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1、加力/学 宁波理工学院 旱业筱计（徐攵）题 目基于单片机的脉搏测量仪设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教 师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研 究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日 期：指导教师签名：日 期：使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（
2、论文）的印刷本和电 子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供 目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制 手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分 或全部内容。作者签名：B 期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全
3、了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年 月 日导师签名:日期：年 月日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神优 口良 中 口及格 口不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度优 口良 中 口及格 口不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力优 口良 中 口及格 口不及格4
4、、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性优 口良 中 口及格 口不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况优 口良 中 口及格 口不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？优 口良 中 口及格 口不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？优 口良 中 口及格 口不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义优 口良 中 口及格 口不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？优 口良 中 口及格 口不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平优 口良 中 口及格 口不及格建议成绩：口优 口良 口中
5、口及格 口不及格（在所选等级前的口内画“）指导教师：（签名）单位：（盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？优 口良 中 口及格 口不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？优 口良 中 口及格 口不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 口良 中 口及格 口不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？优 口良 中 口及格 口不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 口良 中 口及格 口不及格建议成绩：口优 口良 中 口及格 口不及格（在所选等级前的口内画
6、“）评阅教师：（签名）单位：（盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况优 口良 中及格不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况优 口良 中及格不及格3、学生答辩过程中的精神状态口优 口良 口中及格不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？优 口良 中及格不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？口优 口良 口中及格不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义口优 口良 口中及格不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意
7、？优 口良 中及格不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平口优 口良 口中及格不及格教学系意见:评定成绩：口优 口良 中及格不及格（在所选等级前的口内画教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）年 月日系主任：（签名）年 月 日摘要脉搏测量仪在我们的日常生活中已经得到了非常广泛的应用。为了提高脉搏 测量仪的简便性和精确度，本课题设计了一种基于51单片机的脉搏测量仪。系统 以AT89c51单片机为核心，以红外发光二极管和光敏三极管为传感器，并利用单 片机系统内部定时器来计算时间，由光敏三极管感应产生脉冲，单片机通过对脉 冲累加得到脉搏跳动次数，时间由定时器定时而得。系统运行中能显示脉搏次数 和时
8、间，系统停止运行时，能够显示总的脉搏次数和时间。经测试，系统工作正 常，达到设计要求。关键词：脉搏测量仪；AT89c51单片机；光电传感器AbstractPu lse measu ring instru ment has been widely u sed in ou r daily life.In order to increase its simplicity and accu racy,this su bject designs one system based on single-chip microcompu ter and infrared light emitting diode
9、 and photo transistor as sensors,and calcu lates time with u sing of the inner timer.The sensor produ ces pu lse and the single-chip microcompu ter gets the frequ ency by accu mu lating the pu lses,and the timer obtains the time.The system cou ld display the frequ ency and time of the pu lse du ring
10、 operation.It can also shows the total nu mber when it stops.After testing,the system works well and meets the design requ irements.Keywords：Pu lse measu rement;AT89C51 single-chip microcompu ter;photoelectric sensor目 录摘要.1Abstract.Ill第1章概述.11.1 选题的背景和意义.11.2 脉搏测量仪的发展与应用.2第2章 脉搏测量仪系统结构.42.1 光电脉搏测量仪的
11、结构.42.2 工作原理.52.3 光电脉搏测量仪的特点.5第3章硬件系统.73.1 控制器.73.1.1 AT89C51 简介.73.1.2 AT89C51 的特点.73.1.3 AT89C51 的结构.73.2 脉搏信号采集.93.2.1 光电传感器的原理.103.2.2 光电传感器的结构.103.2.3 光电传感器检测原理.113.2.4 信号采集电路.113.3 信号放大.123.3.1 放大器的介绍.123.3.2 放大电路.133.4 波形整形电路.143.5 单片机处理电路.163.6 显示电路.173.6.1 LED 的综述.183.6.2 LED 的结构.183.6.3 LE
12、D数码管的显示方法.193.6.4 脉搏测量仪电路原理图.20第4章软件系统.214.1 主程序流程：.214.2 定时器中断程序流程：.214.3 INT中断程序流程：.224.4 显示程序流程：.234.5 软件说明.23第五章抗干扰措施及使用方法.245.1 抗干扰措施.245.1.1 环境光对脉搏传感器测量的影响.245.1.2 电磁干扰对脉搏传感器的影响.245.1.3 测量过程中运动噪声的影响.255.2 测量仪使用方法.25第6章系统调试.266.1 系统调试.266.2 系统检验.276.3 误差分析.28第七章总结与展望.29参考文献.31附 录.33致 谢.39第1章概述1
13、.1 选题的背景和意义脉搏携带有丰富的人体健康状况的信息，自公元三世纪我国最早的脉学专 著脉经问世以来，脉学理论得到不断的发展和提高。在中医四诊（望、闻、问、切）中，脉诊占有非常重要的位置。脉诊是我国传统医学中最具特色的一 项诊断方法，其历史悠久，内容丰富，是中医“整体观念”、“辨证论证”的基本精 神的体现与应用。脉诊作为“绿色无创”诊断的手段和方法，得到了中外人士的关 注。但由于中医是靠手指获取脉搏信息，虽然脉诊具有简便、无创、无痛的特 点易为患者接受，然而在长期的医疗实践中也暴露出一些缺陷。首先，切脉单 凭医生手指感觉辨别脉象的特征，受到感觉、经验和表述的限制，并且难免存 在许多主观臆断因
14、素，影响了对脉象判断的规范化；其次，这种用手指切脉的 技巧很难掌握；再则，感知的脉象无法记录和保存影响了对脉象机理的研究。脉诊的这种定性化和主观性，大大影响了其精度与可行性，成为中医脉诊应用、发展和交流中的制约因素。为了将传统的中医药学发扬光大，促进脉诊的应用 和发展，必须与现代科技相结合，实现更科学、客观的诊断。医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用 手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。为了节省时间，一般不 会作1分钟的测量，通常是测量10秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以6即得 到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高。为了提高脉 搏测量
15、的精确与速度，多种脉搏测量仪被运用到医学上来，从而开辟了一条全 新的医学诊断方法。早在I860年Vierordt创建了第一台杠杆式脉搏描记仪，国内20世纪50年代初 朱颜将脉搏仪引用到中医脉诊的客观化研究方面。此后随着机械及电子技术的发 展，国内外在研制中医脉象仪方面进展很快，尤其是70年代中期，国内天津、上 海、江西等地相继成立了跨学科的脉象研究协作组，多学科共同合作促使中医脉 象研究工作进入了一个新的境界。脉象探头式样很多，有单部、三部、单点、多 点、刚性接触式、软性接触式、气压式、硅杯式、液态汞、液态水、子母式等组 成，脉象探头的主要原件有应变片、压电晶体、单晶硅、光敏元件、PVDF压电
16、薄 膜等，其中以单部单点应变片式为最广泛，不过近年来正在向三部多点式方向设 计。目前脉搏测量仪在多个领域被广泛应用，除了应用于医学领域，如无创心血 管功能检测、妊高症检测、中医脉象、脉率检测等等，商业应用也不断拓展，如 运动、健身器材中的心率测试都用到了技术先进的脉搏测量仪。1.2 脉搏测量仪的发展与应用随着科学技术的发展，脉搏测量技术也越来越先进，对脉搏的测量精度也越 来越高，国内外先后研制了不同类型的脉搏测量仪，而其中关键是对脉搏传感器 的研究。起初用于体育测量的脉搏测试集中在对接触式传感器的研究，利用此类 传感器所研制的指脉、耳脉等测量仪各有其优缺点。指脉测量比较方便、简单，但因为手指上
17、的汗腺较多，指夹常年使用，污染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。但因耳脉较弱，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。过去在医院 临床监护和日常中老年保健中出现的日常监护仪器，如便携式电子血压计，可以 完成脉搏的测量，但是这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每次 测量都需要一个加压和减压的过程，存在体积庞大、加减压过程会有不适、脉搏 检测的精确度低等缺点。近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器，这类传感器的重要特征是 测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，能够自动消除仪表自身系统的误 差，测量精度高，通常
18、在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。其中光电式脉搏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O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。人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，是血流压力以波的 形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波成为脉搏波四。从脉搏波 中提取人体的心理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界 的重视。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，
19、在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特 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叫但人体的生物信 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，因此必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。第2章脉搏测量仪系统结构脉搏测量仪的设计，必须是通过采集人体脉搏变化引起的一些生物信号，然 后把生物信号转化为物理信号，使得这些变化的物理信号能够表达人体的脉搏变 化，最后要得出每分钟的脉搏次数，就需要通过相应的硬件电路及芯片来处理物 理变化并存储脉搏次数。在硬件设计中一般的物理信号就是电压变化，有了这个 系统的设计思路，本课题就此开始实施。2.1光
20、电脉搏测量仪的结构光电脉搏测量仪是利用光电传感器作为变换原件，把采集到的用于检测脉搏 跳动的红外光转换成电信号，用电子仪表进行测量和显示的装置。本系统的组成 包括光电传感器、信号处理、单片机电路、数码显示、电源等部分。1.光电传感器即将非电量（红外光）转换成电量的转换元件，它由红外发射二极管和接收三 极管组成，它可以将接收到的红外光按一定的函数关系（通常是线性关系）转换成 便于测量的物理量（如电压、电流或频率等）输出。2.信号处理即处理光电传感器采集到的低频信号的模拟电路（包括放大、滤波、整形等）。3.单片机电路即利用单片机自身的定时中断计数功能对输入的脉冲电平进行运算得出心率（包括AT89c
21、51、外部晶振、外部中断等）。4.数码显示即把单片机计算得出的结果用8位LED数码管静态扫描来显示，便于直接准 确无误的读出数据。5.电源即向光电传感器、信号处理、单片机提供的电源，可以是5V-9V的交流或直 流的稳压电源。2.2 工作原理本设计采用单片机AT89c51为控制核心，实现脉搏测量仪的基本测量功能。脉搏测量仪硬件框图如下图2.1所示：图2.1脉搏测量仪的工作原理当手指放在红外线发射二极管和接收三极管中间，随着心脏的跳动，血管中 血液的流量将发生变换。由于手指放在光的传递路径中，血管中血液饱和程度的 变化将引起光的强度发生变化，因此和心跳的节拍相对应，红外接收三极管的电 流也跟着改变
22、，这就导致红外接收三极管输出脉冲信号。该信号经放大、滤波、整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机的外部中断信号。单片机电路对输入的 脉冲信号进行计算处理后把结果送到数码管显示。2.3 光电脉搏测量仪的特点与传统的脉搏测量仪相比，光电式脉搏测量仪具有以下特点：1.测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，通常在体外。2.传感器可重复使用且速度快，精度高。3.测试的适用电压为5V-9V的直流电压。4.稳定性好、磨损小、寿命长、维修方便。5.由于结构简单，因此体积小、重量轻、性价比优越。6.测量的有效范围为50次-199次/分钟。第3章硬件系统3.1 控制器本系统基于51系列单片机来实现，因为系统没有
23、其它高标准的要求，我们最 终选择了 AT89c51通用的比较普通单片机来实现系统设计。3.1.1 AT89C51 简介AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的CMOS 8位单片机,片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128 bytes的随机存 取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单 元，功能强大AT89CS1单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应 用于各种控制领域。3.1.2 AT89C51 的特点 与MCS-51产品
24、指令系统完全兼容-4k字节可重擦写Flash闪速存储器-1000次擦写周期 全静态操作：OHz24MHz,三级加密程序存储器 128*8字节内部RAM 32个可编程I/O 口线 2个16位定时/计数器 6个中断源 可编程串行UART通道 低功耗空闲和掉电模式3.1.3 AT89C51 的结构此次设计所使用的AT89c51的封装形式是DIP40。如图3.1所示。PDIPP1.0C P1.1C P12匚 P1.3C P1.4C P1.5C P1.SC P1.7C RSTC(RXDJP3 0C(TXD)P3.1C TnTO)P3C flNT1)P3.3C(TO)P3.4C H)P3.5C(WP3.6
25、C(RD)P3.7 匚XTAL2C XTAM 匚GNDC403938373635343332313029第27圆24232221123456,89)1112nM1&f617t8t20 vcc POO(ADO)3 PO.1(ADI)3 P02(AD?)PO3 SD3)PO.4(AD4)3 P0.5(AD5)PO 6(AD6)3 P0.7(AD7)3 E WPP ALePROG PSEN P2JiAia)P26A14)3 P2.5(A13)P2.4(A12)Z1P23S11)P25(A10)3 P2.1 3 P20(AB)图3.1 AT89c51的封装形式引脚功能：,Vcc：电源电压GND：接地P
26、0 口：P0 口是一组8位漏极开路型双向I/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗转入端用。P1 口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P1的输出缓冲级可驱动（吸 收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口 拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因内部存在上拉电阻，某个引 脚被外部信号拉低时会输出一个电萌。-P2：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2的输出缓冲级可驱 动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻
27、把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P3U：可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备。作为第二功能使用，每一位功能定义如表3.1所示。表3.1P3 口的第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD串行输入口）P3.1TXD串行输出口）P3.2INTO（外中断0）P33INTI（外中断1）P3.4TO（定时/计数器0）P3.5T1（定时/计数器1）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（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 使单片机复位。-ALE/PROG：当
28、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 脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振器 频率的1/6输出固定的亚脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。PSEN：程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51 山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，这两次有效的PSEN信号不出现。-EA/VPP：EA=0,单片机只访问外部程序存储器。EA=1,单片机访问内部 程序存储器。.XTALI：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。.XTAL2
29、：振荡器反相放大器的输出端。3.2 脉搏信号采集目前脉搏波检测系统有以下儿种检测方法：光电容积脉搏波法、液体耦合腔 脉搏传感器、压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。近年来，光电检测技术 在临床医学应用中发展很快，这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰，具有很高 的绝缘性，且可非侵入地检测病人各种症状信息，具有结构简单、无损伤、精度高、可重复好等优点。用光电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生物医学仪器工作 的专家和学者的重视。3.2.1 光电传感器的原理根据朗伯比尔(LamberBeer)定律，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
30、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。脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的，在人体指尖组织中的动脉成分含量 高，而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄，透过手指后检测到的光强相对 较大，因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。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，那么在恒定波长的光源照射下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体 的脉搏信号。322光电传感器的结构传感器由红外发光二级管和红外接
31、收三极管组成。采用GaAs红外发光二极 管作为光源时，可基本抑制由呼吸运动造成的脉搏波曲线的漂移。红外接收三极 管在红外光的照射下能产生电能，它的特性是将光信号转换为电信号。在本设计 中，红外接收三极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。从光源发出的光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。光电式脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射式和反射式2种网。其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置，接收的是透射 光，这种方法可较好地反映出心律的时间关系。因此本系统采用了指套式的透射 型光电传感器，实现了光电隔离，减少了对后级模拟电路的干扰。结构如图3
32、.2所 不。发光二极管透射式光电传感器光敏三极管图3.2透射式光电传感器3.2.3 光电传感器检测原理检测原理是：随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变：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。因此本设计将红外发光 二极管产生的红外线照射到人体的手指部位，经过手指组织的反射和衰减由装在 该部位旁边的光敏三管来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，于是红外接收三极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。故只要
33、把此电信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示网，即可实时的测出脉搏的次数。324信号采集电路图3.3是脉搏信号的采集电路，U3是红外发射和接收装置，由于红外发射 二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大，所以对R21阻 值的选取要求较高。R21选择270Q同时也是基于红外接收三极管感应红外光灵 敏度考虑的。R21过大，通过红外发射二极管的电流偏小，红外接收三极管无法 区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R21过小，通过的电流偏大，红外接收三 极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当手指离开传感器或检测到较 强的干扰光线时，输入端的直流电压会出现很大变化，为了使它不致泄露到U2B
34、 输入端而造成错误指示，用C8、C9串联组成的双极性耦合电容把它隔断口叫当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期。虽然手指遮挡了红 外发射二极管发射的红外光，但是由于红外接收三极管中存在暗电流，会造成输 出电压略低。二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接 收三极管中的暗电流减小，输出电压上升。但该传感器输出信号的频率很低，如 当脉搏只有为50次/分钟时,只有0.78Hz,200次/分钟时也只有3.33Hz,因此 信号首先经R22、C10滤波以滤除高频干扰，再由耦合电容C8、C9加到线性放 大输入端。vccTR2l 1 R22J270 J56KC8 C9T(CIO 2
35、.2u 2.2u220U3Optoisolatorl图3.3信号采集电路3.3 信号放大3.3.1 放大器的介绍LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装.它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图3.4所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、为两个信号输入端，“V+”、V，为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号 输入端中，Vi-(-)为反相输入端，表示运放输出端V。的信号与该输入端的相 位相反；Vi+(+)为同相输入端，表示运放输出端V。的信号与该输入端的相位 相同。LM324的引脚排列见图3.5。(同木断入端)“
36、图3.4图3.5由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用,价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。3.3.2 放大电路按人体脉搏在运动后跳动次数达200次/分钟的计算来设计低通放大器，如 图3.6所示。R23、C6组成低通滤波器以进一步滤除残留的干扰，截止频率由 R23、C6决定，运放U2B将信号放大，放大倍数由R23和R27的比值决定。图3.6低通放大电路根据一阶有源滤波电路的传递函数，可得:A(s)=1+吗放大倍数为：4=1+=1+-214R21 4.7K截止频率为：于0=!一。3.39成2 兀 R23c6按人体的脉搏跳动为200次/分钟时的频率是3.3 H
37、z考虑，低频特性是令人满意 的。经过低通放大后输出的信号是叠加有噪声的脉动正弦波。波形如图3.7所示。图3.73.4 波形整形电路波形整形电路如图3.8所示，U2c是一个电压比较器，Clk R29构成一个 微分器，U2A和C7、R32组成单稳态多谐振荡器，其脉宽由C7、R32决定。该比较器的阀值电压可用R31调节在正弦波的幅值范围内，但是对R31的 调节要求并不严格，因为U2c的输出信号（波形如图3.9）经CU、R29的微分 后总是将正、负相间的尖脉冲（波形如图3.10）加到单稳态多谐振荡器U2A的 反向输入端，不会造成很大的触发误差。当有输入信号时，U2A在比较器输入信号的每个后沿到来时输出
38、高电平，使C7通过R32充电。大约持续20ms之后，因C7充电电流减小而使U2A同相 输入端的电位降低到低于反相输入端的电位（尖脉冲已过去很久），于是U2A改 变状态并再次输出低电平。这长的脉冲是与脉搏同步的，并由红色发光二极管 DS3的闪亮指示出来。即发光二极管作脉搏测量状态显示，脉搏每跳动一次发光 二极管就亮次。同时，该脉冲电平通过R24送到单片机/INTO脚，进行对心率 的计算和显示。输出波形如图3.11所示。经过比较器U2C的输出波形:图3.9经过微分器的输出波形:图 3.10单片机接收到的信号:图 3.113.5单片机处理电路如图3.12所示，本部分运用了 ATMEL公司的89C51
39、单片机作为核心元件,在这里运用单片机能更快更准确地对数据进行运算，而且可以根据实际情况进行 编程，所用外围元件少，轻巧省电，故障率低。来自传感和整形输出电路的脉冲电平输入单片机89C51的/INTO脚，单片机 设为负跳变中断触发模式，故每次脉冲下降沿到达时触发单片机产生中断并进行 计时，来一个脉冲脉搏次数就加一；定时器中断主要完成一分钟的定时功能。单 片机对一分钟内的脉冲次数进行累加，通过PO、P2 口把测量过程和结果送到数 码管显示出来四。图3.12单片机处理电路3.6显示电路本设计的显示采用LED数码管动态扫描来显示。两个4位的共阳极LED数码管 组成8位显示，其中0、1两位显示测量中的时
40、间，3、4两位显示测量中的脉搏次 数，6、7两位用来显示上次测量的数据。单片机的P0口控制显示字型，P2口控 制显示字位。显示电路如图3.13。3.6.1 LED的综述在单片机的应用系统中，为了便于人们观察和监视单片机的运行情况，常常 需要用显示器显示运行的中间结果、状态等信息，因此显示器也是不可缺少的外 部设备之一。显示器的种类很多，从液晶显示、发光二极管显示到CRT显示器,都可以与微机配接。在单片机应用系统中常用的显示器主要有发光二极管数码显 示器，简称LED显示器。LED显示器具有耗电省、成本低廉、配置简单灵活、安装方便、耐振动、寿命长等优点。但显示内容有限，不能显示图形，因而其应 用有
41、局限性3.6.2 LED的结构LED数码管显示器是由发光的二极管显示字段组成的。在单片机应用系统 中使用最多的就是七段LED数码管，有共阴极和共阳极两种。七段LED数码管 显示器有8个发光二极管，其中从ag管脚输入显示代码，可显示不同的数字或 字符，Dp显示小数点。共阴极LED数码管显示器的公共端为发光二极管阴极，通常接地，当发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮。共阳极的LED 数码管显示器的公共端为发光二极管的阳极，通常接+5V电源，当发光二极管的 阴极为低电平时，发光二极管点亮。本设计中米用的是4位七段共阳极数码管显示器，一共具有12个引脚，4 个位选端，8个字选端。图3.14中所示
42、，1、2、3、4是位选端；ag、Dp是字 选端。内部结构如图3.15所示。日E 口日口日0Dp c g 4图3.14 4位数码管引脚分布图图3.15 4位共阳极数码管结构图363 LED数码管的显示方法静态显示方式是指当显示器显示某一字符时，发光二极管的位选始终被选 中。在这种显示方式下，每一个LED数码管显示器都需要一个8位的输出口进 行控制。由于单片机本身提供的I/O 口有限，实际使用中，通常通过扩展I/O 口 的形式解决输出口数量不足的问题。静态显示主要的优点是显示稳定，在发光二 极管导通电流一定的情况下显示器的亮度大，系统运行过程中，在需要更新显示 内容时，CPU才去执行显示更新子程序
43、，这样既节约了 CPU的时间，又提高了 CPU的工作效率。其不足之处是占用硬件资源较多，每个LED数码管需要独占 8条输出线。随着显示器位数的增加，需要的I/O 口线也将增加。动态显示方式是指一位一位地轮流点亮每位显示器（称为扫描），即每个数 码管的位选被轮流选中，多个数码管公用一组段选，段选数据仅对位选选中的数 码管有效。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与 导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。通过调整电流和时间参数,可以既保证亮度，又保证显示。若显示器的位数不大于8位，则显示器的公共端 只需一个8位I/O 口进行动态扫描（称为扫描口），控制每位显示器所显
44、示的字 形也需一个8位口（称为段码输出）。通过比较，我们可以发现LED动态显示更加适合本设计，所以就采用此方 法。3.6.4脉搏测量仪电路原理图图3.16电路原理图第4章软件系统4.1 主程序流程：系统主程序控制单片机系统按预定的操作方式运行，它是单片机系统程序 的框架。系统上电后,对系统进行初始化。初始化程序主要完成对单片机内专用 寄存器、定时器工作方式及各端口的工作状态的设定。系统初始化之后，进行定 时器中断、外部中断、显示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序皿。流 程如图4.1所示。图4.1主程序流程图4.2 定时器中断程序流程：定时器中断服务程序由一分钟计时、按键检测、有无测试信号判
45、断等部分组 成。当定时器中断开始执行后，对一分钟开始计时，1S计时到之后继续检测卜 1S,直到60s到了再停止并保存测得的脉搏次数。同时可以对按键进行检测，只 要复位测试值就可以重新开始测试。主要完成一分钟的定时功能和保存测得的脉 搏次数。流程如图4.2所示。定时器中 断。进入图4.2定时器中断程序流程图4.3 INT中断程序流程：外部中断服务程序完成对外部信号的测量和计算。外部中断采用边沿触发的 方式，当处于测量状态的时候，来一个脉冲脉搏次数就加一，由单片机内部定时 器控制一分钟，累加得出一分钟内的脉搏次数。流程如图4.3所示。外部中断0 进入图4.3 INT中断程序流程图4.4 显示程序流
46、程：显示程序包括显示上次的脉搏次数、本次测量中的时间和脉搏的次数。从中 断程序中取得结果后，先显示上次的脉搏次数，经过10ms的延时后再显示测试 中的脉搏次数，再经过10ms的延时显示测试中的时间。流程如图4.4所示。显示子程 序取结果取结果显示上次脉搏数延时 显示测试中的脉 搏数 延时显示测试中的时 间延时返回图4.4显示程序流程图4.5 软件说明本程序采用c语言，程序的可读性非常好。程序中对前一次测量的脉搏数据进行了自动保存，并且用数码显示。程序在执行过程若发现有干扰则忽略该干扰而不显示，进一步减少读入数据 的误差。第五章抗干扰措施及使用方法5抗干扰措施为了提高测量仪的精确度，系统首先要解
47、决的是硬件方面的干扰问题。光电 式脉搏测量仪的测量过程中，前端测量到的脉搏信号十分微弱，容易受到外界环 境干扰，其中主要的干扰源有测量环境光干扰、电磁干扰、测量运动噪声。5.1.1 环境光对脉搏传感器测量的影响在光电式脉搏传感器中，光敏器件接收到的光信号不仅包含脉搏信息的透射 光的信号，而且包含测量环境下的背景光信号，由于动脉波动引起的光强变化比 背景光的变化微弱得多，因此在测量过程当中要保持测量背景光的恒定，减少背 景光的干扰口支测量环境下的背景光包含环境光和在测量过程中引起的二次反射光。为了减 少环境光对脉搏信号测量的影响，同时考虑到传感器使用的方便性，采用密封的 指套式包装方式，整个外壳
48、采用不透光的介质和颜色，尽量减小外界环境光的影 响，为了避免测量过程中的二次反射光的影响，在指套式传感器的内层表面涂上 一层吸光材料，这样能有效减少二次反射光的干扰。加上指套式外壳后的脉搏传感器测量到的脉搏波形比较平滑。这是因为加指 套式的脉搏传感器中环境光在测量过程中基本不受外界环境光的影响，而且能够 有效减少二次反射光，使照射到手指上的光波长单一，所以得到的脉搏信号较为 稳定，没有明显的重叠杂波信号，能够很好的体现出脉搏波形的特征。5.1.2 电磁干扰对脉搏传感器的影响通过光电转换得到的包含脉搏信息的电信号一般比较微弱，容易受到外界电 磁信号的干扰，在传统的光电式脉搏传感器电路中，由于光敏
49、器件和放大电路是 分离的，那么在信号的传递过程就很容易受到外界电磁干扰，通常在一级放大电 路采用电磁屏蔽的方式来消除电磁干扰口3本系统采用了新型的光敏器件，在 芯片内部集成光敏器和一级放大电路，有效地抑制了外界电磁信号对原始脉搏信 号的干扰。工频干扰是电路中最常见的干扰，脉搏信号变化缓慢，特别容易受到工频信 号的干扰，因此对工频信号干扰的抑制是保证脉搏信号测量精度的主要措施之 一。通常脉搏信号的频率范围在0.330Hz之间，小于工频50Hz,因此通过低 通滤波器可以有效滤除工频干扰，这在信号调理电路中容易实现；同时可以在控 制电路中对光源进行脉冲调制，这样不但能够降低系统的功耗，而且能够在一定
50、 程度上减小外界的电磁干扰，在脉搏信号数据采集后，可以通过数据处理法方法 进一步滤除工频信号的干扰口叫5.1.3 测量过程中运动噪声的影响测量过程当中，通常情况下手指和光电式脉搏传感器可能产生相对的运动,这样对脉搏测量产生误差，可以通过2个方面减少运动噪声误差：一是改善指套 式传感器的机械抗运动性，比如说使指套能够更紧的套在手指上，不易松动；二 是从脉搏信号处理的角度，通过算法来减小误差。对于传感器的设计，现在采用 的主要是第一个途径。5.2测量仪使用方法测量仪通电后，数码管全部显示0。把手轻轻置于右下角的传感器中，以稍 微有压迫感为宜，这时很快就可以看到红色发光二极管会伴随你的脉搏而闪烁，让