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1、精选优质文档-倾情为你奉上智能脉搏记录仪设计摘要：脉搏测量仪在日常生活中已经得到广泛的应用。为了提高脉搏测量的简便性和精确度，本文介绍一款以AT89S52单片机为核心控制模块的智能脉博记录仪。该仪器通过红外发射管FBCB30与红外接收管TBBB30组成的光电传感器采集脉搏模拟信号，利用LM358芯片构成的放大整形电路将采集到的模拟信号处理成数字信号送给单片机处理，通过LCD1602液晶屏将单片机处理后得到每分钟的脉搏跳动次数显示出来。经过多次实验表明，该仪器较为精确的测量出人体一分钟内脉搏跳动次数，而且操作方便简洁。关键词：AT89S52；脉搏测量；信号处理；计数The Design of I
2、ntelligent Pulse RecorderAbstract：Pulse measuring instrument in daily life has been widely used. In order to improve the simplicity and definition , this paper introduces a AT89S52 microcontroller as the core control module intelligent pulse recorder. The instrument FBCB30 and the infrared receiving
3、 tube photoelectric sensor acquisition pulse TBBB30 composed of analog signal through the infrared emission tube ,using the LM358 chip shaping circuit consisting of the collected analog signal into digital signal to the microcontroller processing, the microcontroller via LCD 1602 obtained after proc
4、essing the pulse beats per minute is displayed. After several experiments show that the instrument is more accurately measure the human pulse beats a minute, and the operation is simple and convenient.Key words: AT89S52 microcontroller; Pulse measuring; Signal Processing; Count目 录前 言1第1章 系统总体设计31.1
5、系统设计方案确定31.2 系统模块设计方案论证41.3 系统技术指标5第2章 系统硬件设计62.1 主控制模块62.1.1 AT89S52芯片简介62.1.2 单片机最小系统设计102.2 脉搏感应模块122.2.1 光电传感器简介122.2.2 信号采集电路132.3 信号处理模块152.3.1 LM358芯片简介152.3.2低通滤波放大电路设计162.3.3 整形电路设计182.4 脉搏跳动提示模块192.5 LCD显示模块202.5.1 LCD1602简介202.5.2 LCD1602显示电路设计222.6 测量结束提示模块232.7 电源电路设计24第3章 系统软件设计253.1 主
6、程序设计253.2 外部中断子程序设计263.3 定时中断服务子程序设计273.4 LCD显示子程序设计28第4章 系统调试294.1 硬件调试294.2 软件调试304.3 误差分析30第5章 总结32参考文献33致 谢35附录一：电路原理图36附录二：PCB图37附录三：实物图38附录四：元器件清单39附录五：程序清单40前 言脉搏每分钟跳动次数和频率可以反映出人身体的健康状况，在我国中医“望、闻、问、切”四诊中，脉诊占据着重要的位置。脉诊作为我国传统医学中最具特色的一项“绿色无创”诊断的手段和方法，引起了国内外人士的广泛关注。虽然脉诊以简便、无创、无痛的特点为广大患者所接受，但是中医的医
7、师靠手指获取脉搏信息的方法，在长期的医疗实践中存在一定的局限性1。首先，医生切脉时单凭手指感觉和经验来辨别脉象的特征，表述过程中难免存在许多主观臆断因素，不能规范地判断脉象，其次，用手指切脉的技巧难以掌握，感知的脉象难以记录和保存，对脉象机理的研究产生影响。脉诊的这种定性化和主观性，影响了脉搏测量的精度与可行性，很大程度上制约了中医脉诊的应用、发展和交流。为了提高诊脉的精确度和规范化，需要将诊脉与现代科学技术结合起来，使得脉诊结果更加准确，切脉的方式更加便捷。随着科学技术的飞速发展，脉搏测量技术也逐渐成熟，对脉搏的测量精度要求也越来越高。国内外先后研制了各种类型的脉搏测量仪，其中脉搏测量的关键
8、是脉搏传感器的研究。如今，脉搏传感器主要分为接触式脉搏传感器和非接触式脉搏传感器，利用接触式脉搏传感器所研制的脉搏测量仪各有其优缺点。指夹式脉测量仪比较方便、简单，但手指上的汗腺较多，常年使用可能会使测量灵敏度下降；耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护，但耳脉信号较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确。人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波称为脉搏波。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，很大程度上反映出人体心血管系统中许多生
9、理病理的血流特征。因此，对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器，其中以光电式脉搏传感器的发展为主。光电式传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器，通过对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号。具有结构简单、无损伤、精度高、可重复使用等优点。通过光电式脉搏传感器所研制的脉搏测量仪已经应用到临床医学等各个方面并收到了理想效果。但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号, 脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号,因此，必须经过放大和后级滤波以满足采集的要求。本课题设计是一个智能脉搏记录仪系统，利用人体血液循环对光的吸收与衰减呈周期性变化的原理来
10、测量人体的脉搏，通过红外光电传感器采集人体脉搏信号，转换为模拟信号，经过滤波，放大整形电路处理成可供单片机使用的数字信号，单片机对信号计算并通过LCD液晶屏显示每分种脉搏跳动的次数。第1章 系统总体设计1.1系统设计方案确定智能脉搏记录仪系统的设计，通过采集人体脉搏跳动变化引起的一些生物信号，使之转化为可以被测量的物理信号，这些变化的物理信号能够反应人体脉搏的变化。通过后级滤波，放大及整形的方法对转化后的低频微弱物理信号进行处理，处理后的信号送入单片机，单片机将计算得出的每分钟脉搏跳动次数输出到液晶屏上显示。设计的实现，需要运用相应的硬件电路及芯片来处理变化的物理信号并存储脉搏次数。可以根据脉
11、搏信号转化成电信号的思路开始本次设计，通过硬件电路设计和软件编程来实现智能脉搏记录仪的功能要求。根据上面所述，本次智能脉搏记录仪的设计主要分为以下几个模块：单片机控制模块、脉搏感应模块、信号处理模块、测量结束提示模块、脉搏跳动提示模块、LCD显示模块、电源电路模块、晶振模块、复位电路模块。整体系统结构如图1-1所示。图1-1 系统框图图1-1中，系统各模块功能如下：脉搏感应模块：采用红外发射接收对管对人体手指之间的脉搏信号进行检测与采集，将非电量的脉搏信号转化成电信号。信号处理模块：转化后的模拟信号经过低通滤波、放大电路和整形电路的处理，使之转变成能够供单片机使用的数字信号。脉搏跳动提示模块：
12、处理后的数字信号通过对LED发光二极管的点亮和熄灭的方式，提示脉搏跳动的状态。单片机控制模块：单片机作为主控制模块对传递进来的数字信号进行定时，计数及运算处理，计算出每分钟脉搏跳动的次数。测量结束提示模块：当一次脉搏计数结束后，该模块中的蜂鸣器就会导通，提示本次脉搏测量结束。LCD显示模块:采用LCD1602显示每分钟脉搏跳动的次数。电源电路模块:产生直流5V电压给其它电路供电。复位模块：采用复位电路为单片机实现上电复位和手动复位功能。晶振模块：采用晶振电路为单片机提供时钟频率。1.2 系统模块设计方案论证1.单片机控制模块方案方案一：采用AT89S52单片机AT89S52单片机是一种低功耗、
13、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单片机芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52单片机为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活，超有效的解决方案。 方案二：采用FPGA单片机FPGA（Field Progmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可件的基础上进一步发展的产物。它是作为（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可件门电路数有限的缺点。本设计采用方案一，选用AT89S52单片机作
14、为主控制模块。因为FPGA可编程器件接口复杂，操作繁琐。AT89S52单片机使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容，功耗低，操作简单方便，易于实现。2.脉搏感应模块方案方案一：HK-2000A 集成化脉搏传感器 HK-2000A 集成化脉搏传感器采用高度集成化工艺，将力敏元件(PVDF 压电膜)、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内。HK-2000A 集成化脉搏传感器的原理是采集信号，输出的模拟信号同步于脉搏波动的脉冲信号，脉搏波动一次，输出一个正脉冲。该产品可用于脉率检测，如运动、健身器材设备中的心率测试。方案二：光电传感器
15、光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等，可以利用红外光电元器件接收脉搏信号并转换成电信号。本设计采用方案二作为脉搏感应模块的控制模块，HK-2000A集成化脉搏传感器，集成化程度高,工作过程复杂,价格比较高。光电传感器有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，价格比较便宜，操作方便，在检测和控制中应用非常广泛。1.3 系统技术指标本课题设计要求具体技术指标如下
16、：1. 实现一分钟脉搏跳动次数的测量，并显示其数值。2. 测量误差小于等于3次每分钟。3. 在脉搏测量时要有脉搏跳动指示。4. 设计功耗低，体积小，交互性强。第2章 系统硬件设计 图2-1 系统硬件框图图2-1系统硬件框图中，光电传感器红外发射管FBCB30发射的红外线透过手指指尖组织，由红外接收管TBBB30接收脉搏信号，转化为电信号后经过由运算放大器LM358构成的低通滤波放大电路，滤除高频信号并放大输入的电压，再通过由运算放大器LM358构成的电压比较器对放大好的信号进行整形，比较器将模拟信号整形成数字信号。整形好的数字信号一路送入LED脉搏指示电路，根据脉搏跳动节奏闪烁。另一路送入AT
17、89S52单片机P3.2口，单片机对脉冲信号计数和运算，最后，把计算的结果输出到LCD1602液晶显示，脉搏测试结束后蜂鸣器提示测量完成。2.1 主控制模块2.1.1 AT89S52芯片简介单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称，它不是完成某一个逻辑功能的，而是把一个到一个芯片上。单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），与计算机相比，缺少了外围设备等。单片机的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用是了解计算机原理与结构的
18、最佳选择。AT89S52系列是AT89系列中新推出的高档型系列。在这个系列中，目前已推出4种产品。AT89S51是这个系列的基本型，AT89S52是本系列的增强型，存储器容量扩大了一倍，增加了两个中断源，16位定时/计数器，增加了一个功能极强的定时/计数2。AT89S52单片机是一种低功耗、高性能 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 2。使用Atmel 公司高密度非技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。AT89S52单片机在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。AT89S52单片机引脚图如图2-2所示：图2-2 AT89S52单片机引脚图1.AT89S52单片机的主要
19、性能参数如下：(1) 8位字长CPU；(2) 振荡器和时钟电路，全静态操作：033MHz；(3) 片内256字节 RAM数据存储器；(4) 片内8K字节系统内可编程Flash存储器；(5) 4个8位并行I/O端口（P0、P1、P2、P3）共32线；(6) 3个16位的定时器/计数器；(7) 全双工（UART）串行口通道；(8) ISP端口；(9) 定时监视器（看门狗）；(10) 双数据指针（DPTR）；(11) 20多个特殊功能寄存器；(12) 电源下降标志。2.AT89S52引脚功能说明：VSS(GND):电源地电平；VCC：电源供电电压4-5V。P0 口：P0口是一个 8 位漏极开路的双向
20、I/O口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节，在程序校验时，输出指令字节。程序校时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动 4个TTL 逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和 P1.2分别作定时器/计数器
21、2 的外部计数输入和时器/计数器 2的触发输入。P1口引脚第二功能：P1.0 定时器/计数器 T2 的外部计数输入，时钟输出；P1.1 定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制；P1.5 在系统编程用；P1.6 在系统编程用；P1.7 在系统编程用。P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P2口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器。P3 口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双
22、向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能），在flash编程和校验时，P3口也接收一些。P3口第二功能：P3.0 RXD(串行输入口)；P3.1 TXD(串行输出口)；P3.2 INTO(外中断0)；P3.3 INT1(外中断1)；P3.4 TO(定时/0)；P3.5 T1(定时/1)；P3.6 WR(写选通)；P3.7 RD(读选通)。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个以上高电平将是复位。ALE/PROG：当访问外部或数据时，ALE（允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出
23、固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问存储器时将跳过一个ALE脉冲。对flash期间，该还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对（SFR）区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该会被微弱拉高，执行外部时，应设置ALE禁止位无效。PSEN：储存允许（PSEN）输出是外部的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部，EA端必须
24、保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH时，该加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。寄存器：并不是所有的地址都被定义了。片上没有定义的地址是不能用的。读这些地址，一般将得到一个随机数据；写入的数据将会无效。用户不应该给这些未定义的地址写入数据“1”。由于这些在将来可能被赋予新的功能，复位后，这些位都为“0”。2.1.2单片机最小系统设计单片机最小
25、系统由单片机的时钟电路和复位电路构成，单片机最小系统如图2-3所示。图2-3 单片机最小系统图2-3是单片机最小系统电路连接图。单片机的最小系统中18引脚和19引脚接时钟电路,X1接外部晶振和电容的一端,X2接外部晶振和电容的另一端。第9引脚为复位输入端,接上电容、电阻后能够上电复位,20引脚为接地端,40引脚为电源端。复位电路采用手动复位方式3。时钟电路以及复位电路设计如下： 1.时钟电路设计时钟电路就是产生像时钟一样准确的振荡电路。任何工作都按时间顺序，然而用于产生这个时间的电路就是时钟电路，一般由晶体振荡器、晶震控制芯片和电容组成。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接
26、影响单片机系统稳定性。XTAL1，XTAL2分别是系统时钟信号的输入输出端。在XTAL1，XTAL2的引脚上外接定时原件，内部振荡器能产生自激振荡，定时原件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路，电容的值通常选择20-60pF左右，该电容大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。考虑原件引脚的等效输入电容，两个22pF的电容构成晶振的振荡电路是比较好的选择。晶振的振荡器频率的范围通常在1.212MHz之间，晶体的频率越高，则系统的时钟频率也就变高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快，对存储器的速度要求就高。对印刷电路板的工艺要求也高，即要求浅间的寄生电
27、容要小，晶体和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生生活，更好的保证振荡器稳定，可靠地工作。本设计采用12MHz晶振Y1,一个机器周期是1us，并联两个22pF瓷片电容C2及C3构成时钟电路。单片机晶振电路如图2-4所示。图 2-4 单片机晶振电路2复位电路设计为保证系统电路工作稳定，程序正常运行，单片机外接复位电路，需要两个机器周期，复位电路如图2-5所示。图 2-5 单片机复位电路在图2-5中，电容C1为10uF，电阻R2为10K。复位时间T=rC1，其中的电阻r为单片机内置的10K电阻，则复位时间为100ms。当VCC上电瞬间，电容C1充电电流最大，电容相当于短路，RESET端为
28、高电平，单片机自动复位，当电容C1两端的电压达到电源电压时，电容C1充电电流为零，电容C1相当于开路，RESET端为低电平，单片机开始正常工作。工作期间，当按下按键S时，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，复位时间T=R2C1，则复位时间为100ms。所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移，电容的电压在0.1S内，从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RESET引脚又接收到高电平。单片机系统自动复位。2.2 脉搏感应模块2.2.1 光电传感器简介1光电传感器原理根据朗伯.比尔定
29、律，物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织吸收、反射衰减后测量到的光强，将在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织，其中非血液组织的光吸收量是恒定的，而在血液中，静脉血的搏动相对于动脉血是十分微弱的，可以忽略。因此，可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的，在恒定波长的光源照射下，通过检测透过手指的光强可以转变为人体的脉搏信号4。当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小，当血液流回心脏，组织半透明度则增大；这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。因此，根据以上原理，
30、本设计将3mm红外发射管FBCB30产生的红外线照射到人体的手指指尖部位，经过手指组织的反射和衰减，由装在该部位旁边的3mm红外接收管TBBB30接收其透射光并把它转换成电信号。由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的反射和衰减也是周期性脉动的, 于是，红外接收管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。只要将转换成的电信号进行滤波，放大整形，计数和显示，即可实时的测出脉搏的次数。 2. 光电传感器结构光电传感器由3mm红外发射管FBCB30和3mm红外接收管TBBB30组成。采用3mm红外发射管作为发射端时，从红外发射管发出的红外线除被手指组织吸收以外，一部分由血液漫反
31、射返回，其余部分透射出来，红外接收管接收透过指尖透射出来的光信号转换为电信号5。本系统采用红外发射管与红外接收管的距离相等并且对称布置，这种方法可较好地反映出心律的时间关系，实现了光电隔离,减少了对后级模拟电路的干扰。光电传感器结构如图2-6所示。 图2-6 透射式光电传感器2.2.2信号采集电路 本设计采用红外线发射管和红外发射接收管采集脉搏信号，并将采集到的脉搏信号转化为电信号供下级电路处理，具体电路如图2-7所示。图2-7 信号采集电路图2-7是脉搏信号的采集电路,主要是用3mm红外发射管和3mm红外接收管装置检测脉搏信号,将检测到的信号Ui加到放大整形电路输入端Uo1，因为Ui中可能存
32、在高频谐波，高频谐波会对测量结果产生影响，所以，设计添加一级由R7和C5构成的RC低通滤波电路将高次谐波滤除。1限流电阻R5及R6设计首先，红外发射管的工作电流一般小于20mA，根据电源电压VCC为5V，可以计算出R5的值应大于250欧姆；其次，经多次测试发现，当红外发射二极管中的电流越大时,发射角度越小,产生的发射强度就越大,基于红外接收管感应红外光灵敏度考虑，若R5设计过大,通过红外发射管的电流偏小,红外接收管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，若R5设计过小,通过的红外发射管电流偏大，红外接收管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号6。经过多次实际测试，R5最终取值为360欧姆。R6的
33、取值只要满足流过红外接收管的额定电流小于20mA，在满足条件的范围内，R6的取值电路的影响不大，本次设计采用20K的电阻R6。2. 滤波参数R7及C5设计经多次测试得出，人体运动时的脉搏接近200次/分钟时，频率约为3.33Hz，所以，由R7和C5构成的滤波器要初步滤除高于3.3Hz的高频谐波。 （2-1）式（2-1）为截止频率公式，由式（2-1）来确定R7和C5的取值。本次设计采用68K的电阻R7，1uF的电容C5，根据式( 2-1 )可算出截止频率为2.34Hz左右。2.3 信号处理模块2.3.1 LM358芯片简介LM358芯片内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适
34、合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益 模组,音频放大器、工业控制、DC 增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合7。 LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。LM358芯片结构如图2-8所示。 图2-8 LM358芯片结构1.LM358性能参数：（1）大直流电压增益：100dB；（2）低输入偏置电流：20 nA； （3）低输入失调电压：2mV； （4）低输入偏置电流：2 nA； （5）单位增益频带宽：1 MHz；（6）大输出电压摆幅：0 V至1.5V；（7）电源电压范
35、围宽：单电源3V至30V。2.引脚功能如表2-1所示。表2-1 LM358引脚功能说明引脚功能1输出12反相输入13非反相输入14VCC 5非反相输入26反相输入27输出28VCC +2.3.2 低通滤波放大电路设计低通滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，滤波器实质上是一个选频电路，所以也称选频装置。本次设计的低通滤波放大电路，滤除Uo1中的高频谐波，对微弱的Uo1信号进行放大处理8，整体滤波放大电路如图2-9所示。图2-9低通滤波放大电路1滤波电路设计图2-9中，经过R7和C5构成的滤波器，初步滤除高频谐波信号后，从Uo1输入端加到运算放大
36、器的正相输入端3脚，因为，初步滤除的信号中仍存在高频谐波信号和一些过低的低频谐波信号，不足以达到脉搏测量的低频要求，所以，需要在设计一个由R8和C6构成的低通滤波电路，进一步滤除高频谐波信号和一些频率过低的低频谐波信号。因为，人体在安静时的脉搏跳动大约是50次/分钟，频率约为0.78Hz，人体在剧烈运动时脉搏跳动大约在200次/分钟，频率约为3.3Hz9，所以，本设计需要滤除高于3.3Hz和低于0.78Hz的谐波信号。根据式（2-1）可以算出截止频率的取值范围0.78Hz3.3Hz 。 （2-2）式（2-2）为时间常数公式，经计算可得，0.047s 0.20s ，所以，这里C6和R8根据时间常
37、数取值，本次设计中采用330nF的电容C6，200K的电阻R8时，Hz，符合低频要求。2放大电路设计由红外光电传感器将脉搏信号转化为电信号，经过R7和C5构成的滤波器阶低通滤波器，从Uo1输入端加到运算放大器U2A的正相输入端3脚。因为输入到正相输入端的电压较小，不能达到整形所需电压，所以，需要设计一个放大器将Uo1端输入电压放大。当运放特性理想时，电路的传递函数10为： （2-3）电路放大倍数为： （2-4）多次实际测试发现，图2-9中的运算放大器U2A的放大倍数在20倍左右，可以达到整形所需要求的电压幅度。已知R8的取值为200K，根据式（2-4）可知Rw1取10K。可以通过改变Rw1的值
38、适当地改变放大倍数。此外，通过放大器放大后的信号是不规则的，有高频谐波信号干扰，所以，设计添加1uF的耦合电容C7，C7具有通低频阻高频作用，经过C7耦合后的输出信号Uo2送到下一级整形电路。经过低通放大后输出的信号Uo2是脉动正弦波形如图2-10所示。图2-10 Uo2波形图2.3.3整形电路设计Uo2为正弦波模拟量，不能直接提供给单片机使用，所以，需要设计一个电路，将正弦波形信号整形成方波信号，本次设计的整形电路主要利用电压比较器实现。电压比较器的基本功能是对两个输入电压的大小进行比较，判断两个输入电压中哪一个电压比较大。比较的结果用输出电压的高和低来表示。电压比较器可以采用专用的集成比较
39、器，也可以采用运算组成。由集成运算组成的比较器，其输出电平在最大输出电压的正极限值和负极限值之间摆动，如果要与相连接时，必须增添附加电路，对比较器的输出电压采取箝位措施，使输出的高低电平，满足逻辑电平的要求11。整形电路如图2-11所示。图2-11 整形电路图2-11中，电阻R10、R9构成的分压电路得到电压加到U2B的6脚反相输入端，U2B的5脚同相输入端接前级滤波放大后的信号Uo2。U2B的同、反相输入端进行比较，得到U2B的7脚输出端Uo的表达式（2-5）： （2-5）式（2-5）中，当输入电压Uo2大于时，由于运算放大器的8脚接的是电源（VCC），输出端7脚的电压为VCC，用高电平表示
40、；当输入电压Uo2小于时，由于运算放大器的4脚接的是地（GND），输出端的电压为0，用低电平表示，这样就形成了方波信号。因为，电压比较器U2B输出的是方波信号，抗干扰能力还不是很强，所以，需经过非门芯片SN74对方波信号取反，使得脉冲前后变地更直，增强信号的抗干扰能力12，然后输到单片机的P3.2口。Uo2整形前后波形如图2-12所示。图2-12 Uo2整形前后波形图2.4脉搏跳动提示模块为了能够直观地反应出脉搏跳动的状态，所以，需要设计一个脉搏跳动提示装置，来显示脉搏跳动的频率。脉搏跳动提示电路如图2-13所示。图2-13脉搏跳动提示电路图2-13中，脉搏跳动提示电路是由电压比较器输出端7脚
41、，串联一个发光二极管D2经电阻R11接地组成。因为，电压比较器输出端输出的信号是方波信号，所以，当放大整形后，运放U2B输出端7脚输出的是高电平时，发光二极管D2处于导通状态，二极管D2点亮；当运放U2B输出端7脚输出的是低电平时，发光二极管D2处于截止状态，二极管D2熄灭。由于，发光二极管D2工作电流只需要几毫安，为了保护发光二极管，需加一个360欧的限流电阻R11。 2.5 LCD显示模块2.5.1 LCD1602简介1602液晶也叫1602字符型液晶，是一种专门用来显示字母、数字、符号等的型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一
42、个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块13。1602LCD外形尺寸图，如图2-14所示。图2-14 LCD1602外形尺寸图1. LCD1602特性说明14：（1）3.3V或5V工作电压，对比度可调；（2）内含复位电路；（3）提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；（4）有80显示数据存储器；（5）内建有192个5X7的字型的字符发生器；（6）8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM；2. LC
43、D1602的引脚功能如表2-2所示。表2-2 LCD1602标准的16脚接口引脚号引脚名电平输入/输出作用1VSS电源地2VCC电源（+5）3VEE1,1到0对比调整电压4RS0/1输入0=输入指令 ，1=输入数据5R/W0/1输入0=向LCD写入指令或数据，1=从LCD读取信息6E输入使能信号 1时读取信息，1到0执行命令7DB00/1输入/输出数据总线line0（最低位）8DB10/1输入/输出数据总线line19DB20/1输入/输出数据总线line210DB30/1输入/输出数据总线line311DB40/1输入/输出数据总线line412DB50/1输入/输出数据总线line513D
44、B60/1输入/输出数据总线line614DB70/1输入/输出数据总线line7(最高位)15AVCC（+）LCD背光电源正极16K接地LCD背光电源负极2.5.2 LCD1602显示电路设计当系统测量完成时，通过液晶LCD1602将测量结果稳定的显示出来，显示电路如图2-15所示。图2-15 LCD 1602显示电路图2-15中,LCD1602的7-14脚为8位双向数据端口，与单片机AT89S52的P0.0-P0.7口相连，传送显示的内容,LCD1602的4脚为寄存器选择端RS，与单片机AT89S52的P2.5相连，判断LCD1602接收指令还是数据寄存器,LCD1602的5脚为读/写选择
45、端 R/W，与单片机AT89S52的 P2.6连接，判断LCD1602是读数据还是写数据,LCD1602的6脚为使能信号端 E ，与单片机AT89S52的P2.7口连接，控制LCD1602的使能信号, VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高,加一个2K电阻R3来调整对比度15。2.6 测量结束提示模块本设计中，在脉搏测量结束时，系统实现脉搏测量结束提示功能，测量结束提示功能的电路图，如图2-16所示。图2-16 测量结束提示电路图2-16中，单片机AT89S52的P2.0口控制蜂鸣器的工作状态，当脉搏测量结束时，单片机AT89S52的P2.0口输出低电平，三极
46、管8550处于导通状态，蜂鸣器开始报警；当脉搏测量进行时，单片机AT89S52的P2.0口输出高电平，三极管8550处于截止状态，蜂鸣器不工作。在图2-16中，蜂鸣器的内阻只有几十欧姆，工作电流只需要几毫安，所以，需要在单片机AT89S52的P2.0口接1K的限流电阻R4，保证蜂鸣器安全工作。2.7电源电路设计本设计采用电源电路将220V交流电转换成5V直流稳压电源为整个电路供电，具体电路如图2-17所示：图2-17 电源电路图图2-17 中，交流220V电压经过6V/10W的变压器T1加压成交流电压6V，6V的交流电压经过D1-D4整流以及C1滤波后输出直流电压7.8V，加到LM7805的输入端Vin，稳压LM7805把输入的直流电压7.8V稳定成输出电压5.03V，从LM7805输出端Vout输入到电容C2