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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流便携式脉搏测试仪论文.精品文档.摘 要系统以16位超低功耗的MSP430G2553作为脉搏测试仪的控制核心模块，利用红外发射管发射红外信号，透过人体手指或耳垂，通过硅光电池接收红外发射管发射的红外信号，利用人体组织的透明度随心脏搏动而改变，从而提取相应的微弱脉搏信息，通过放大与滤波将检测的微弱脉搏信号进行放大处理，通过信号调理电路对信号进行整形，输出脉冲波形送单片机，单片机通过I/O口的中断捕获功能获取脉搏信号周期，结合软件处理，计算出每分钟的脉搏数。另外该系统还包含电源电路、按键电路、显示电路、声光报警电路等。系统采用3.7V电池供电，并利
2、用单片机的低功耗休眠模式降低工作电流，实现低功耗效果。系统通过128X64点阵屏的主菜单栏和分级菜单栏实现各项功能管理，使系统可操作性强、人机交互友好。本系统工作可靠，功能完备，并加入了自己设计的创新点。便携式脉搏测试仪一、方案比较与论证1、 单片机的选型本设计使用MSP430G2553单片机为主控芯片，其内部主要资源包括：低功耗16位MSP430微处理器、16KB的Flash存储器，512B的RAM、两个分别带三个捕获功能的定时器模块TA、支持SPI和I2C通信的通用串行接口USCI、10位200-ksps模数A/D转换器、时钟系统和一定数量通用IO口。该款单片机继承了MSP430系列单片机
3、的优点：低电源电压范围：1.8V3.6V；超低功耗：运行模式-230 A 在 1 MHz频率和2.2V电压条件下,待机模式-0.5 A， 关闭模式（保留RAM）-0.1 A；拥有五种节电模式；低于1us的待机唤醒速度；内部超低功耗的低频振荡器，32KHz的晶振，外部数字时钟源；串行板上编程；2线制Spy-Bi-Write接口的片上仿真逻辑电路等。综上所述，由于该设计需要实现低功耗的特点和利用单片机内部的A/D转换器对信号进行模拟采集等，因此适合使用MSP430G2553单片机为主控芯片对系统进行控制。2、 光电传感的选择与论证方案一：采用光敏晶体管光电传感器光敏二极管的伏安特性相当于平移了普通
4、的二极管，光敏三极管的伏安特性和光敏二极管的伏安特性类似，但光敏三极管的光电流比同类的光敏二极管大好几十倍，零偏压时，光敏二极管有光电流输出，而光敏三极管则无光电流输出。方案二：采用硅光电池光电传感硅光电池是目前使用最为广泛的光伏探测器之一，具有宽广的光谱响应范围特性，并且它输出的电流与光的强度呈线性关系，同时拥有机械强度高，使用寿命长，稳定性好，可靠性强等诸多优点。由于系统需要输出的电流与光的强度呈线性关系，综合比较，采用方案二。3、 显示方式的选择方案一：TFT彩屏采用TFT屏，可以显示更多的信息，并且其响应时间比较短，色彩艳丽,在市场逐渐成为主流显示器，但与单片机通讯时需要的IO接口多。
5、方案二：12864串行液晶屏12864液晶显示器是一种具有 4 位/8 位并行、3 线串行多种接口方式，内部含有自带的中文字库点阵图形液晶显示模块。可以显示 84 行 1616 点阵的汉字，也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。综合考虑，该系统需要液晶屏与单片机通讯时IO接口较少故采用方案二。二、理论分析与计算1、 光电发射接收参数分析与计算图1光电转换发射与接收电路图发射：采用发射波长范围在600-1000nm的红外发光二极管，发光二极管的压降一般为1.52.0V，其工作电流为1020mA,所以选取R1=100。接收：比较光敏二极管、光敏三极管、硅光电池后，决定采用硅光电池，因为在
6、光源范围内有较高的灵敏度，随光线变换有较好的线性，设计中采用型号为PN66CE的硅光电池。2、 脉搏信号参数分析由于我们设计中光电接收与发射采用的是红外发光二极管和硅光电池。由红外发光二极管发出的光透射过手指，经过手指组织的血液吸收和衰弱，由硅光电池接受。由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的吸收和衰减也是周期性脉动的，于是红外发光二极管的输出信号也就反映了动脉血的脉动变化。图2红外发射接收示意图3、 信号采样与处理参数分析与计算3.1前级放大电路图3 前级放大电路图前级放大电路由一个反相放大器组成，C2电容去除直流信号，对脉搏信号进行了初步的放大。设置初级放大倍数为1
7、0倍。根据A=-R4/R2,选取R2=10K，R4=100K。同时为消除偏置电压，在正输入端和地之间接入R3，大小为R2与R4并联的阻值，选取9.1K。3.2二阶低通滤波器图3二阶低通滤波器图根据f=1/（2RC），为了消除50hz的工频干扰，设定截止频率为40Hz，故选择R5=75K、R6=75K、C3=0.47uF、C4=0.47uF。3.3后级放大电路图4后级放大电路图根据OUT4=（1+（RP+R10）/R8）*IN3，想要信号放大30倍，R9为平衡电阻，故选择R8=10K、R10=100K、可调电阻RP=200K、R9=20K。4、 波形显示参数分析与计算图5整形电路图通过前面获得的
8、脉搏信号，把一个正弦波信号通过迟滞比较器整合成一个方波。U+ VCC/(R7+R8)*R8，通过R11和R12的分压可以提升6脚的电位，然后通过U+和U-的比较功能可以得到方波信号，所以选择R6=4.7K,R7=47K，R8=30K，R9=100K，R10=10K。三、系统硬件设计与实现1、系统总体设计本系统以MSP430微控制器作为系统核心，通过光电脉搏探头由光电传感和放大滤波电路对人体的脉搏进行采集并将搏动信息转换成电信号，主要由电源电路、按键电路、显示电路、声光报警电路等组成。系统总体组成框图如图6所示。 图6脉搏测试仪系统组成框图2、MSP430系统电路该系统电路由复位电路、电源电路、
9、时钟电路三部分构成， MSP430系统电路如图7所示。图7 MSP430系统电路图3、信号放大、滤波电路设计系统通过硅光电池传感器对人体脉搏的搏击信号进行采集，并转换成电信号，通过前级放大、低通滤波、后级放大和波形整形对采集的信号进行处理。具体电路及分析见理论分析与计算，其组成框图如图8所示。图8信号采集滤波与放大流程图4、显示部分电路设计图9 单片机与液晶模块的接口图 系统采用12864液晶显示模块作为显示器件，该模块内置了汉字字库，由单片机的P1.7和P1.6口分别对液晶模块的SID和SCLK进行控制，其接口如图9所示。四、系统软件设计1、 系统软件总体设计 本系统软件部分过MSP430完
10、成用户的输入/输出处理和系统的控制，并由128X64点阵屏实现菜单选择功能，本系统设计了主菜单和分级菜单界面，每个界面对应一个功能，由计时、脉搏、上下告警、脉搏波形图等都在分级菜单中得以显示。系统流程图如图10所示。图10 系统流程图2、波形采集控制设计利用MSP430单片机对信号调理电路的方波信号采集，单片机通过I/O口的中断捕获功能获取脉搏信号周期，计算出每分钟的脉搏数。 3、上下告警门限设计 由于不同年龄段被测者的脉搏搏击次数不一样，为了增加上下告警门限的可靠性，系统增加儿童、成年、老人三种不同年龄段的脉搏搏击次数上下告警门限设计，同时也可以进行自行设置。3、回放监护状态设计在系统中，当
11、被测者处于监护状态的情况时，系统每隔一分钟都会对被测者的脉搏和时间刻度进行记录，并送至12864液晶显示屏显示，在内存开辟了100个数据存放空间；在回放状态时，可以看到在监护状态下被测者所记录的脉搏次数和时间刻度。五、结果测试与分析测试方案及条件：根据题目的要求，从学校提供的教学设备对设计的四个基本要求和4个发挥功能进行了对应的测试和误差计算。测试仪器：函数发生器、示波器、电源、万用表等。（1）设计制作光电脉搏探头：由光电传感（硅光电池）和放大滤波（前级、二阶低通滤波器和后级放大）制作而成的电脉搏探头，对脉搏的采集信号送至单片机进行处理，符合人体的实际脉搏搏击信号，满足要求。（2）脉搏次数/M
12、in的测量表1脉搏测试表被测者甲手测本仪器测量误差第一次85872.35%第二次90911.1% 设计制作的脉搏信号条理电路与信息处理电路符合题目要求，通过对被测人每分钟脉搏搏击次数的测量，误差在3%之内，同时送至12864液晶显示屏显示，符合题目要求。（3）电流的测量表2 电流测试表电池总电流待机电流170mA40mA150mA36mA 本仪器采用3.7V的电池供电，在单片机中对液晶显示屏进行待机处理，背光可关闭，减小功耗，且能在白天室内日常亮度环境下正常工作，符合题目设计要求。（4）本仪器在测量状态时能在光电探头到达合适测试部位时自动启动测量，1分钟完成测量后自动待机，在下一次探头达到测试
13、部位时自动启动下一次测量。（5）发挥部分1：本仪器可预置脉搏次数上下告警门限，当被测人所测得的脉搏搏击次数不在我们所设的正常范围内，蜂鸣器会响，实现告警。（6）发挥部分2：在监护状态下，测试仪会每过一分钟都会对被测人的脉搏搏击次数和何时进行的测量进行记录和保存，在回放状态下我们可以看到在监护状态下所测得的测量数据和时间，满足题目要求。（7）发挥部分3：利用MSP430单片机内部的A/D转换器对信号进行模拟采集，通过信号调理电路对信号进行整形，输出脉冲波形送单片机，单片机通过I/O口的中断捕获功能获取脉搏信号周期，结合软件处理，可以在128X64点阵的屏幕上实现光电脉搏信号波形的动态显示。六、结束语该设计按照题目要求，采用模块化的软硬件设计方法，在设计中充分利用MSP430单片机的资源和特点，如低功耗和内置AD等，这些设计使得系统电路简洁紧凑和具有较强的抗干扰能力。采用MSP430G2553芯片为核心构成控制电路对人体脉搏的测量具有较高的正确性。多级菜单的设计，使得操作非常简洁。系统增加的对不同年龄段脉搏的上下限有不同的搏击次数，使其上下告警门限更具有可靠性和正确性。本系统设计功能完整，性能稳定。