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

1、 PAGE39 / NUMPAGES45 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。本系統(tǒng)以89S51單片機(jī)作為中心，通過使用單片機(jī)來實(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，使用壓電瓷片采集人體脈搏信號(hào)，然后經(jīng)過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

2、到單片機(jī)，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來進(jìn)行顯示。雖然壓電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)過系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路后，也能比較滿意的實(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)部分設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)問題，最后提出一些完善本設(shè)計(jì)的改進(jìn)意見。關(guān)鍵字：脈搏測(cè)量；壓電瓷片；液晶顯示屏；單片機(jī)THE DESIGN OF HUMAN PLUSE DETE

3、CTION SYSTEM BASED ON MCUABSTRACTThe shape, intensity, speed, and rhythm of pulse signals mostly reflect the physical andpathological characters of heart-blood system in human bodies.This topic is a design of bodypulse measuring instrument. Because of the specificity of the pulse signal, the design

4、must pay attention to achieve an accurate measurement.The point of this design is the simple and precise of the measurement.We need to measure the pulse of the human body in oneminute,and to ensure that the error in less than 2 times.The whole system is center on single-chip microcomputer 89s51,usin

5、g the signle-chip to achieve the system core function of counting pulse.In the front-end of the signal, we use piezoelectricceramics to collect the signal of the human body pulse.And then,after after amplification of the AD620, shaping of the 555, filtering of the low-pass filter and other operation

6、s,the signal will be converted to the pulse signal with the same frequency,and this signal will be input to the single-ship.The single-ship will count to this.The method of counting is using the timer of the single-ship,and then use the cycle,get the frequency,by the frequency,we can get the number

7、of the one-minute pulse. The final result of the count will display in the 1602 LCD screen.Although the performance of the piezoelectricceramics is not very good,in the signal collection.it cant do it very precise.But its price is very low,and after the signal conditioning circuit of the system,the

8、signal can be quite satisfactory to achieve our objectives.At the beginning of the paper, the integral notion of the device design is brought out. Afterwards, the detail information of each part is narrated. At last part, some suggestions for improving the device are provided.Keywords:Pulse measurem

9、ent; piezoelectric ceramics; 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 HYPERLINK l _Toc3596071101 緒論 PAGEREF _Toc359607110 h 1HYPERLINK l _Toc3596071111.1課題背景與目的 PAGEREF _Toc359607111 h 1HYPERLINK l _Toc3596071121.2 國(guó)外研究狀況與發(fā)展趨勢(shì) PAGEREF _Toc359607112 h 2HYPERLINK l _Toc3596071131.3 課題研究難點(diǎn) PA

10、GEREF _Toc359607113 h 3HYPERLINK l _Toc3596071141.3.1 抗干擾 PAGEREF _Toc359607114 h 3HYPERLINK l _Toc3596071151.3.2 低噪聲、低漂移 PAGEREF _Toc359607115 h 3HYPERLINK l _Toc3596071161.4 課題主要研究容 PAGEREF _Toc359607116 h 4HYPERLINK l _Toc3596071172 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc359607117 h 5HYPERLINK l _Toc3596071182.1系統(tǒng)硬件

11、電路設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc359607118 h 6HYPERLINK l _Toc3596071192.1.1傳感器的選擇 PAGEREF _Toc359607119 h 6HYPERLINK l _Toc3596071202.1.2 單片機(jī)的選擇 PAGEREF _Toc359607120 h 8HYPERLINK l _Toc3596071212.1.3 信號(hào)調(diào)理電路的選擇 PAGEREF _Toc359607121 h 10HYPERLINK l _Toc3596071222.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc359607122 h 10HYPERLINK l

12、_Toc3596071232.2.1 脈搏波動(dòng)頻率測(cè)量方案的選擇 PAGEREF _Toc359607123 h 10HYPERLINK l _Toc3596071242.2.2 單片機(jī)工作方式的選擇 PAGEREF _Toc359607124 h 10HYPERLINK l _Toc3596071252.2.3 顯示電路方案的選擇 PAGEREF _Toc359607125 h 11HYPERLINK l _Toc3596071263 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc359607126 h 12HYPERLINK l _Toc3596071273.1 一級(jí)放大電路的設(shè)計(jì) PAGEREF

13、 _Toc359607127 h 12HYPERLINK l _Toc3596071283.2 二階濾波器電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc359607128 h 15HYPERLINK l _Toc3596071293.3 第二級(jí)放大電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc359607129 h 17HYPERLINK l _Toc3596071303.4 整形電路 PAGEREF _Toc359607130 h 18HYPERLINK l _Toc3596071313.5 定時(shí)計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc359607131 h 21HYPERLINK l _Toc35960713

14、23.6 顯示電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc359607132 h 22HYPERLINK l _Toc3596071334 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc359607133 h 25HYPERLINK l _Toc3596071344.1 主程序流程的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc359607134 h 25HYPERLINK l _Toc3596071354.2 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷程序流程的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc359607135 h 26HYPERLINK l _Toc3596071364.3 顯示程序流程的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc359607136 h 27

15、HYPERLINK l _Toc3596071375 總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc359607137 h 28HYPERLINK l _Toc359607138參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc359607138 h 29HYPERLINK l _Toc359607139致 PAGEREF _Toc359607139 h 31HYPERLINK l _Toc359607139附錄32HYPERLINK l _Toc359607140附錄A 原理圖 PAGEREF _Toc359607140 h 32HYPERLINK l _Toc359607141附錄B 主程序 PAGEREF _To

16、c359607141 h 33HYPERLINK l _Toc359607142附錄C 顯示程序 PAGEREF _Toc359607142 h 37附件附件A開題報(bào)告附件B譯文與原文影印件1 緒論1.1課題背景與目的脈搏是臨床檢查和生理研究中常見的生理現(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、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

17、，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癥狀出現(xiàn)，通過對(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)量與其他某些生理檢測(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)基本的生命指標(biāo)，因而脈搏測(cè)量是最常見的生命特征的提取。2近年來出現(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)加壓和減壓的過程，存在體積龐大、加減壓過程會(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導(dǎo)致主動(dòng)脈的收縮和舒，使血流壓

18、力以波的形式從主動(dòng)脈根部開始沿著整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)傳播，這種波稱為脈搏波。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)利用壓電瓷片將脈博轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(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，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。達(dá)到了方便、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，性價(jià)比高，輸出顯示穩(wěn)定，比較適應(yīng)大眾化，適合家庭進(jìn)行自我檢查以與醫(yī)院護(hù)士進(jìn)行每日的臨床記錄。1.2 國(guó)外研究狀況與發(fā)展趨勢(shì)早在1860年Vierordt 創(chuàng)建了第一

19、臺(tái)杠桿式脈搏描記儀3，國(guó)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)械與電子技術(shù)的發(fā)展，國(guó)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)、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)與研制者作一簡(jiǎn)單的歸納4，詳見表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）醫(yī)療器械廠 MX-1型（應(yīng)變片） BYS-14型（應(yīng)變片） 醫(yī)療儀器研究所 MX-3型，MX型（7點(diǎn)式） 3MX-1型（應(yīng)變片）醫(yī)療儀器研究所 MTY-A（寸部7點(diǎn)，應(yīng)變片）中醫(yī)學(xué)院 ZM-1型

20、（子母式，應(yīng)變片）九路型（徑向7點(diǎn)，軸向3組）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) 交通大學(xué) 圓形氣囊加壓式（7點(diǎn)） 中醫(yī)研究院 橫向線列式九道（應(yīng)變片） 大學(xué) 63點(diǎn)（PVDF壓電薄膜） 西苑醫(yī)院 壓電晶體 脈圖協(xié)作組 MX-811型（液態(tài)泵） 中科院基礎(chǔ)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)） 省中醫(yī)學(xué)院 血管容積式（光敏元件）省中醫(yī)研究院 阻抗儀 中國(guó) 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、

21、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，不過近年來正在向三部多點(diǎn)式方向發(fā)展。脈搏測(cè)量?jī)x的發(fā)展主要向以下幾個(gè)趨勢(shì)發(fā)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，未來脈搏自動(dòng)檢測(cè)的容將更加詳細(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)的發(fā)展，脈搏測(cè)量?jī)x集成度將

22、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。隨著電子技術(shù)的發(fā)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)提出了很嚴(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干擾與其各次諧波使用頻率為50HZ的市電的電子

23、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，頻帶圍可以在0HZ10000HZ。（3） 由于呼吸引起的基線漂移和ECG幅度變化呼吸引起的基線漂移可以看成是一個(gè)以呼吸的頻率加入ECG信號(hào)的竇性成分（正弦曲線），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)的幅度的變化可以達(dá)到15。基線漂移的頻率是從0.150.3HZ。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)行過程中的噪聲主要表

24、現(xiàn)為電子線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圍，使得微弱的緩變信號(hào)無法被放大。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 課題主要研究容正常人的脈搏次數(shù)是每分鐘6080次（嬰兒為90140次,老年人則為100150次), 這種頻率信號(hào)屬于低頻疇.因此,脈搏測(cè)量?jī)x是用來測(cè)量低頻信號(hào)的裝置,它的基本功能要求應(yīng)該是:（1）要把人體的脈搏數(shù)(振動(dòng))

25、轉(zhuǎn)換成電信號(hào),這就需要借助傳感器。（2）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（若干秒），測(cè)出經(jīng)放大后的電信號(hào)頻率值?？傊}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。可見，脈搏測(cè)量?jī)x的主要組成部分是計(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（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)。（2）測(cè)量脈搏跳動(dòng)固定次數(shù)（比如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。這兩種方案比較起來，第一種更直觀，所需的

26、電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單些；第二種方案的測(cè)量誤差比較小，但實(shí)現(xiàn)起來電路要復(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：使用純硬件電路來實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)的框圖如下圖2.1所示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)電路來實(shí)現(xiàn)。通過信號(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)來實(shí)現(xiàn)脈搏測(cè)量功能。使用該方案其框圖如下圖圖2.2所示。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

27、通過比較以上兩種方案。方案一由于使用純硬件方式，系統(tǒng)穩(wěn)定度比較高。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)分離的方法,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),能緊附在人體表面,柔軟、吸汗、極化電壓低、導(dǎo)電性良好

28、等特點(diǎn)。當(dāng)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)一和便于比較所獲得的脈搏信號(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)，可以感覺到手指前端在血壓的作用下有一一弛的感覺，將這個(gè)信號(hào)用傳感器提取出來，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過指脈的波形檢測(cè)，就可以獲得人體的脈搏信號(hào)。（2）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幾十倍，據(jù)此特點(diǎn)，采用光電效應(yīng)手指脈搏傳感器89來拾取脈搏信號(hào)

29、。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)圍，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)過放大，濾波，比較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

30、同所造成的麻煩。接收的是血液漫反射回來的光，此信號(hào)可以精確地測(cè)得血管容積變化。（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)比較（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)買專門的醫(yī)用光電傳感器，價(jià)格較貴且不易購(gòu)買；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。（2）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)

31、格低廉。缺點(diǎn)：直接與人體相接觸，容易因?yàn)槿梭w肌肉的顫動(dòng)等而產(chǎn)生干擾。并且容易受到外界其他信號(hào)的干擾。（3）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)要求以與經(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)康摹弘姶善?213的外觀和電路符號(hào)如下圖2.3所示。壓電片包括三個(gè)部分，鍍銀層，壓電瓷，以與銅片。外部壓力作用于銅片時(shí)，壓電瓷就可以感受壓力而產(chǎn)生電信號(hào)，并最終通

32、過鍍銀層將該信號(hào)輸出。在使用時(shí)，壓電瓷片要通過導(dǎo)線與電路板連接,注意在焊接壓電瓷片時(shí),時(shí)間不能太長(zhǎng)以免燙壞壓電瓷片的鍍銀層。圖2.3 壓電瓷片的符號(hào)與外觀由于壓電瓷片的資料比較少，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)，來確定它的輸出電壓是否符合要求。使用實(shí)驗(yàn)室砝碼來測(cè)試，其結(jié)果如下表表2-1所示。表2-1 壓電瓷片輸出電壓測(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

33、以得知壓電瓷片可以實(shí)現(xiàn)我們所要達(dá)到的目標(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)、信息分析處理與信息顯示。（1）AVR單片機(jī)AVR單片機(jī)1516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(50

34、ns)、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核采用凌陽(yáng)推出的Microcontroller and Signal Processor 16位微機(jī)處理器芯片，以下簡(jiǎn)稱nSP 。圍繞micro;nSP 所形成的16位unSP 系列單片機(jī)，以下簡(jiǎn)稱nSP 家族。采用的是模塊式集成結(jié)構(gòu)，它以nSP 核為中心集成不同規(guī)模的ROM PAM和功能豐富的各種外設(shè)部件。nS

35、P 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)。以與這種結(jié)構(gòu)可大可小可有可無，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，這樣做無疑會(huì)使每種派生產(chǎn)品具有更強(qiáng)的功能和更低的成本。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。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。部采用總線結(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)不同用戶的需求。具有較強(qiáng)的中斷處理能力。nSPTM家族的中斷系統(tǒng)支持10個(gè)中斷向量與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

36、比：nSPTM家族片帶有高尋址能力的ROM，靜態(tài)RAM和多功能的I/O口，另外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)算指令和積運(yùn)算指令，為其應(yīng)用添加了DSP功能，使得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Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。該系列單片機(jī)的始祖是Intel的8031單片機(jī)，后來隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)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 HYPERLINK :/baike.baidu /vie

37、w/110906.htm t _blank 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)間將占有大量市場(chǎng)。51單片機(jī)是基礎(chǔ)入門的一個(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)格便宜，易于開發(fā)的特點(diǎn)。通用型，有總線擴(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，訪問外部數(shù)據(jù)有瓶頸，作電壓圍窄。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)，本人比較熟悉，所以，本設(shè)計(jì)中選擇51單片機(jī)作為信息處理中心。

38、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)部分1718。由于傳感器輸出的電壓比較小，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，甚至使放大器達(dá)到飽和，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

39、。這部分電路的框圖如圖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)間由信號(hào)所產(chǎn)生的交變次數(shù)或脈沖個(gè)數(shù)，即。可以看出測(cè)量fx必須將N或t兩個(gè)量之一作為閘門或基準(zhǔn)，對(duì)另一個(gè)量進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于不同的頻率圍，有三種不同的測(cè)量方法。（1）周期測(cè)量法：適用于低頻信號(hào)。采用單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以單片機(jī)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，由程序控制開關(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。（2）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)不是用來填充待測(cè)信號(hào)的周期，

40、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)。（3）頻率測(cè)量法：適用于高頻信號(hào)。充分利用單片機(jī)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6080次/min，其頻率成分主要分布在020Hz之間，屬于次聲，最高頻率不超過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。查詢方式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，硬件開銷?。蝗秉c(diǎn)是CPU在整個(gè)傳送過程中需要

41、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。所以，需要選用合適的顯示設(shè)備與顯示電路，來實(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6080次/min。本設(shè)計(jì)中，顯示位數(shù)較多?？梢赃x擇LCD字符液晶屏來對(duì)脈搏波動(dòng)頻率信息進(jìn)行顯示

42、。它具有：電參數(shù)(VDD=5.0V 10%,VSS=0V,Ta=25 )顯示容：16字符x 2 行字符點(diǎn)陣：5 x 8點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式：1/16D可供型號(hào)：TN STN(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的開銷小，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)。（2）動(dòng)態(tài)掃描顯示：

43、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說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。利用人的視覺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。通過對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程來實(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

44、中直觀的顯示出來。本章對(duì)各部分電路的設(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)頻率圍，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,線形度小等特點(diǎn)。為了達(dá)到上述要求,并聯(lián)型雙運(yùn)放放大電路21能滿足其要求圖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Rx的電流

45、等于(V2-V1)/Rx,因此輸入信號(hào)將通過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)鲆妗Ｒ陨想娐沸枰齻€(gè)運(yùn)放，在調(diào)試的時(shí)候會(huì)比較復(fù)雜?，F(xiàn)在的很多儀表放大器的部電路與這個(gè)電路一樣，而且儀表放大器都有成品可以買到,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2223,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

46、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3-2 AD620參數(shù)表項(xiàng)目規(guī)格備注增益圍11000只需一個(gè)電阻就可以設(shè)定電源供應(yīng)圍2.3V18V低耗電量最大供應(yīng)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的最大非線性度；最大偏置電壓為50V ；最大漂移電壓0.6V/低訊號(hào)1khz時(shí)低輸入噪聲9nV/Hz使用場(chǎng)合ECG 量測(cè)量與用以器材、壓力測(cè)量,V/I 轉(zhuǎn)換資料拾取系統(tǒng)等AD620的芯片引腳如圖3.2所示圖3.2 AD620芯片引腳圖其中增益

47、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，用來濾去高頻信號(hào)。在這個(gè)系統(tǒng)中最大的干擾就是來自市電的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

48、干擾濾去。（1）方案選擇：方案一：無源濾波器采用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 一階無源濾波圖3.5 一階無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，通帶幅頻特性曲線比較平坦，而且二階也可以達(dá)到較陡的衰減的特性。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達(dá)到很好的濾波效果。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

49、。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。符合所要達(dá)到的指標(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。（3）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

50、/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)。若RF0，R1=（開路），則為電壓跟隨器，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TL082，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，完全可以達(dá)到設(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

51、,可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要達(dá)到的放大參數(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55

52、5芯片來完成該項(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3.12 555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)，開啟定時(shí)器，然后在下

53、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來構(gòu)成電路。AT89S5127是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫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)與80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片集成了通用8位中央處理器和ISP Flash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)提供高性價(jià)比的解決方案。A

54、T89S51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4k Bytes Flash片程序存儲(chǔ)器，128 bytes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，看門狗（WDT）電路，片時(shí)鐘振蕩器。 此外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e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

55、求。經(jīng)過整形的信號(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。所以，需要選用合適的顯示設(shè)備與顯示電路，來實(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160229字符液晶屏動(dòng)態(tài)顯示方式來顯示脈搏波動(dòng)頻率信息。顯示電路

56、如圖3.16所示，1602字符液晶屏?xí)r序參數(shù)如表3-3所示，硬件端口定義與軟件資源分配如表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 明RSP0.0寄存器選擇控制線RWP0.1LCD讀寫控制線EP0.2啟用控制線，高電平動(dòng)作LCDP2雙向數(shù)據(jù)總線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)命令寄存器IR的，30 31另外2條是針對(duì)數(shù)據(jù)寄存器DR的，具體指令如表3.4所示。表3-4 1602指令表（注：表示

57、可以為0或1）編號(hào)指 令RSRWD7 D6D5D4D3D2D1D01清屏顯示00000000012光標(biāo)返回0000000013置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關(guān)控制0000001DCB5光標(biāo)或字符移位000001S/CR/L6置功能00001DLNF7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寫數(shù)到CGRAM或DDRAM10要寫的數(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3-5 1602指令相關(guān)設(shè)置命 令設(shè)置命 令

58、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DL18BIT，06BITC1顯示光標(biāo)，0不顯示光標(biāo)N12 行，01 行B1光標(biāo)閃爍，0光標(biāo)不閃爍F15*10 字型，05*7 字型BF1正在執(zhí)行部操作，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。YN開始初始化設(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

59、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)求來自于輸入單片機(jī)中頻率為1Hz的脈沖信號(hào)。T0中斷開始執(zhí)行后，檢測(cè)T1代表的時(shí)間是否大于60S，沒有大于60S則繼續(xù)檢測(cè)，大于60S則關(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。NYT0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4.2 T0中斷程序流程圖LCD顯示T1的值結(jié)束T1中斷入口圖4.3 T1中斷程序流程圖4.3 顯示程

60、序流程的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)LCD1602顯示的容是被測(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“your pulse is：”,在第二行顯示出脈搏數(shù)。其數(shù)據(jù)口為P0口。sbit RS = P25; /H數(shù)據(jù)，L指令sbit RW = P26; /H讀，L寫sbit E = P27; /片使能信號(hào)，控制其工作。#define LCD_Data P0 /數(shù)據(jù)口流程如圖4.4所示。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