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1、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应用。为了提高脉搏测量简便性与精确度，本文介绍一款以AT89S52单片机为核心控制模块智能脉博记录仪。该仪器通过红外发射管FBCB30及红外接收管TBBB30组成光电传感器采集脉搏模拟信号，利用LM358芯片构成放大整形电路将采集到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 Intelligent Pulse Reco
2、rderAbstract：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 tube photoelectric s
3、ensor 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 processing the pulse beat
4、s 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 系统设计方案确定31.2 系统模块设计方案
5、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15162.3.3 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
6、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与频率可以反映出人身体健康状况，在我国中医“望、闻、问、切”四诊中，脉诊占据着重要位置。脉诊作为我国传统医学中最具特色一项“绿色无创”诊断手段与方法，引起了国内外人士广泛关注。虽然脉诊以简便、无创、无痛特点为广大患者所接受，但是中医医师靠手指获取脉搏信息方法，在长期医疗实践中存在一定局限性1。首先，医生切脉时单凭手指感
7、觉与经验来区分脉象特征，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，用手指切脉技巧难以掌握，感知脉象难以记录与保存，对脉象机理研究产生影响。脉诊这种定性化与主观性，影响了脉搏测量精度及可行性，很大程度上制约了中医脉诊应用、发展与交流。为了提高诊脉精确度与规范化，需要将诊脉及现代科学技术结合起来，使得脉诊结果更加准确，切脉方式更加便捷。随着科学技术飞速发展，脉搏测量技术也逐渐成熟，对脉搏测量精度要求也越来越高。国内外先后研制了各种类型脉搏测量仪，其中脉搏测量关键是脉搏传感器研究。如今，脉搏传感器主要分为接触式脉搏传感器与非接触式脉搏传感器，利用接触式脉搏传感器所研制脉搏测量仪各
8、有其优缺点。指夹式脉测量仪比较方便、简单，但手指上汗腺较多，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。人体心室周期性收缩与舒张导致主动脉收缩与舒张，血流压力以波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。脉搏波所呈现出形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)与节律(周期)等方面综合信息，很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理血流特征。因此，对脉搏波采集与处理具有很高医学价值与应用前景。近年来国内外致力于开发无创非接触式传感器，其中以光电式脉搏传感器发
9、展为主。光电式传感器是根据光电容积法制成脉搏传感器，通过对手指末端透光度监测，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。但人体生物信号多属于强噪声背景下低频弱信号, 脉搏波信号更是低频微弱非电生理信号,因此，必须经过放大与后级滤波以满足采集要求。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吸收及衰减呈周期性变化原理来测量人体脉搏，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数字信号，单片机对信号计算并通过LCD液晶屏显示每分种
10、脉搏跳动次数。第1章 系统总体设计智能脉搏记录仪系统设计，通过采集人体脉搏跳动变化引起一些生物信号，使之转化为可以被测量物理信号，这些变化物理信号能够反应人体脉搏变化。通过后级滤波，放大及整形方法对转化后低频微弱物理信号进行处理，处理后信号送入单片机，单片机将计算得出每分钟脉搏跳动次数输出到液晶屏上显示。设计实现，需要运用相应硬件电路及芯片来处理变化物理信号并存储脉搏次数。可以根据脉搏信号转化成电信号思路开始本次设计，通过硬件电路设计与软件编程来实现智能脉搏记录仪功能要求。根据上面所述，本次智能脉搏记录仪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
11、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脉搏信号进行检测及采集，将非电量脉搏信号转化成电信号。信号处理模块：转化后模拟信号经过低通滤波、放大电路与整形电路处理，使之转变成能够供单片机使用数字信号。脉搏跳动提示模块：处理后数字信号通过对LED发光二极管点亮与熄灭方式，提示脉搏跳动状态。单片机控制模块：单片机作为主控制模块对传递进来数字信号进行定时，计数及运算处理，计算出每分钟脉搏跳动次数。测量结束提示模块：当一次脉搏计数结束后，该模块中蜂鸣器
12、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与手动复位功能。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、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8位CPU与在系统可编程Flash，使得AT89S52单片机为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活
13、，超有效解决方案。 方案二：采用FPGA单片机FPGA（Field Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件基础上进一步发展产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中一种半定制电路而出现，既解决了定制电路不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限缺点。本设计采用方案一，选用AT89S52单片机作为主控制模块。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，及工业80C51产品指令与引脚完全兼容，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-2
14、000A 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 集成化脉搏传感器原理是采集信号，输出模拟信号同步于脉搏波动脉冲信号，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、健身器材设备中心率测试。方案二：光电传感器光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号器件。光电式传感器是以光电器件作为转换元件传感器。它可用于检测直接引起光量变化非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等，可以利用
15、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，传感器结构简单，形式灵活多样，价格比较便宜，操作方便，在检测与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：1. 实现一分钟脉搏跳动次数测量，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FBCB
16、30发射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构成低通滤波放大电路，滤除高频信号并放大输入电压，再通过由运算放大器LM358构成电压比较器对放大好信号进行整形，比较器将模拟信号整形成数字信号。整形好数字信号一路送入LED脉搏指示电路，根据脉搏跳动节奏闪烁。另一路送入AT89S52单片机口，单片机对脉冲信号计数与运算，最后，把计算结果输出到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，是典型嵌入式微控制器（Microcontroller Uni
17、t），常用英文字母缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型计算机（最小系统），及计算机相比，单片机缺少了外围设备等。单片机体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用与开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理及结构最佳选择。AT89S52系列是AT89系列中新推出高档型系列。在这个系列中，目前已推出4种产品。AT89S51是这个系列基本型，AT89S52是本系列增强型，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定
18、时/计数2。AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器2。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，及工业80C51 产品指令与引脚完全兼容。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单片机主要性能参数如下：(1) 8位字长CPU；(2) 振荡器与时钟电路，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、P
19、1、P2、P3）共32线；(6) 3个16位定时器/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。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 位漏极开路双向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。当访问外部程序与数据存储器时，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
20、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，被外部拉低引脚由于内部电阻原因，将输出电流（IIL）。此外，与 分别作定时器/计数器 2 外部计数输入与时器/计数器 2触发输入。P1口引脚第二功能：P1.0 定时器/计数器 T2 外部计数输入，时钟输出； 定时器/计数器 T2 捕捉/重载触发信号与方向控制； 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
21、上拉电阻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，被外部拉低引脚由于内部电阻原因，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8位双向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编程与校验时，P3口也接收一些控制信号。P3口引脚第二功能：P3.0 RXD(串行输入口)；P3.1 TXD(串行输出口)；P3.2 INTO(外中断0)； INT1(外中断1)；P3.
22、4 TO(定时/计数器0)；P3.5 T1(定时/计数器1)；P3.6 WR(外部数据存储器写选通)；P3.7 RD(外部数据存储器读选通)。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率1/6输出固定脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目。要注意是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中8E
23、H单元D0位置位,可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX与MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平（接地）。需注意是：如果加密位LB1被编程，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指
24、令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V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：振荡器反相放大器与内部时钟发生电路输入端。XTAL2：振荡器反相放大器输出端。寄存器：并不是所有地址都被定义了。片上没有定义地址是不能用。读这些地址，一般将得到一个随机数据；写入数据将会无效。用户不应该给这些未定义地址写入数据“1”。由于这些寄存器在将来可能被赋予新功能，复位后，这些位都为“0”。单片机最小系统由单片机时钟电路与复位电路构成，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。单片机最小系统中18引脚与19引脚接时钟电
25、路,X1接外部晶振与电容一端,X2接外部晶振与电容另一端。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振荡电路。任何工作都按时间顺序，然而用于产生这个时间电路就是时钟电路，一般由晶体振荡器、晶震控制芯片与电容组成。因此，时钟频率直接影响单片机速度，时钟电路质量也直接影响单片机系统稳定性。XTAL1，XTAL2分别是系统时钟信号输入输出端。在XTAL1，XTAL2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与电容组成并联谐
26、振电路，电容值通常选择20-60pF左右，该电容大小会影响振荡器频率高低、振荡器稳定性、起振快速性与温度稳定性。考虑原件引脚等效输入电容，两个22pF电容构成晶振振荡电路是比较好选择。晶振振荡器频率范围通常在1.212MHz之间，晶体频率越高，则系统时钟频率也就变高，单片机运行速度也就越快。但反过来运行速度快，对存储器速度要求就高。对印刷电路板工艺要求也高，即要求浅间寄生电容要小，晶体与电容应尽可能安装得及单片机芯片靠近，以减少寄生生活，更好保证振荡器稳定，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
27、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，其中电阻r为单片机内置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端为高电平，单片机自动复位，当电容C1两端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
28、，则复位时间为100ms。所以在按键按下这个过程中，电容开始释放之前充电量。随着时间推移，电容电压在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与，这个时候10K电阻两端电压为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.比尔定律，物质在一定波长处吸光度与他浓度成正比。当恒定波长光照射到人体组织上时，通过人体组织吸收、反射衰减后测量到光强，将在一定程度上反映了被照射部位组织结构特征。手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织与血液组织，其中非血液组织光吸收量是恒定
29、，而在血液中，静脉血搏动相对于动脉血是十分微弱，可以忽略。因此，可以认为光透过手指后变化仅由动脉血充盈而引起，在恒定波长光源照射下，通过检测透过手指光强可以转变为人体脉搏信号4。当血液送到人体组织时，组织半透明度减小，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手指尖、耳垂等部位最为明显。因此，根据以上原理，本设计将3mm红外发射管FBCB30产生红外线照射到人体手指指尖部位，经过手指组织反射与衰减，由装在该部位旁边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脉动变化，所以它对光反射与衰减也是周期性脉动, 于是，红外接收管输出
30、信号变化也就反映了动脉血脉动变化。只要将转换成电信号进行滤波，放大整形，计数与显示，即可实时测出脉搏次数。 2. 光电传感器结构光电传感器由3mm红外发射管FBCB30与3mm红外接收管TBBB30组成。采用3mm红外发射管作为发射端时，从红外发射管发出红外线除被手指组织吸收以外，一部分由血液漫反射返回，其余部分透射出来，红外接收管接收透过指尖透射出来光信号转换为电信号5。本系统采用红外发射管及红外接收管距离相等并且对称布置，这种方法可较好地反映出心律时间关系，实现了光电隔离,减少了对后级模拟电路干扰。光电传感器结构如图2-6所示。 图2-6 透射式光电传感器 本设计采用红外线发射管与红外发射
31、接收管采集脉搏信号，并将采集到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是脉搏信号采集电路,主要是用3mm红外发射管与3mm红外接收管装置检测脉搏信号,将检测到信号Ui加到放大整形电路输入端Uo1，因为Ui中可能存在高频谐波，高频谐波会对测量结果产生影响，所以，设计添加一级由R7与C5构成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，红外发射管工作电流一般小于20mA，根据电源电压VCC为5V，可以计算出R5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电流越大时,发射角度越小,产生发射强度就越大,基于红外接收管感应
32、红外光灵敏度考虑，若R5设计过大,通过红外发射管电流偏小,红外接收管无法区别有脉搏与无脉搏时信号。反之，若R5设计过小,通过红外发射管电流偏大，红外接收管也不能准确地区分有脉搏与无脉搏时信号6。经过多次实际测试，R5最终取值为360欧姆。R6取值只要满足流过红外接收管额定电流小于20mA，在满足条件范围内，R6取值电路影响不大，本次设计采用20K电阻R6。2. 滤波参数R7及C5设计经多次测试得出，人体运动时脉搏接近200次/分钟时，频率约为，所以，由R7与C5构成滤波器要初步滤除高于高频谐波。 （2-1）式（2-1）为截止频率公式，由式（2-1）来确定R7与C5取值。本次设计采用68K电阻R
33、7，1uF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、高增益、内部频率补偿双运算放大器，适合于电源电压范围很宽单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐工作条件下，电源电流及电源电压无关。它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 增益部件与其他所有可用单电源供电使用运算放大器场合7。 LM358封装形式有塑封8引线双列直插式与贴片式。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
34、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：；（7）电源电压范围宽：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功能就是允许某一部分频率信号顺利通过，而另外一部分频率信号则受到较大抑制，滤波器实质上是一个选频电路，所以也称选频装置。本次设计低通滤波放大电路，滤除Uo1中高频谐波，对微弱Uo1信号进行放大处理8，整体滤波
35、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与C5构成滤波器，初步滤除高频谐波信号后，从Uo1输入端加到运算放大器正相输入端3脚，因为，初步滤除信号中仍存在高频谐波信号与一些过低低频谐波信号，不足以达到脉搏测量低频要求，所以，需要在设计一个由R8与C6构成低通滤波电路，进一步滤除高频谐波信号与一些频率过低低频谐波信号。因为，人体在安静时脉搏跳动大约是50次/分钟，频率约为，人体在剧烈运动时脉搏跳动大约在200次/分钟，频率约为9，所以，本设计需要滤除高于与低于谐波信号。根据式（2-1）可以算出截止频率取值范围0.78Hz3.3Hz 。 （2-2）式（2-2
36、）为时间常数公式，经计算可得，s s ，所以，这里C6与R8根据时间常数取值，本次设计中采用330nF电容C6，200K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与C5构成滤波器阶低通滤波器，从Uo1输入端加到运算放大器U2A正相输入端3脚。因为输入到正相输入端电压较小，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中运算放大器U2A放大倍数在20倍左右，可以达到整形所需要求电压幅度。已知R8取值为200K，根据式（
37、2-4）可知Rw1取10K。可以通过改变Rw1值适当地改变放大倍数。此外，通过放大器放大后信号是不规则，有高频谐波信号干扰，所以，设计添加1uF耦合电容C7，C7具有通低频阻高频作用，经过C7耦合后输出信号Uo2送到下一级整形电路。经过低通放大后输出信号Uo2是脉动正弦波形如图2-10所示。图2-10 Uo2波形图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，本次设计整形电路主要利用电压比较器实现。电压比较器基本功能是对两个输入电压大小进行比较，判断两个输入电压中哪一个电压比较大。比较结果用输出电压高与低来表示。电压比较器可以采用专用集成
38、比较器，也可以采用运算放大器组成。由集成运算放大器组成比较器，其输出电平在最大输出电压正极限值与负极限值之间摆动，如果要及数字电路相连接时，必须增添附加电路，对比较器输出电压采取箝位措施，使输出高低电平，满足数字电路逻辑电平要求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构成分压电路得到电压加到U2B6脚反相输入端，U2B5脚同相输入端接前级滤波放大后信号Uo2。U2B同、反相输入端进行比较，得到U2B7脚输出端Uo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8脚接是电源（VCC），输出端7脚电压为VCC，用高电平表
39、示；当输入电压Uo2小于时，由于运算放大器4脚接是地（GND），输出端电压为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，增强信号抗干扰能力12，然后输到单片机P3.2口。Uo2整形前后波形如图2-12所示。图2-12 Uo2整形前后波形图为了能够直观地反应出脉搏跳动状态，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，串联一个发光二极管D2经电阻R11
40、接地组成。因为，电压比较器输出端输出信号是方波信号，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、符号等点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距间隔，每行之间也有间隔，起到了字
41、符间距与行间距作用，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字节显示数据存储器DDRAM；（5）内建有192个5X7点阵字型字符发生器CGROM；（6）8个可由用户自定义5X7字符发生器CGRAM；2. LCD1602引脚功能如表2
42、-2所示。表2-2 LCD1602标准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line513DB60/1输入/输出数据总线
43、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,LCD16027-14脚为8位双向数据端口，及单片机AT89S52P0.0-P0.7口相连，传送显示内容,LCD16024脚为寄存器选择端RS，及单片机AT89S52P2.5相连，判断LCD1602接收指令还是数据寄存器,LCD16025脚为读/写选择端 R/W，及单片机AT89S52 P2.
44、6连接，判断LCD1602是读数据还是写数据,LCD16026脚为使能信号端 E ，及单片机AT89S52P2.7口连接，控制LCD1602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AT89S52P2.0口控制蜂鸣器工作状态，当脉搏测量结束时，单片机AT89S52P2.0口输出低电平，三极管8550处于导通状态，蜂鸣器开始报警；当脉搏测量进行时，
45、单片机AT89S52P2.0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限流电阻R4，保证蜂鸣器安全工作。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变压器T1加压成交流电压6V，6V交流电压经过D1-D4整流以及C1滤波后输出直流电压，加到LM7805输入端Vin，稳压LM7805把输入直流电压稳定成输出电压，从LM7805输出端Vout输入到电容C2、C3滤波，输
46、出更稳定直流电压5V供电。电路中2200uF电容C1,220uF电容C2，电容C3是滤波电容。开关S1控制电路开断，发光二极管LED显示电源电路是否正常运行。第3章 系统软件设计本章节主要介绍了各个电路软件设计，包括整个系统主程序设计、外部中断子程序设计、定时中断服务子程序设计、LCD显示子程序设计。本文将对这几个子程序设计做介绍。3.1 主程序设计图3-1 主程序流程图图3-1为主程序流程图，首先对整个系统进行初始化,包括对中断初始化设置，LCD1602初始化设置及定时器T0初始化设置。滤波，放大，整形处理后数字信号从单片机外部中断口0输入单片机，单片机接收信号，定时器T0开始计时，当有中断请求信号时，单片机执行定时器中断服务子程序16，判断传递进来信号是否是脉搏信号，如果不是脉搏信号则继续信号采集，如果传递进来是脉搏信号，单片机执行外部中断，系统开始计算采集脉搏信号个数，每有十个脉搏信号进入时，单片机计算一次每分钟脉搏数，通过LCD1602将测量结果显示出来。图3-2 外部中断子程序流程图图3-2为外部中断子程