擬電路后得到與脈搏相關(guān)的脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)交由單片機(jī)進(jìn)行脈長(zhǎng)周期的計(jì)算。然后得到每分鐘的脈搏搏動(dòng)次數(shù)〔即心率〕，并在數(shù)碼管上顯示，并且在超出設(shè)定的正常脈搏跳動(dòng)范圍時(shí)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。2.2.1脈搏檢測(cè)傳感器的選擇傳感器又稱為換能器、變換器等。脈搏傳感器是脈搏檢測(cè)系統(tǒng)中重要的組成局部。1、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)脈搏的光電傳感器一般是紅外對(duì)管。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)。紅外對(duì)管對(duì)脈搏的檢測(cè)的根本原理：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，組織的半透明度增大。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。光電式傳感器具有靈敏度高，易于操作，響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。雖然外部光源的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響較大，但我們進(jìn)行測(cè)量的地方一般都是在室內(nèi)，有穩(wěn)定的光源，所以在正常的操作過(guò)程中只要稍微注意下光源的問(wèn)題就可以了。2、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)。壓電式傳感器有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，工作頻帶寬，應(yīng)用電路簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且價(jià)格低廉。但壓電式傳感器直接與人體相接觸，容易因?yàn)槿梭w肌肉的顫抖等而產(chǎn)生干擾。而肌肉的顫抖不是人能主動(dòng)控制的，所以說(shuō)這局部的誤差很難控制。并且使用壓電式傳感器測(cè)脈搏還容易受到外界其他信號(hào)的干擾。3、集成傳感器當(dāng)前，市面上有很多類型的集成心電傳感器，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，就本次設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，考慮到經(jīng)費(fèi)以及鍛煉自己的目的，不選擇使用該型傳感器。綜合考慮種種情況，結(jié)合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求以及經(jīng)費(fèi)的考慮，本設(shè)計(jì)采用光電式傳感器。2.2.2單片機(jī)的選擇對(duì)于單片機(jī)型號(hào)，最熟悉的就是C51系列，其中包括AT89C51，AT89C52在AT89C51的根底上有些改良，但是聽(tīng)有經(jīng)驗(yàn)的同學(xué)說(shuō)以型號(hào)AT開(kāi)頭的的單片機(jī)在燒寫(xiě)程序時(shí)不容易進(jìn)行燒寫(xiě)，于是考慮采用以型號(hào)是以STC為開(kāi)頭的單片機(jī)，通過(guò)查資料了解發(fā)現(xiàn)STC89C52在功能上與AT89C52相似，為此，本設(shè)計(jì)單片機(jī)采用STC89C52型號(hào)單片機(jī)。2.2.3顯示局部的選擇根據(jù)題目要求，設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)是可以設(shè)定報(bào)警的范圍的。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LED顯示器。LED顯示器具有耗電省、本錢低廉、配置簡(jiǎn)單靈活、安裝方便、耐振動(dòng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但與LCD相比顯示內(nèi)容有限，不能顯示圖形，因而其應(yīng)用有局限性。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。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。2.3系統(tǒng)各局部的最終方案本章主要介紹了常見(jiàn)的用于脈搏檢測(cè)的三種傳感器，并對(duì)這三種感器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比擬。本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)芯片的型號(hào)是STC89C52，在本章主要介紹了它的一些特點(diǎn)。最后，給出了最終的設(shè)計(jì)方案和硬件框圖。脈搏傳感器電路脈搏傳感器電路STC89C52單片機(jī)處理電路數(shù)碼管顯示電路蜂鳴器報(bào)警電路震蕩電路復(fù)位電路圖2.3設(shè)計(jì)框圖3系統(tǒng)的硬件局部設(shè)計(jì)分析3.1單片機(jī)控制器經(jīng)過(guò)第2章的表達(dá)已經(jīng)確定了完本錢設(shè)計(jì)所需要的主要元器件，所以本章開(kāi)始講述基于單片機(jī)的便攜式心率測(cè)試儀的設(shè)計(jì)的硬件電路的設(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)。3.1.1單片機(jī)stc89c52介紹STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改良使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)〔兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)〕，全雙工串行口。另外STC89X52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35MHz，6T/12T可選。STC89C52單片機(jī)引腳圖如下列圖2.2所示。圖2.2STC89C52RC引腳功能說(shuō)明引腳按其功能可分為如下3類：1、電源及時(shí)鐘引腳——VCC、VSS；XTAL1、XTAL2；2、控制引腳——、、、和；3、I/O口引腳——P0、P1、P2、P3，為4個(gè)8位I/O口。1、電源及時(shí)鐘引腳(1)電源引腳VCC：5V電壓。GND：接地。(2)外接晶體引腳XTAL1：接外部晶體振蕩器的一端。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此腳用于外接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于HMOS單片機(jī)，此引腳接地；對(duì)于CMOS單片機(jī)，此引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。XTAL2：接外部晶體振蕩器的另一端，當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此腳用于外接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容。當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于HMOS單片機(jī)，此引腳接外部振蕩源；對(duì)于CMOS單片機(jī)，此引腳懸空不接。AT89S52晶體振蕩器頻率可在6MHz40MHz之間選擇，常選6MHz或12MHz的石英晶體。電容的值沒(méi)有嚴(yán)格要求，但其取值對(duì)振蕩器的頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度稍有影響，C1、C2可在20pF~100pF之間選擇。當(dāng)外接晶體振蕩器時(shí)，電容可選30pF±10pF；外接陶瓷振蕩器時(shí)，電容可選40pF±10pF。2、控制引腳：復(fù)位端。當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)持續(xù)2個(gè)以上機(jī)器周期(個(gè)晶體振蕩周期〕高電平即為有效，用于完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。正常工作時(shí)，此腳電平應(yīng)≤0.5V。在VCC發(fā)生故障、降低到電平規(guī)定值掉電期間，此引腳可接備用電源VPD〔電源范圍5V±0.5V〕，由VPD向內(nèi)部RAM供電，以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)。：地址鎖存使能。ALE〔AddressLatchEnable〕；PROG〔Program〕為CPU訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器提供地址鎖存信號(hào)，將低8位地址鎖存在片外的地址鎖存器中。引腳第二功能，對(duì)片內(nèi)Flash編程，為編程脈沖輸入端。：〔ProgrammerSavingENable〕，外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。在讀外部程序存儲(chǔ)器時(shí)有效〔低電平〕，以實(shí)現(xiàn)外部程序存儲(chǔ)器單元的讀操作。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)無(wú)效。：〔EnableAddress/VoltagePulseofProgramming〕，訪問(wèn)程序存儲(chǔ)控制信號(hào)。當(dāng)＝“0”時(shí)，表示讀外部程序存儲(chǔ)器。只讀取外部的程序存儲(chǔ)器中的內(nèi)容，讀取的地址范圍為0000HFFFFH〔64KB〕，片內(nèi)的8KBFlash程序存儲(chǔ)器不起作用。當(dāng)＝“1”時(shí)，表示對(duì)程序存儲(chǔ)器的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開(kāi)始，并可延至外部程序存儲(chǔ)器。在PC值不超出0FFFH〔即不超出片內(nèi)4KBFlash存儲(chǔ)器的地址范圍〕時(shí)，單片機(jī)讀片內(nèi)程序存儲(chǔ)器〔4KB〕中的程序，但當(dāng)PC值超出0FFFH〔即超出片內(nèi)4KBFlash地址范圍〕時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向讀取片外60KB〔1000H-FFFFH〕程序存儲(chǔ)器空間中的程序。對(duì)于EPROM〔或FLASH〕型單片機(jī)，在EPROM編程期間，此引腳需加12.75V或21V的編程電壓。3、I/O口引腳P0口：P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I/O口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口寫(xiě)“1”可作為高阻抗轉(zhuǎn)入端用。Pl口：P1是—個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因內(nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)〔吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。P3口：①可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備。②作為第二功能使用，每一位功能定義如表3.1所示。表2.1P3口的第二功能端口引腳第二功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD〔串行輸出口〕P3.2INT0(外中斷0)P3.3INT1〔外中斷1〕P3.4T0〔定時(shí)/計(jì)數(shù)器0〕P3.5T1〔定時(shí)/計(jì)數(shù)器1〕P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)3.1.2單片機(jī)復(fù)位電路單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開(kāi)始工作。89系列單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個(gè)高電平并維持2個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)振蕩周期)以上，那么CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。單片機(jī)復(fù)位電路如圖3.3所示圖3.3按鍵復(fù)位電路3.1.3單片機(jī)時(shí)鐘電路單片機(jī)可以看成是在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下的時(shí)序邏輯電路。MCS-51單片機(jī)為12個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令。也就是說(shuō)單片機(jī)運(yùn)行一條指令，必須要用12時(shí)鐘周期。沒(méi)有這個(gè)時(shí)鐘，單片機(jī)就跑不起來(lái)了，也沒(méi)有方法定時(shí)和進(jìn)行和時(shí)間有關(guān)的操作。單片機(jī)可以看成是在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下的時(shí)序邏輯電路,單片機(jī)在工作過(guò)程中,所有工作都是在時(shí)鐘信號(hào)控制下進(jìn)行的,每執(zhí)行一條指令,CPU的控制器都要發(fā)出一系列特定的控制信號(hào)。單片機(jī)時(shí)鐘電路如下列圖3.4所示圖3.4時(shí)鐘電路3.1.4數(shù)碼管顯示電路LED數(shù)碼管是由多個(gè)發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個(gè)筆劃，公共電極。數(shù)碼管顯示電路如圖3.9所示圖3.8數(shù)碼管顯示電路本設(shè)計(jì)用LED數(shù)碼管段數(shù)一般為7段另加一個(gè)小數(shù)點(diǎn)。LED數(shù)碼管根據(jù)LED的接法不同分為共陰和共陽(yáng)兩類，了解LED的這些特性，對(duì)編程是很重要的，因?yàn)椴煌愋偷拇a管，除了它們的硬件電路有差異外，編程方法也是不同的設(shè)計(jì)采用4位共陰數(shù)碼管某段數(shù)碼管陽(yáng)極為高電平時(shí)該數(shù)碼管被點(diǎn)亮。3.1.5報(bào)警電路根據(jù)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，人體脈搏正常在60到120之間，當(dāng)數(shù)碼管所顯示的示數(shù)大于120或小于60時(shí)，蜂鳴器響應(yīng)報(bào)警；示數(shù)小于120時(shí)大于60時(shí)，蜂鳴器不響。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的端口輸出電流能力低，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)那些器件，故增加三極管加大功率，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作。報(bào)警電路如圖3.9所示。圖3.9報(bào)警電路3.2脈搏信號(hào)采集目前脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)有以下幾種檢測(cè)方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式傳感器以及應(yīng)變式傳感器。3.2.1光電傳感器的結(jié)構(gòu)及原理近年來(lái)，光電檢測(cè)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中開(kāi)展很快，這主要是由于光能避開(kāi)強(qiáng)烈的電磁干擾，具有很高的絕緣性，且可非侵入地檢測(cè)病人各種病癥信息。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。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GaAs紅外發(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。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。透射式光電傳感器結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。圖3.1式光電傳感器結(jié)構(gòu)圖3.2.2信號(hào)采集電路圖3.2脈搏信號(hào)的采集電路，U3是紅外發(fā)射接收裝置，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)手指處于測(cè)量位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)二種情況：一是無(wú)脈期。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(huì)造成輸出電壓略低。二是有脈期。當(dāng)有跳動(dòng)的脈搏時(shí)，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(hào)的頻率很低，如當(dāng)脈搏只有為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)R22、C10濾波以濾除高頻干擾。圖3.3信號(hào)采集電路3.3信號(hào)放大電路本設(shè)計(jì)采用的放大器是LM324。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(dú)立。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。由于通過(guò)光電式脈搏傳感器檢測(cè)到的脈搏波的信號(hào)非常微弱，所以在單片機(jī)接受處理前需要進(jìn)行信號(hào)的放大處理。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，放大電路如圖3.5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U3A將信號(hào)放大，放大倍數(shù)由R23和R27的比值決定。圖3.5放大電路根據(jù)一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)，可得：(3.1)放大倍數(shù)為：(3.2)截止頻率為：(3.3)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。3.4波形整形電路波形整形電路如圖3.6所示，U2A是一個(gè)電壓比擬器，C11、R29構(gòu)成一個(gè)微分器，U1A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2A的輸出信號(hào)經(jīng)C11、R29的微分后總是將尖脈沖送到單片機(jī)腳，進(jìn)行對(duì)心率的計(jì)算和顯示。圖3.6整形電路3.5單片機(jī)處理電路單片機(jī)處理電路如圖3.7所示，本局部運(yùn)用了ATMEL公司的89S52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。單片機(jī)外圍電路包括復(fù)位電路和振蕩電路。本設(shè)計(jì)采用自激蕩方式，使內(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率振蕩產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。石英晶振選擇頻率為11.0592MHz，電容選擇30pf。如圖3.6中振蕩電路所示。經(jīng)計(jì)算得單片機(jī)工作機(jī)器周期為：。時(shí)鐘電路工作后，在REST管腳上加兩個(gè)機(jī)器周期〔12個(gè)晶振周期〕以上的高電平，芯片內(nèi)部開(kāi)始進(jìn)行初始復(fù)位。來(lái)自傳感和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機(jī)89S52的腳，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)。圖3.7單片機(jī)處理電路3.6系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮的問(wèn)題3.6.1環(huán)境光對(duì)脈搏傳感器測(cè)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(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。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。3.6.2電磁干擾對(duì)脈搏傳感器的影響通過(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。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0.330Hz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。3.6.3測(cè)量過(guò)程中運(yùn)動(dòng)噪聲的影響測(cè)量過(guò)程中，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)，這樣會(huì)使脈搏的測(cè)量產(chǎn)生誤差，可以通過(guò)兩個(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)；二是從脈搏處理的角度，通過(guò)算法來(lái)減少誤差。對(duì)于本設(shè)計(jì)的傳感器的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，采用的是第一個(gè)途徑。3.6.4電源不穩(wěn)定導(dǎo)致光源供電波動(dòng)帶來(lái)影響在心率測(cè)試儀的仿真運(yùn)行中，我們可以直接參加恒定電壓電源，而不會(huì)帶來(lái)光源供電波動(dòng)，但是在實(shí)際儀器運(yùn)用中卻沒(méi)有完全恒定的電源，而我們通常提供的直流電源也會(huì)因?yàn)楦鞣N原因二引起輸出電壓值在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)。因此在心率信號(hào)的測(cè)量過(guò)程中,由于光源的波動(dòng)會(huì)對(duì)所測(cè)得心率值帶來(lái)影響，所以本設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為光電傳感器設(shè)計(jì)了恒流源電路，提供恒定的電流，電流值額定，不會(huì)隨著傳感器負(fù)載的變化而變化,從而降低電源不穩(wěn)定給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)的影響。4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1設(shè)計(jì)思想主程序包含兩個(gè)局部，一局部為初始化段，另一局部為循環(huán)主體段。在主程序循環(huán)體中，并不是直接執(zhí)行程序，而是去調(diào)用一個(gè)個(gè)任務(wù)模塊。每個(gè)任務(wù)都是一個(gè)子函數(shù)，這些任務(wù)的調(diào)度機(jī)制為輪詢機(jī)制。即：這些子函數(shù)功能的執(zhí)行與否取決于其條件標(biāo)志是否滿足。比方：當(dāng)某個(gè)子函數(shù)被主程序調(diào)用時(shí)，會(huì)先判斷其執(zhí)行條件是否成立〔標(biāo)志位是否有效〕，如果有效那么執(zhí)行實(shí)際功能語(yǔ)句，否那么不執(zhí)行任何動(dòng)作直接返回。4.1.1主程序流程圖圖4.1主程序流程圖在軟件設(shè)計(jì)中，一般采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，它具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。把一個(gè)多功能的復(fù)雜的程序劃分為假設(shè)干個(gè)簡(jiǎn)單的、功能單一的程序模塊，有利于程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試，有利于程序的優(yōu)化和分工，提高了程序的閱讀性和可靠性，使程序的結(jié)構(gòu)層次一目了然。應(yīng)用系統(tǒng)的程序由包含多個(gè)模塊的主程序和各種子程序組成。各程序模塊都要完成一個(gè)明確的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)某個(gè)具體的功能，在具體需要時(shí)調(diào)用相應(yīng)的模塊即可。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。4.2定時(shí)器中斷程序流程定時(shí)器中斷程序流程如圖4.2所示。圖4.2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)。4.3INT中斷程序流程INT中斷程序流程如圖4.3所示。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)。沒(méi)有處于檢測(cè)狀態(tài)時(shí)，按下按鍵檢測(cè)開(kāi)始，進(jìn)行脈搏數(shù)的累加。圖4.3INT中斷程序流程4.4顯示程序流程在單片機(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。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。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。一個(gè)4位的共陽(yáng)極LED數(shù)碼管組成四位顯示，。4.5蜂鳴器報(bào)警流程根據(jù)對(duì)報(bào)警電路的分析，可通過(guò)對(duì)P2.3的置位來(lái)控制蜂鳴器發(fā)出聲音和關(guān)閉。當(dāng)P2.3管腳為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，這樣蜂鳴器的電路形成回路，發(fā)出聲音；當(dāng)P2.3管腳為低電平時(shí)，三極管截止，這樣蜂鳴器中無(wú)法形成電流回路，蜂鳴器不出聲。因此，利用此原理可通過(guò)控制P2.3管腳來(lái)控制蜂鳴器是否響應(yīng)報(bào)警。根據(jù)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，人體脈搏正常在60到120之間，當(dāng)數(shù)碼管所顯示的示數(shù)大于120或小于60時(shí)，蜂鳴器響應(yīng)報(bào)警；示數(shù)大于120時(shí)小于60時(shí)，蜂鳴器不響。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的端口輸出電流能力低，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)那些器件，故增加三極管加大功率，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作。蜂鳴器報(bào)警流程如圖4.5所示。圖4.4蜂鳴器報(bào)警流程圖5系統(tǒng)仿真與調(diào)試5.1程序設(shè)計(jì)在軟件設(shè)計(jì)中，一般采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，它具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。把一個(gè)多功能的復(fù)雜的程序劃分為假設(shè)干個(gè)簡(jiǎn)單的、功能單一的程序模塊，有利于程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試，有利于程序的優(yōu)化和分工，提高了程序的閱讀性和可靠性，使程序的結(jié)構(gòu)層次一目了然。應(yīng)用系統(tǒng)的程序由包含多個(gè)模塊的主程序和各種子程序組成。各程序模塊都要完成一個(gè)明確的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)某個(gè)具體的功能，在具體需要時(shí)調(diào)用相應(yīng)的模塊即可。5.2程序調(diào)試源程序的編寫(xiě)有多種語(yǔ)言，經(jīng)過(guò)對(duì)原理的分析和自身的實(shí)際情況本課程設(shè)采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，其主要程序代碼如下：/* 初始化函數(shù) /voidinit(){ t=0; TMOD=0x11; //定時(shí)器0，1的定時(shí)方式1都翻開(kāi) TH1=-5000/256; //定時(shí)器1定時(shí)5ms TL1=-5000%256; TH0=0x3c; //定時(shí)器0定時(shí)50msTL0=0xb0; EA=1; //開(kāi)總中斷 ET1=1; //開(kāi)定時(shí)器1中斷 TR1=1; //開(kāi)定時(shí)器1 TR0=1; //開(kāi)定時(shí)器0 ET0=1; //開(kāi)定時(shí)器0中斷 IT0=1; //下降沿促發(fā) EX0=1; //開(kāi)中斷0圖5.1系統(tǒng)初始化顯示圖5.2脈搏顯示情況1當(dāng)脈搏數(shù)大于120時(shí)，蜂鳴器報(bào)警同時(shí)黃燈亮到達(dá)實(shí)驗(yàn)要求。圖5.3脈搏顯示情況2當(dāng)脈搏示數(shù)小于60時(shí)，綠燈點(diǎn)亮同時(shí)蜂鳴器顯示報(bào)警。仿真在模擬心跳時(shí)是用信號(hào)發(fā)生器代替的，可以通過(guò)改變其周期數(shù)來(lái)改變心跳數(shù)。在模擬時(shí)到達(dá)良好效果。6總結(jié)與展望脈搏檢測(cè)中關(guān)鍵技術(shù)是單片機(jī)設(shè)置與傳感器輸出的信號(hào)提取問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)模擬電路簡(jiǎn)單，由STC89C52芯片實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)采集，信號(hào)處理，脈搏計(jì)數(shù)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)脈搏次數(shù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)并可實(shí)現(xiàn)與脈搏次數(shù)報(bào)警,因此可作為簡(jiǎn)單醫(yī)院脈搏測(cè)量?jī)x。為了實(shí)現(xiàn)脈搏測(cè)量重復(fù)性，特別設(shè)置單片機(jī)復(fù)位按鍵和測(cè)試復(fù)位按鍵。同時(shí)方便觀察脈搏次數(shù)變化，采用動(dòng)態(tài)掃描顯示的方式，使用共陽(yáng)極數(shù)碼管，可以隨時(shí)方便觀察脈搏跳動(dòng)變化。當(dāng)測(cè)試結(jié)束時(shí)，增加的報(bào)警功能，起到對(duì)病人進(jìn)行預(yù)警作用，當(dāng)3種燈任何一種燈亮起時(shí)，即表示測(cè)試結(jié)束。當(dāng)然本次脈搏測(cè)量?jī)x還有很多改良地方，比方HK-2000A集成化脈搏傳感器對(duì)微弱跳動(dòng)特別敏感，在測(cè)量時(shí)，手腕手指手掌等身體移動(dòng)都會(huì)影響測(cè)量，因此在測(cè)量時(shí)需要防止其他部位移動(dòng)。結(jié)束語(yǔ)本設(shè)計(jì)主要是單片機(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。而且本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的便攜式心率測(cè)試儀還有報(bào)警功能，在脈搏次數(shù)超出設(shè)定值時(shí)報(bào)警電路會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器鳴叫。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，論文說(shuō)明書(shū)不夠好，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。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；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。在這個(gè)過(guò)程中，受到了我們老師和同學(xué)的熱切關(guān)注和耐心輔導(dǎo)，特別李小敏老師對(duì)我進(jìn)行了系統(tǒng)的講解和指導(dǎo)，對(duì)設(shè)計(jì)提出了很多建設(shè)性的意見(jiàn)及建議，對(duì)我的設(shè)計(jì)起到了指導(dǎo)性和決定性的作用，使我深刻的體會(huì)到了良師益友給我?guī)?lái)的幫助，在此表示深深的感謝！感謝李靜老師給了我們這個(gè)時(shí)機(jī)去更深層次的學(xué)習(xí)對(duì)于單片機(jī)和傳感器的理解能力和分析設(shè)計(jì)能力，感謝這次畢業(yè)設(shè)計(jì)帶給我的豐收的碩果，感覺(jué)系統(tǒng)的總結(jié)了4年來(lái)所學(xué)的專業(yè)知識(shí)很有用途，同時(shí)激發(fā)了我對(duì)于單片機(jī)這個(gè)領(lǐng)域的極大興趣，我將以此為起點(diǎn)，去更加努力的學(xué)習(xí)深造爭(zhēng)做單片機(jī)領(lǐng)域的專業(yè)人才，為自己爭(zhēng)光，為母校添彩。參考文獻(xiàn)[1]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，2006，9〔5〕：120-123.[2]劉文，唐輝，商洪濤.光電傳感器在脈搏采集中的研究[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備，2005，2〔9〕：22-23.[3]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〕：385-386.[4]乜國(guó)荃，王詠寧.人體脈搏測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].應(yīng)用天地，2011，30〔5〕：55-58.[5]劉瑩，李娜，馮暖.基于單片機(jī)的脈搏測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)實(shí)踐，2011，12〔1〕：272-273.[6]王華祥，張淑英.傳感器原理及應(yīng)用〔修訂版〕[M].天津大學(xué)出版社，2006：57-69.[7]何希才.傳感器及其應(yīng)用[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2001：32-47.[8]劉文，楊欣，張凱麟.基于AT89C2051單片機(jī)的指脈檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J].醫(yī)療設(shè)備，2005，11〔9〕：9-11.[9]謝望.光電傳感器技術(shù)的新開(kāi)展與應(yīng)用[J].儀器儀表用戶，2005，5〔7〕：1-2.[10]姜宇鵬，李長(zhǎng)城.錢塘光電傳感器的種類與應(yīng)用[J].民營(yíng)科技，2011，10〔12〕：217.[11]劉瑞新.單片機(jī)原理及應(yīng)用教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2004：33-39.[12]馮建華，趙亮.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)[M].人民郵電出版社，2005： 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//黃燈sbitP0_1=P0^1; //紅燈sbitP0_2=P0^2; //綠燈sbitP2_4=P2^4; //按鍵//sbitP3_2=P3^2;sbitP3_6=P2^3; //蜂鳴器bitBELL=0; //響鈴標(biāo)志/**************************************//* //* 軟件延時(shí)函數(shù) //* //************