基于單片機的脈搏心率測量儀論文[優(yōu)選材料]

1、摘 要脈搏心率測量儀在我們的日常生活中已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用。為了提高脈搏心率測量儀的簡便性和精確度，本課題設(shè)計了一種基于52單片機的脈搏心率測量儀。系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，以紅外反射式傳感器ST188為檢測原件，并利用單片機系統(tǒng)內(nèi)部定時器來計算時間，由紅外反射式傳感器ST188感應(yīng)產(chǎn)生脈沖，單片機通過對脈沖累加得到脈搏心率跳動次數(shù)，時間由定時器定時而得。系統(tǒng)運行中能顯示脈搏心率次數(shù)和時間，系統(tǒng)停止運行時，能夠顯示總的脈搏心率次數(shù)和時間。經(jīng)測試，系統(tǒng)工作正常，達到設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：脈搏心率測量儀；STC89C52單片機；紅外反射式傳感器 AbstractPulse meter i

2、n our daily life have got the very extensive application.In order to improve the simplicity and accuracy of the apparatus used to measure the pulse, this topic has designed a pulse measuring instrument based on 52 microcontroller.System with STC89C52 single-chip microcomputer as the core, with origi

3、nal ST188 infrared reflection type sensor for the detection, and use the single chip microcomputer system internal timer to measure time, pulse generated by the reflecting type of infrared sensor ST188 induction, microcontroller pulse is obtained by the pulse accumulation number, time by the timer t

4、iming.System can display the pulse frequency and time, the system stops running, can display the total pulse frequency and time.After the test, the system works well, to meet the design requirements.Keywords：The pulse measuring instrument;STC89C52 single-chip microcomputer;The infrared reflection ty

5、pe sensor 目 錄摘 要IAbstractII第1章 概述11.1 選題的背景和意義11.2 脈搏心率測量儀的發(fā)展與應(yīng)用2第2章 脈搏心率測量儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)42.1 光電脈搏心率測量儀的結(jié)構(gòu)42.2工作原理52.3光電脈搏心率測量儀的特點5第3章 硬件系統(tǒng)73.1 控制器73.1.1 STC89C52 簡介73.1.2 STC89C52 的特點73.1.3 STC89C52 的結(jié)構(gòu)83.2脈搏心率信號采集103.2.1光電傳感器的原理113.2.2光電傳感器的結(jié)構(gòu)113.2.3 光電傳感器檢測原理123.2.4信號采集電路123.3信號放大133.3.1放大器的介紹133.3.2 放大電路

6、143.4 波形整形電路153.5單片機處理電路173.6 顯示電路173.6.1 LCD1602 的綜述193.6.2 LCD1602 的結(jié)構(gòu)193.6.3 LCD1602指令集193.6.4 脈搏心率測量儀電路原理圖21第4章 軟件系統(tǒng)244.1 主程序流程：244.2 定時器中斷程序流程：244.3 INT中斷程序流程：254.4 顯示程序流程：264.5 軟件說明27第五章 抗干擾措施及使用方法275.1抗干擾措施275.1.1環(huán)境光對脈搏心率傳感器測量的影響275.1.2電磁干擾對脈搏心率傳感器的影響285.1.3 測量過程中運動噪聲的影響285.2測量儀使用方法28第6章 系統(tǒng)調(diào)試

7、306.1 系統(tǒng)調(diào)試306.2 系統(tǒng)檢驗316.3 誤差分析32第七章 總結(jié)與展望34參考文獻36附 錄38致 謝44二類優(yōu)質(zhì)#第1章 概述1.1 選題的背景和意義脈搏心率攜帶有豐富的人體健康狀況的信息，自公元三世紀(jì)我國最早的脈學(xué)專著脈經(jīng)問世以來，脈學(xué)理論得到不斷的發(fā)展和提高。在中醫(yī)四診（望、聞、問、切）中，脈診占有非常重要的位置。脈診是我國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中最具特色的一項診斷方法，其歷史悠久，內(nèi)容豐富，是中醫(yī)“整體觀念”、“辨證論證”的基本精神的體現(xiàn)與應(yīng)用。脈診作為“綠色無創(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)是靠手指獲取脈搏心率信息，雖然脈診具有簡便、無創(chuàng)、無痛的特點易為患者接受，

8、然而在長期的醫(yī)療實踐中也暴露出一些缺陷。首先，切脈單憑醫(yī)生手指感覺辨別脈象的特征，受到感覺、經(jīng)驗和表述的限制，并且難免存在許多主觀臆斷因素，影響了對脈象判斷的規(guī)范化；其次，這種用手指切脈的技巧很難掌握；再則，感知的脈象無法記錄和保存影響了對脈象機理的研究。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、發(fā)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)揚光大，促進脈診的應(yīng)用和發(fā)展，必須與現(xiàn)代科技相結(jié)合，實現(xiàn)更科學(xué)、客觀的診斷1。醫(yī)院的護士每天都要給住院的病人把脈記錄病人每分鐘脈搏心率數(shù)，方法是用手按在病人腕部的動脈上，根據(jù)脈搏心率的跳動進行計數(shù)。為了節(jié)省時間，一般不會作1分鐘

9、的測量，通常是測量10秒鐘時間內(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)，即使這樣做還是比較費時，而且精度也不高。為了提高脈搏心率測量的精確與速度，多種脈搏心率測量儀被運用到醫(yī)學(xué)上來，從而開辟了一條全新的醫(yī)學(xué)診斷方法。早在1860年Vierordt 創(chuàng)建了第一臺杠桿式脈搏心率描記儀，國內(nèi)20世紀(jì)50年代初朱顏將脈搏心率儀引用到中醫(yī)脈診的客觀化研究方面。此后隨著機械及電子技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外在研制中醫(yī)脈象儀方面進展很快，尤其是70年代中期，國內(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)脈象研究工作進入了一個新的境界。脈象探頭式樣很多，有單部、三部、單點、多點、

10、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，其中以單部單點應(yīng)變片式為最廣泛，不過近年來正在向三部多點式方向設(shè)計2。目前脈搏心率測量儀在多個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，除了應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如無創(chuàng)心血管功能檢測、妊高癥檢測、中醫(yī)脈象、脈率檢測等等，商業(yè)應(yīng)用也不斷拓展，如運動、健身器材中的心率測試都用到了技術(shù)先進的脈搏心率測量儀。1.2 脈搏心率測量儀的發(fā)展與應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏心率測量技術(shù)也越來越先進，對脈搏心率的測量精度也越來越高，國內(nèi)外先后研制了不同類型的脈搏心率測量儀，而其中關(guān)鍵是對脈搏心率傳感

11、器的研究。起初用于體育測量的脈搏心率測試集中在對接觸式傳感器的研究，利用此類傳感器所研制的指脈、耳脈等測量儀各有其優(yōu)缺點。指脈測量比較方便、簡單，但因為手指上的汗腺較多，指夾常年使用，污染可能會使測量靈敏度下降：耳脈測量比較干凈，傳感器使用環(huán)境污染少，容易維護。但因耳脈較弱，尤其是當(dāng)季節(jié)變化時，所測信號受環(huán)境溫度影響明顯，造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確3。過去在醫(yī)院臨床監(jiān)護和日常中老年保健中出現(xiàn)的日常監(jiān)護儀器，如便攜式電子血壓計，可以完成脈搏心率的測量,但是這種便攜式電子血壓計利用微型氣泵加壓橡膠氣囊，每次測量都需要一個加壓和減壓的過程，存在體積龐大、加減壓過程會有不適、脈搏心率檢測的精確度低等缺點。近年

12、來國內(nèi)外致力于開發(fā)無創(chuàng)非接觸式的傳感器，這類傳感器的重要特征是測量的探測部分不侵入機體，不造成機體創(chuàng)傷，能夠自動消除儀表自身系統(tǒng)的誤差，測量精度高，通常在體外，尤其是在體表間接測量人體的生理和生化參數(shù)。其中光電式脈搏心率傳感器是根據(jù)光電容積法制成的脈搏心率傳感器，通過對手指末端透光度的監(jiān)測，間接檢測出脈搏心率信號。具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、精度高、可重復(fù)使用等優(yōu)點。通過光電式脈搏心率傳感器所研制的脈搏心率測量儀已經(jīng)應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)等各個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)致主動脈的收縮和舒張，是血流壓力以波的形式從主動脈根部開始沿著整個動脈系統(tǒng)傳播，這種波成為脈搏心率波4。從脈搏心率波

13、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)，歷來都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。脈搏心率波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強度(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,因此對脈搏心率波采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價值和應(yīng)用前景5。但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號, 脈搏心率波信號更是低頻微弱的非電生理信號,因此必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求。第2章 脈搏心率測量儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)脈搏心率測量儀的設(shè)計，必須是通過采集人體脈搏心率變化引起的一些生物信號，然后把生物信號轉(zhuǎn)化為物理信號，使得這些變化的物理信號能夠表達人體的脈搏心率

14、變化，最后要得出每分鐘的脈搏心率次數(shù)，就需要通過相應(yīng)的硬件電路及芯片來處理物理變化并存儲脈搏心率次數(shù)。在硬件設(shè)計中一般的物理信號就是電壓變化，有了這個系統(tǒng)的設(shè)計思路，本課題就此開始實施。2.1 光電脈搏心率測量儀的結(jié)構(gòu)光電脈搏心率測量儀是利用光電傳感器作為變換原件，把采集到的用于檢測脈搏心率跳動的紅外光轉(zhuǎn)換成電信號，用電子儀表進行測量和顯示的裝置。本系統(tǒng)的組成包括光電傳感器、信號處理、單片機電路、LCD顯示電路、電源等部分。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)射二極管和紅外接收三極管組成，它可以將接收到的紅外光按一定的函數(shù)關(guān)系(通常是線性關(guān)系)轉(zhuǎn)換成便于測量的物理量

15、(如電壓、電流或頻率等)輸出。2信號處理 即處理光電傳感器采集到的低頻信號的模擬電路(包括放大、濾波、整形等)。3. 單片機電路即利用單片機自身的定時中斷計數(shù)功能對輸入的脈沖電平進行運算得出心率（包括STC89C52、外部晶振、外部中斷等）。4LCD顯示電路即把單片機計算得出的結(jié)果用LCD1620顯示出來，便于直接準(zhǔn)確無誤的讀出數(shù)據(jù)。5. 電源即向光電傳感器、信號處理、單片機提供的電源，采用直流5V電源供電。2.2工作原理本設(shè)計采用單片機STC89C52為控制核心，實現(xiàn)脈搏心率測量儀的基本測量功能。脈搏心率測量儀硬件框圖如下圖2.1 所示：放大、整形電路ST188紅外反射傳感器LCD1602顯

16、示電路STC89C52主控制器復(fù)位電路晶振電路+5V電源圖 2.1 脈搏心率測量儀的工作原理當(dāng)手指放在紅外線發(fā)射二極管和接收二極管中間，隨著心臟的跳動，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度發(fā)生變化，因此和心跳的節(jié)拍相對應(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。該信號經(jīng)放大、濾波、整形后輸出，輸出的脈沖信號作為單片機的外部中斷信號。單片機電路對輸入的脈沖信號進行計算處理后把結(jié)果送到LCD1602顯示。2.3光電脈搏心率測量儀的特點與傳統(tǒng)的脈搏心率測量儀相比，光電式脈搏心率測量儀具有以下特點：1. 測量的探測部

17、分不侵入機體，不造成機體創(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. 測試的適用電壓為5V的直流電壓。4. 穩(wěn)定性好、磨損小、壽命長、維修方便。5. 由于結(jié)構(gòu)簡單，因此體積小、重量輕、性價比優(yōu)越。6. 測量的有效范圍為50次-199次/分鐘。 第3章 硬件系統(tǒng)3.1 控制器本系統(tǒng)基于52系列單片機來實現(xiàn)，因為系統(tǒng)沒有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們最終選擇了STC89C52通用的比較普通單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。3.1.1 STC89C52 簡介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存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MC

18、S-51內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。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，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM， MAX810復(fù)位電路，3個16 位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(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、定時器/計

19、數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。3.1.2 STC89C52 的特點與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容4k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器1000次擦寫周期全靜態(tài)操作：OHz-24MHz三級加密程序存儲器128*8字節(jié)內(nèi)部RAM32個可編程IO口線2個16位定時計數(shù)器6個中斷源可編程串行UART通道低功耗空閑和掉電模式3.1.3 STC89C52 的結(jié)構(gòu)此次設(shè)計所使用的STC89C52 的封裝形式是DIP40。如圖3.1 所示。圖3.1 STC89C52 的封裝

20、形式引腳功能：Vcc：電源電壓GND：接地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I0口，也即地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗轉(zhuǎn)入端用。Pl口：P1是個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電萌。P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)

21、部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P3口：可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備。作為第二功能使用，每一位功能定義如表3.1 所示。表3.1 P3 口的第二功能RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振器頻率的16輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。PSEN：程序存儲允許（PSEN）輸出是外部

22、程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C51由外部程序存儲器取指令(或數(shù)據(jù))時每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的PSEN信號不出現(xiàn)。EAVPP：EA 0，單片機只訪問外部程序存儲器。EA 1，單片機訪問內(nèi)部程序存儲器。XTALI：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。3.2脈搏心率信號采集目前脈搏心率波檢測系統(tǒng)有以下幾種檢測方法：光電容積脈搏心率波法、液體耦合腔脈搏心率傳感器、壓阻式脈搏心率傳感器以及應(yīng)變式脈搏心率傳感器。近年來, 光電檢測技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很快, 這主要是由于光能避開強烈的電

23、磁干擾, 具有很高的絕緣性, 且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息,具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、精度高、可重復(fù)好等優(yōu)點6。用光電法提取指尖脈搏心率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。3.2.1光電傳感器的原理根據(jù)朗伯一比爾(LamberBeer)定律，物質(zhì)在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比。當(dāng)恒定波長的光照射到人體組織上時，通過人體組織吸收、反射衰減后，測量到的光強將在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征7。脈搏心率主要由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生的，在人體指尖組織中的動脈成分含量高，而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測到的光強相對較大，因此光電式脈搏心率傳感器的測量

24、部位通常在人體指尖。手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織，其中非血液組織的光吸收量是恒定的，而在血液中，靜脈血的搏動相對于動脈血是十分微弱的，可以忽略。因此可以認為光透過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起的，那么在恒定波長的光源照射下，通過檢測透過手指的光強將可以間接測量到人體的脈搏心率信號7。3.2.2光電傳感器的結(jié)構(gòu)傳感器由紅外發(fā)光二級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，可基本抑制由呼吸運動造成的脈搏心率波曲線的漂移。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轉(zhuǎn)換為電信號。從光源發(fā)出的光除被手指組織吸收以外，一部分由血液漫反射返

25、回，其余部分透射出來。光電式脈搏心率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稱布置，接收的是透射光。反射式的發(fā)射光源與光敏接收器件。因此本系統(tǒng)采用了反射式光電傳感器。結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。圖3.2 反射式光電傳感器3.2.3 光電傳感器檢測原理檢測原理是: 隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變：當(dāng)血液送到人體組織時，組織的半透明度減小，當(dāng)血液流回心臟，組織半透明度則增大；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)計將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的手指部位，經(jīng)過手指組織的反射和衰減由裝在該部位旁邊的光敏三管

26、來接收其透射光并把它轉(zhuǎn)換成電信號。由于手指動脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動變化，所以它對光的反射和衰減也是周期性脈動的, 于是紅外接收三極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化。故只要把此電信號轉(zhuǎn)換成脈沖并進行整形、計數(shù)和顯示9，即可實時的測出脈搏心率的次數(shù)。3.2.4信號采集電路圖3.3是脈搏心率信號的采集電路，U2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)射強度就越大，所以對R10阻值的選取要求較高。R10選擇470同時也是基于紅外接收三極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R21過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小，紅外接收三極管無法區(qū)別有脈搏心率和無脈搏心

27、率時的信號。反之，R21過小，通過的電流偏大，紅外接收三極管也不能準(zhǔn)確地辨別有脈搏心率和無脈搏心率時的信號。當(dāng)手指離開傳感器或檢測到較強的干擾光線時，輸入端的直流電壓會出現(xiàn)很大變化，為了使它不致泄露到LM358輸入端而造成錯誤指示，用C4耦合電容把它隔斷10。當(dāng)手指處于測量位置時，會出現(xiàn)二種情況：一是無脈期。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，會造成輸出電壓略低。二是有脈期。當(dāng)有跳動的脈搏心率時，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的頻率很低，如當(dāng)脈搏心率只有為50次/分鐘時，只有0.78Hz，200次/

28、分鐘時也只有3.33Hz，因此信號首先經(jīng)耦合電容C4耦合，再由R5、C5濾波以濾除高頻干擾后，加到線性放大輸入端。圖3.3 信號采集電路3.3信號放大3.3.1放大器的介紹LM358 是由兩個獨立的高增益運算放大器組成。可以是單電源工作，也可以是雙電源工作，電源的電流消耗與電源電壓大小無關(guān)。應(yīng)用范圍包括變頻放大器、DC 增益部件和所有常規(guī)運算放大電路。采用DIP8 或SOP8 封裝形式。每一組運算放大器可用圖3.4所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端V

29、o 的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo 的信號與該輸入端的相位相同。LM358 的引腳排列見圖3.5。 圖3.4 圖3.5由于LM358 二運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。3.3.2 放大電路按人體脈搏心率在運動后跳動次數(shù)達200次/分鐘的計算來設(shè)計低通放大器，如圖3.6所示。R6、C6組成低通濾波器以進一步濾除殘留的干擾，截止頻率由R6、C6決定，運放LM358將信號放大，放大倍數(shù)由R12和R13的比值決定。圖3.6 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：200。截

30、止頻率為：3.9HZ。按人體的脈搏心率跳動為200次/分鐘時的頻率是3.3 Hz考慮，低頻特性是令人滿意的。經(jīng)過低通放大后輸出的信號是疊加有噪聲的脈動正弦波。波形如圖3.7所示。圖3.73.4 波形整形電路波形整形電路如圖3.8所示，LM358是一個電壓比較器。當(dāng)有輸入信號時，LM358在比較器輸入信號的每個后沿到來時輸出低電平，用發(fā)光二極管D1作脈搏心率測量狀態(tài)顯示，脈搏心率每跳動一次發(fā)光二極管就亮一次。同時，該脈沖電平送到單片機/INTO腳，進行對心率的計算和顯示。輸出波形如圖3.11所示。圖3.8 波形整形電路經(jīng)過比較器LM358的輸出波形：圖3.93.5單片機處理電路 如圖3.12所示

31、，本部分運用了STC公司的89C52單片機作為核心元件，在這里運用單片機能更快更準(zhǔn)確地對數(shù)據(jù)進行運算，而且可以根據(jù)實際情況進行編程，所用外圍元件少，輕巧省電，故障率低。來自傳感和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機89C52的/INTO腳，單片機設(shè)為負跳變中斷觸發(fā)模式，故每次脈沖下降沿到達時觸發(fā)單片機產(chǎn)生中斷并進行計時，來一個脈沖脈搏心率次數(shù)就加一；定時器中斷主要完成一分鐘的定時功能。單片機對一分鐘內(nèi)的脈沖次數(shù)進行累加，通過P0、P1口把測量過程和結(jié)果送到LCD1602顯示出來9。圖3.12 單片機處理電路3.6 顯示電路本設(shè)計的顯示采用LCD1602來顯示。單片機的P0口，P1口控制顯示器。顯示

32、電路如圖3.13。圖3.13 顯示電路3.6.1 LCD1602 的綜述1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。3.6.2 LCD1602 的結(jié)構(gòu)工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。（16列2行）注：為了表示的方便 ，后文皆以1表示高電平，0表示低電平。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5

33、X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。管腳功能1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：第1腳：VSS為電源地第2腳：VCC接5V電源正極第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電

34、源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度）。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作。第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端,高電平（1）時讀取信息，負跳變時執(zhí)行指令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負極。特性3.3V或5V工作電壓，對比度可調(diào)內(nèi)含復(fù)位電路提供各種控制命令,如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器D

35、DRAM內(nèi)建有192個5X7點陣的字型的字符發(fā)生器CGROM8個可由用戶自定義的5X7的字符發(fā)生器CGRAM管腳功能1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：第1腳：VSS為電源地第2腳：VCC接5V電源正極第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會 產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度）。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作。第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端

36、。第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負極。特性應(yīng)用+3.3V電壓，對比度可調(diào)內(nèi)含復(fù)位電路提供各種控制命令,如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器DDRAM內(nèi)建有192個5X7點陣的字型的字符發(fā)生器CGROM8個可由用戶自定義的5X7的字符發(fā)生器CGRAM微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。3.6.3 LCD1602指令集1602通過D0D7的8位數(shù)據(jù)端傳輸數(shù)據(jù)和指令。顯示模式設(shè)置： (初始化)0011 0000 0x38 設(shè)置162顯示，57點陣，8位數(shù)據(jù)接口；顯示開關(guān)及光標(biāo)設(shè)置： (初始化)000

37、0 1DCB D顯示(1有效)、C光標(biāo)顯示(1有效)、B光標(biāo)閃爍(1有效)0000 01NS N=1(讀或?qū)懸粋€字符后地址指針加1 &光標(biāo)加1)，N=0(讀或?qū)懸粋€字符后地址指針減1 &光標(biāo)減1)，S=1 且 N=1 (當(dāng)寫一個字符后，整屏顯示左移)s=0 當(dāng)寫一個字符后，整屏顯示不移動數(shù)據(jù)指針設(shè)置：數(shù)據(jù)首地址為80H，所以數(shù)據(jù)地址為80H+地址碼(0-27H，40-67H)其他設(shè)置：01H(顯示清屏，數(shù)據(jù)指針=0，所有顯示=0)；02H(顯示回車，數(shù)據(jù)指針=0)。3.6.4 脈搏心率測量儀電路原理圖圖 3.16 電路原理圖第4章 軟件系統(tǒng)4.1 主程序流程：系統(tǒng)主程序控制單片機系統(tǒng)按預(yù)定的操

38、作方式運行, 它是單片機系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)上電后,對系統(tǒng)進行初始化。初始化程序主要完成對單片機內(nèi)專用寄存器、定時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, 進行定時器中斷、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4.1所示。圖 4.1 主程序流程圖4.2 定時器中斷程序流程：定時器中斷服務(wù)程序由一分鐘計時、按鍵檢測、有無測試信號判斷等部分組成。當(dāng)定時器中斷開始執(zhí)行后，對一分鐘開始計時，1s計時到之后繼續(xù)檢測下1s，直到60s到了再停止并保存測得的脈搏心率次數(shù)。同時可以對按鍵進行檢測，只要復(fù)位測試值就可以重新開始測試。主要完成一分鐘的定時功能和保存測得的脈搏

39、心率次數(shù)。流程如圖4.2所示。圖 4.2 定時器中斷程序流程圖4.3 INT中斷程序流程：外部中斷服務(wù)程序完成對外部信號的測量和計算。外部中斷采用邊沿觸發(fā)的方式，當(dāng)處于測量狀態(tài)的時候，來一個脈沖脈搏心率次數(shù)就加一，由單片機內(nèi)部定時器控制一分鐘，累加得出一分鐘內(nèi)的脈搏心率次數(shù)。流程如圖4.3所示。圖 4.3 INT中斷程序流程圖4.4 顯示程序流程：顯示程序包括顯示上次的脈搏心率次數(shù)、本次測量中的時間和脈搏心率的次數(shù)。從中斷程序中取得結(jié)果后，先顯示上次的脈搏心率次數(shù)，經(jīng)過10ms的延時后再顯示測試中的脈搏心率次數(shù)，再經(jīng)過10ms的延時顯示測試中的時間。流程如圖4.4所示。圖 4.4 顯示程序流程

40、圖4.5 軟件說明本程序采用C語言，程序的可讀性非常好。程序中對前一次測量的脈搏心率數(shù)據(jù)進行了自動保存，并且用數(shù)碼顯示。程序在執(zhí)行過程若發(fā)現(xiàn)有干擾則忽略該干擾而不顯示，進一步減少讀入數(shù)據(jù)的誤差。第五章 抗干擾措施及使用方法5.1抗干擾措施為了提高測量儀的精確度，系統(tǒng)首先要解決的是硬件方面的干擾問題。光電式脈搏心率測量儀的測量過程中，前端測量到的脈搏心率信號十分微弱，容易受到外界環(huán)境干擾，其中主要的干擾源有測量環(huán)境光干擾、電磁干擾、測量運動噪聲。 5.1.1環(huán)境光對脈搏心率傳感器測量的影響 在光電式脈搏心率傳感器中，光敏器件接收到的光信號不僅包含脈搏心率信息的透射光的信號，而且包含測量環(huán)境下的背

41、景光信號，由于動脈波動引起的光強變化比背景光的變化微弱得多，因此在測量過程當(dāng)中要保持測量背景光的恒定，減少背景光的干擾13。 測量環(huán)境下的背景光包含環(huán)境光和在測量過程中引起的二次反射光。為了減少環(huán)境光對脈搏心率信號測量的影響，同時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，為了避免測量過程中的二次反射光的影響，在指套式傳感器的內(nèi)層表面涂上一層吸光材料，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心率傳感器測量到的脈搏心率波形比較平滑。這是因為加指套式的脈搏心率傳感器中環(huán)境光在測量過程中基本不受外界環(huán)境光的影響，而且能

42、夠有效減少二次反射光，使照射到手指上的光波長單一，所以得到的脈搏心率信號較為穩(wěn)定，沒有明顯的重疊雜波信號，能夠很好的體現(xiàn)出脈搏心率波形的特征。 5.1.2電磁干擾對脈搏心率傳感器的影響通過光電轉(zhuǎn)換得到的包含脈搏心率信息的電信號一般比較微弱，容易受到外界電磁信號的干擾，在傳統(tǒng)的光電式脈搏心率傳感器電路中，由于光敏器件和放大電路是分離的，那么在信號的傳遞過程就很容易受到外界電磁干擾，通常在一級放大電路采用電磁屏蔽的方式來消除電磁干擾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放大電路，有效地抑制了外界電磁信號對原始脈搏心率信號的干擾。 工頻干擾是電路中最常見的干擾，脈搏心率信號變化

43、緩慢，特別容易受到工頻信號的干擾，因此對工頻信號干擾的抑制是保證脈搏心率信號測量精度的主要措施之一。通常脈搏心率信號的頻率范圍在0.330Hz之間，小于工頻50Hz，因此通過低通濾波器可以有效濾除工頻干擾，這在信號調(diào)理電路中容易實現(xiàn)；同時可以在控制電路中對光源進行脈沖調(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，在脈搏心率信號數(shù)據(jù)采集后，可以通過數(shù)據(jù)處理法方法進一步濾除工頻信號的干擾15。5.1.3 測量過程中運動噪聲的影響 測量過程當(dāng)中，通常情況下手指和光電式脈搏心率傳感器可能產(chǎn)生相對的運動，這樣對脈搏心率測量產(chǎn)生誤差，可以通過2個方面減少運動噪聲誤差：一是改善指

44、套式傳感器的機械抗運動性，比如說使指套能夠更緊的套在手指上，不易松動；二是從脈搏心率信號處理的角度，通過算法來減小誤差。對于傳感器的設(shè)計，現(xiàn)在采用的主要是第一個途徑。5.2測量儀使用方法測量儀通電后，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，這時很快就可以看到紅色發(fā)光二極管會伴隨你的脈搏心率而閃爍，讓你直觀的看到自己脈搏心率跳動的速度，按下復(fù)位鍵后單片機和顯示部分開始工作，單片機立刻開始計數(shù)，同時數(shù)碼管顯示出你的心率和測試的時間，非常方便。如果偶爾出現(xiàn)不穩(wěn)的情況，請按復(fù)位鍵對系統(tǒng)進行復(fù)位。第6章 系統(tǒng)調(diào)試6.1 系統(tǒng)調(diào)試根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，本系統(tǒng)的調(diào)試可分為兩大部分：模

45、擬部分和純MCU部分。由于在系統(tǒng)設(shè)計中采用模塊化設(shè)計，所以方便了對各電路功能模塊的逐級測試。斷開兩部分的連接點，先調(diào)試MCU部分。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部分能是否能顯示；模擬部分用不透明的筆在紅外發(fā)射二極管和接收三級管之間搖擺，借助示波器觀察波形效果如何。單片機軟件先在最小系統(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行整體測試，使系統(tǒng)的功能得以實現(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)整形輸出后檢測到的脈沖還是很弱，在確定電路沒有問題的情況下，加強信號的放大倍數(shù)，調(diào)整電阻R12和R13的阻值

46、。2. 時鐘的調(diào)試根據(jù)晶體振蕩頻率計算出內(nèi)部定時器的基本參數(shù)，通過運行一段時間可通過秒表來校正后,看時間誤差的量,以這個量為依據(jù)改變程序中的內(nèi)部定時器基本參數(shù),就可使時鐘調(diào)準(zhǔn)確。3. 開機后無顯示首先檢查交流電源部分，有無交流，若無則可能保險管或變壓器燒壞，如有繼續(xù)查直流有無，如無則電源已燒壞，可更換解決。4. 顯示正常但經(jīng)適當(dāng)運動后測量，脈搏心率次數(shù)沒有增加可能是前置放大級有問題，可采用更換的辦法判斷并排除。5. 進人測量狀態(tài), 但測量值不穩(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. 開機后顯示不正常或按鍵失靈可查手指擺放的位置或按鍵電路，若無故障則是硬件損壞。7. 電源的

47、改變 理論上模擬部分有三處電壓應(yīng)為5V，但經(jīng)過測試，全部使用5V電壓也是可行的。6.2 系統(tǒng)檢驗系統(tǒng)上電后等待測試狀態(tài)，如圖6.1所示：圖6.1測量中顯示的數(shù)據(jù)，如圖6.2所示：圖6.2測量結(jié)束后顯示的脈搏心率次數(shù)，如圖6.3所示：圖6.36.3 誤差分析實際的脈搏心率次數(shù)測量得出脈搏心率次數(shù)1測量得出脈搏心率次數(shù)2測量得出脈搏心率次數(shù)3測量得出脈搏心率次數(shù)4測量得出脈搏心率次數(shù)5656464636563727071696970767675757473818080798180858383858284注：實際的脈搏心率次數(shù)以聽診器測出的脈搏心率次數(shù)為參考值。由于傳感器和其他器件本身并非理想線性，

48、實測數(shù)據(jù)進行了線性補償。由均方差公式得： =0.59誤差分析：經(jīng)校準(zhǔn)，非線性補償后，誤差已基本達到要求。第七章 總結(jié)與展望單片機近20年的飛速發(fā)展，儼然已成為計算機發(fā)展和應(yīng)用的一個重要方面。另一方面，單片機應(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)計思想和設(shè)計方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機通過軟件方法來實現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。而51單片機作為單片機的主流，隨著集成技術(shù)的發(fā)展，51系列單片機繼承和發(fā)展了MCS-51系列的技術(shù)特色，有逐漸取而代之之勢。本設(shè)計主要是52單片機在脈搏心率測試系統(tǒng)中的

49、應(yīng)用。重點介紹了單片機的最小系統(tǒng)，通過單片機最小系統(tǒng)實現(xiàn)了脈搏心率的測量系統(tǒng)，由光電傳感器采集到脈沖信號，經(jīng)過信號的放大、濾波和整形電路將輸出的信號通過單片機的外部中斷獲取并最終在數(shù)碼管上顯示。利用單片機自身的定時中斷、外部中斷、計數(shù)等功能，不僅能顯示出此次脈搏心率測量的次數(shù)，還能自動儲存這個數(shù)據(jù)。本次所設(shè)計的測量儀系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、功能穩(wěn)定、使用方便，應(yīng)用廣泛，具有實際意義。由于時間比較短，同時本人掌握的知識有限，本次設(shè)計雖已完成，但其中有很多不足，如程序不夠簡練，電路板不夠美觀，光電傳感器靈敏度不夠高，數(shù)碼管顯示部分不夠完美等，同時此次設(shè)計的測量儀功能比較單一，沒有如語音系統(tǒng)實現(xiàn)自動讀出脈搏心

50、率次數(shù)等人性化功能，且在設(shè)計過程中使用的運放數(shù)量也較多，加大了電源管理的復(fù)雜度。然而科技的進步勢必會使測量儀的功能日益強大和完善，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U大，將會給我們的生活帶來更多的方便和精彩。為了更好的進行電脈搏心率測量儀的設(shè)計，在近一個學(xué)期的時間里，認真收集有關(guān)資料，并做相關(guān)的整理和閱讀，為這次的設(shè)計做好充分的準(zhǔn)備。經(jīng)過這次畢設(shè)，我收獲了很多，具體總結(jié)如下：（1）通過此次的設(shè)計，使我知道了無論做什么事都應(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)而被動的學(xué)習(xí)。（2）通過此次的設(shè)計，使我了解了脈搏心率測量儀在國內(nèi)外發(fā)展之迅速、應(yīng)用領(lǐng)域之廣、市場前景之大。（3）通過此次的設(shè)計，使我對硬件設(shè)計

51、和各模塊的功能有了更深的了解，同時提高了動手能力。（4）通過次次的設(shè)計，使我體會到堅持不懈的毅力對完成一件事情起著巨大的作用。（5）通過此次的設(shè)計，使我深刻的體會到團隊合作精神的重要性及相互討論過程中的樂趣。參考文獻1 歐陽俊，謝定等基于BL-410 的指端脈搏心率波采集系統(tǒng)應(yīng)用研究J實用預(yù)防醫(yī)學(xué)，2004，第11卷第2期，242 韓文波，曹維國，張精慧光電式脈搏心率波監(jiān)測系統(tǒng)J長春光學(xué)精密機械學(xué)院學(xué)報，1999，第22卷第4期，23 朱國富，廖明濤，王博亮袖珍式脈搏心率波測量儀J電子技術(shù)應(yīng)用，1998，第1期，134 劉云麗，徐可欣等微功耗光電式脈搏心率測量儀J電子測量技術(shù)，2005，第2期

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