基于單片機(jī)的脈搏心率測(cè)量?jī)x的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc

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1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題 目： 基于單片機(jī)的脈搏測(cè)量?jī)x的研究與設(shè)計(jì) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要在傳統(tǒng)的醫(yī)療檢測(cè)中，脈象檢測(cè)一直都起著非常重要的作用，人體的脈象包含著大量的人體的生理和病理方面的信息。脈診一直是醫(yī)生診斷疾病的重要手段之一，但受人為因素的影響很大。經(jīng)醫(yī)學(xué)觀察研究表明，人體手指末端含有豐富的毛細(xì)血管和小動(dòng)脈，這些動(dòng)脈和人體其他地方的動(dòng)脈一樣，含有豐富的生理信息。由于光電脈搏檢測(cè)技術(shù)具有很高的絕緣性，且抗電磁等干擾能力強(qiáng)，可以對(duì)人體進(jìn)行無(wú)損傷檢測(cè)。本文設(shè)計(jì)通過(guò)光電法對(duì)人體指尖的脈搏進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量信息送入單片機(jī)進(jìn)行處理，最后通過(guò)數(shù)碼管將測(cè)量結(jié)果顯示出來(lái)。將對(duì)脈搏信號(hào)的檢測(cè)模塊，

2、脈搏信息的處理模塊，單片機(jī)，數(shù)碼管顯示模塊等電路集成在一塊電路板上，形成一個(gè)簡(jiǎn)易的脈搏測(cè)量?jī)x。這種測(cè)量?jī)x具有精確度高，體積小，價(jià)格便宜，易于操作等特點(diǎn)，特別適合于個(gè)人使用和家庭使用，給我們的生活帶來(lái)極大方便，讓我們第一時(shí)間對(duì)自己的身體狀況有進(jìn)一步的了解。關(guān)鍵詞：脈搏；光電傳感器；單片機(jī)；數(shù)碼管IVAbstract In the traditional medical testing，the pulse condition detection has been playing a very important roleThe pulse condition of the human body c

3、ontains a large number of physiology information and pathology information，the pulse examination has been being one of the important means for the doctor to diagnosis the illnessBut the man-made factors influence it very much，the medical observation research shows The end of the finger contains rich

4、 capillaries and small arteriesThese arteries and the other arteries of the body hold rich physiologic informationThe Photoelectric pulse detecting technology can test the body without damage owing to its high insulation and strong ability to resist the electromagnetic interferenceThis design in the

5、 text can survey the pulse of the finger tip through photoelectric method and transport the information to the microcontroller to do with itAt last，the result is showed by the digital tube When the electric circuit such as the detection module of the pulse signal，the processing module of the pulse i

6、nformation，SCM，digital tube are integrated in the board of electric circuit，it formed an simple pulse measuring instrument，this instrument has high accuracy，small, cheap，and easy to operateIt is especially suitable for personal use and family useIt brings great convenience to our life，so we can have

7、 a further understanding of our body conditionKey words: Pulse；Photoelectric transducer；SCM；Digital tube目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 研究的目的和意義11.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀21.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容3第2章 課題方案論證42.1 采用壓電式脈搏傳感器42.2 采用光電式脈搏傳感器52.3 方案確定6第3章 硬件電路設(shè)計(jì)73.1 元器件介紹73.1.1 AT89C2051單片機(jī)73.1.2 LM324簡(jiǎn)介103.1.3 7809和7805簡(jiǎn)介113.2 整體電路分析133.

8、2.1 脈搏信號(hào)采集電路133.2.2 脈搏信號(hào)處理電路143.2.3 單片機(jī)控制顯示電路17第4章 軟件設(shè)計(jì)194.1 系統(tǒng)總體軟件流程194.2 整體程序設(shè)計(jì)19第5章 軟件仿真與系統(tǒng)實(shí)物225.1 Keil編譯軟件225.2 Protues軟件仿真265.2.1 Protues軟件簡(jiǎn)介265.2.2 電路仿真275.3 PCB板生成295.3.1 Protel DXP 2004軟件簡(jiǎn)介295.3.2 PCB板生成過(guò)程315.4 脈搏測(cè)量?jī)x實(shí)物設(shè)計(jì)31結(jié)論34參考文獻(xiàn)35附錄1 37附錄2 38致謝41第1章 緒 論1.1 研究的目的和意義隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，我們從工業(yè)化時(shí)代進(jìn)入信息化時(shí)代

9、，這種轉(zhuǎn)變是社會(huì)發(fā)展的必然，在我們的現(xiàn)實(shí)生活中，隨著人們生活水平的不斷提高，健康飲食，健康生活越來(lái)越受到人們的重視。在我們的日常生活中，為事業(yè)為生活我們四處奔波，緊張的工作，勞累一段時(shí)間之后，我們都會(huì)擔(dān)心我們的身體會(huì)因?yàn)閯诶圻^(guò)度等原因造成一定的損傷，這時(shí)候，我們會(huì)選擇去醫(yī)院做一個(gè)身體檢查，到醫(yī)院以后，醫(yī)生或者護(hù)士都會(huì)通過(guò)把脈、做心電圖、胸透等方法對(duì)我們的身體進(jìn)行全面的檢查，通過(guò)分析脈象和心電圖來(lái)對(duì)我們的身體狀況作出判斷。于是在節(jié)假日的時(shí)候，都會(huì)有很多人去醫(yī)院檢查身體，由于人很多，需要排很長(zhǎng)的隊(duì)，有時(shí)候都不一定能排上，加上昂貴的檢查費(fèi)用，以至于不是每個(gè)人都能到醫(yī)院進(jìn)行身體檢查。身體是革命的本錢(qián)，

10、也是我們生存的根本，我們每個(gè)人都想對(duì)自己的身體健康狀況有更加細(xì)微的了解，如何才能更加精確的檢查我們的身體狀況？怎么樣才能更加簡(jiǎn)單的對(duì)我們的身體進(jìn)行檢查？什么樣的檢查能讓我們花更少的錢(qián)？這都是我們應(yīng)該考慮的問(wèn)題，能不能設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單的儀器，不僅操作簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，還能精確檢測(cè)我們的身體狀況呢？人體心室周期性的收縮和舒張將導(dǎo)致人體主動(dòng)脈的收縮和舒張，使血流壓力以波的形式從主動(dòng)脈根部開(kāi)始沿著整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)傳播，這種波稱(chēng)為脈搏波。脈搏波呈現(xiàn)出的強(qiáng)度、狀態(tài)、節(jié)律和速率等方面的綜合信息，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性。人體的脈搏能準(zhǔn)確的反映人體的健康狀況，通過(guò)對(duì)脈搏的測(cè)量，我們就能對(duì)自

11、己的身體有一個(gè)大致的了解，在中國(guó)很早就有通過(guò)把脈檢查人體健康狀況的研究，而中醫(yī)的脈相診斷技術(shù)就是脈搏測(cè)量在中醫(yī)上卓有成效的應(yīng)用，但是通過(guò)把脈對(duì)身體的檢查受人為因素影響比較大，而且精確度也不是很高?，F(xiàn)在社會(huì)各界都提出一種叫做無(wú)創(chuàng)測(cè)量（noninvasive measurements）又稱(chēng)為非入侵式測(cè)量或間接測(cè)量，其最重要的特征就是測(cè)量的探測(cè)部分不侵入人體內(nèi)，不會(huì)對(duì)人的身體造成損傷，通過(guò)對(duì)體表器官的檢測(cè)間接測(cè)量人體的生理和升華參數(shù)，醫(yī)學(xué)傳感器是獲取生物信息并將其轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量和處理信號(hào)的一個(gè)關(guān)鍵器件。光電式脈搏傳感器是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器，充分利用了光的穿透性和不同物質(zhì)對(duì)光的吸收頻率的不

12、同的特點(diǎn)設(shè)計(jì)而成，通常對(duì)手指末端透光度的監(jiān)測(cè)，間接檢測(cè)出脈搏信號(hào)，光電式脈搏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)損傷、復(fù)精確度高、價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)單、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。1.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀目前，基于人們對(duì)健康的追求，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的人都在致力于人體檢測(cè)器件的相關(guān)研究和開(kāi)發(fā)，在解決人體無(wú)創(chuàng)傷檢測(cè)方面也取得了卓有成效的成就，在很多中外學(xué)者的研究論文中，都有對(duì)脈搏測(cè)量?jī)x的相關(guān)研究和而且也取得了一定的突破。在他們的研究論文中也有對(duì)脈搏測(cè)量?jī)x功能設(shè)計(jì)方面的很多重要突破的記載，而現(xiàn)在很多研發(fā)公司在脈搏測(cè)量?jī)x產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)方面，也在不斷地創(chuàng)新，市面上多種多樣的測(cè)量?jī)x相繼出現(xiàn)在世人面前。2011年，萬(wàn)寶龍于日內(nèi)瓦高級(jí)

13、鐘表沙龍SIHH上推出全新Collection Villeret 1858系列Vintage Pulsographe款腕表，即復(fù)刻版測(cè)量脈搏計(jì)時(shí)表之意，以標(biāo)志現(xiàn)代計(jì)時(shí)技術(shù)面世190周年紀(jì)念。在國(guó)外，針對(duì)脈搏信號(hào)檢測(cè)分析系統(tǒng)的研究比較早，發(fā)展比較快，也比較深入。早在80年代研制的液態(tài)傳感器就是利用將單位長(zhǎng)度管段動(dòng)脈內(nèi)血液體積隨時(shí)間變化量轉(zhuǎn)換成導(dǎo)電液柱體電阻的該變量來(lái)測(cè)量脈搏波形。自1969年Kawai發(fā)現(xiàn)PVDF薄膜（聚偏氟乙烯）具有明顯的壓電特性后，PVDF薄膜經(jīng)過(guò)幾十年的應(yīng)用和基礎(chǔ)研究，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械開(kāi)發(fā)和研究中。早在1969年10月，世界上最先運(yùn)用光敏器件開(kāi)發(fā)光電傳感器的公司日

14、本神視株式社會(huì)正式成立，此后國(guó)外很多大公司越來(lái)越重視利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)脈搏信息的無(wú)創(chuàng)傷檢測(cè)的研究。下面是收集一些資料：南朝鮮的PARKYE也曾研制脈象儀；日本田口賢惠曾研制“壓力、脈搏測(cè)定裝置”，代田文彥設(shè)計(jì)了“局部加壓型檢脈裝置”，Sony公司產(chǎn)生出脈搏記錄儀，藤田六郎研制出不接觸部位就能測(cè)出最大脈搏的光電管容積脈診儀，岡田藤用陶瓷性壓力感測(cè)器，開(kāi)發(fā)出適合于浮、中、沉各壓力等級(jí)的原件，并用此傳感器描述了脈象對(duì)應(yīng)的脈搏圖形；美國(guó)LAUB博士曾研制用于針灸臨床新型無(wú)創(chuàng)脈搏記錄儀；英國(guó)人Marcy最早設(shè)計(jì)了以彈簧為動(dòng)力的杠桿式脈搏傳感器，并記錄了橈動(dòng)脈脈搏波1。在國(guó)內(nèi)，對(duì)脈搏信號(hào)監(jiān)測(cè)分析的研制和分

15、析處理方法研究上落后于以美國(guó)和德國(guó)為代表的西方國(guó)家，但隨著最近幾十年生物醫(yī)學(xué)的興起與發(fā)展，我們已經(jīng)逐步縮小與西方國(guó)家的差距，取得了很大的進(jìn)步。下面是收集的一些資料：1998年國(guó)科技大學(xué)的朱國(guó)富等人研制了袖珍式脈搏測(cè)量?jī)x，采用了光電傳感器采集脈搏數(shù)據(jù)2。1999年清華大學(xué)的金觀昌教授等人將PVDF薄膜用于多點(diǎn)脈搏波測(cè)試系統(tǒng)研制當(dāng)中3；西北工業(yè)大學(xué)劉希的基于USB的多道生物醫(yī)學(xué)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4；武漢大學(xué)袁志勇等人嵌入式脈搏檢測(cè)分析系統(tǒng)的研制5；東南大學(xué)楊序等人的脈搏數(shù)據(jù)采集器的研制6；北京中醫(yī)藥大學(xué)牛欣、楊杰等研制了壓力與B超整合的中醫(yī)診脈裝置，認(rèn)為可以實(shí)時(shí)直觀觀察寸口橈動(dòng)脈運(yùn)動(dòng)情況7；蘭州理工

16、大學(xué)張愛(ài)華等人基于動(dòng)態(tài)圖像的多點(diǎn)脈搏信號(hào)檢測(cè)方法8；目前上海中醫(yī)藥大學(xué)湯偉昌研制了壓力式三探頭傳感器，以模擬中醫(yī)寸關(guān)尺取脈，并探討三探頭傳感器與單探頭傳感器以及三探頭傳感器之間信息提取的差別9；目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上得到認(rèn)可、應(yīng)用較普遍的主要是上海中醫(yī)藥大學(xué)費(fèi)兆馥教授為主要研究者，與復(fù)旦大學(xué)等單位聯(lián)合研制生產(chǎn)的ZM-1型單探頭中醫(yī)脈象儀，ZM-IIIc型智能脈象儀；上海醫(yī)藥大學(xué)與上海交通大學(xué)研制的TP-I型脈象數(shù)字化分析儀也已進(jìn)入臨床檢測(cè)應(yīng)用。最近，日本學(xué)者又提出了以脈搏波傳導(dǎo)速度與血壓的相關(guān)性來(lái)間接測(cè)量血壓，用檢測(cè)分析脈搏波的方法估計(jì)液壓的課題，足見(jiàn)脈搏檢測(cè)的應(yīng)用有著良好的發(fā)展前景。1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)

17、容此次設(shè)計(jì)主要采用光電式脈搏傳感器，以AT89C2051單片機(jī)和LM324芯片為主要核心對(duì)人體的脈搏進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)LED數(shù)碼管來(lái)顯示人體一分鐘的脈搏震動(dòng)次數(shù)，本文主要完成以下幾項(xiàng)工作：（1）根據(jù)基本原理設(shè)計(jì)出總體的框圖。（2）了解每一個(gè)功能模塊，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)子電路。（3）連接每個(gè)功能模塊并且生成總體電路圖。（4）根據(jù)硬件電路圖和所要實(shí)現(xiàn)的功能編寫(xiě)軟件程序。（5）完成硬件調(diào)試和軟件仿真。（6）分析調(diào)試中遇到的問(wèn)題并找到解決的方案。脈搏測(cè)量?jī)x測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示：光電式脈搏傳感器脈搏信號(hào)調(diào)理模塊單片機(jī)處理模塊數(shù)碼管顯示模塊圖1-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第2章 課題方案論證選擇什么樣的脈搏傳感器

18、是這次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，目前很多公司和廠商都在致力于脈搏傳感器的研究，而且都有很成熟的技術(shù)，在功能上也有很多拓展，比如在檢測(cè)脈搏的同時(shí)還能檢測(cè)人體的體溫、血液含氧量、血紅蛋白含量等參數(shù)，而且傳感器內(nèi)集成了像信號(hào)放大器、濾波器、波形整形等電路，使得傳感器的精確度更高了，輸出的直接就是脈搏信號(hào)或者脈搏波信號(hào)，只需將傳感器界面接在示波器上，就能直接顯示出脈搏波形圖，使用極為方便，這樣的脈搏傳感器已被很多醫(yī)療器材所使用，甚至在很多健身器材上也有這樣的脈搏傳感器。市面上根據(jù)不同原理有多種多樣的脈搏傳感器相繼出現(xiàn)，其中出現(xiàn)做多的是壓電式脈搏傳感器和光電式脈搏傳感器，光電式脈搏傳感器根據(jù)利用的光的原理的不同有可以

19、分為透射式光電脈搏傳感器和反射式脈搏傳感器，這幾種傳感器是根據(jù)兩種不同的物理學(xué)原理設(shè)計(jì)制作而成，在性能上各具優(yōu)點(diǎn)，而且在技術(shù)上也很成熟，目前在很多人體檢測(cè)儀器中都有對(duì)這兩種傳感器的使用。在本次設(shè)計(jì)中，兩種傳感器都能達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的效果，即對(duì)脈搏的測(cè)量與顯示，但選擇不同的脈搏傳感器，會(huì)影響到后置電路的設(shè)計(jì)，在軟件設(shè)計(jì)方面也有所差別，現(xiàn)就針對(duì)兩種傳感器在本次設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的影響進(jìn)行方案論證。方案一是采用壓電式脈搏傳感器，方案二是采用光電式脈搏傳感器。2.1 采用壓電式脈搏傳感器1969年Kawai發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)高倍率拉伸和高電場(chǎng)下極化真空蒸發(fā)金屬電極后的PVDF（聚偏氟乙烯）薄膜具有明顯的壓電特性。經(jīng)過(guò)幾

20、十年的應(yīng)用和基礎(chǔ)研究，目前PVDF的性能已明顯提高，壓電電壓輸出常數(shù)g=174，是所有壓電體重最高的10。PVDF壓電薄膜是敏感的部件，作用是將微弱的低頻的脈搏壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，因壓電薄膜內(nèi)阻很高，而脈搏信號(hào)比較微弱，傳感器內(nèi)設(shè)置了前置電荷放大器，起作用是與PVDF壓電薄膜阻抗匹配，把輸入高阻抗變?yōu)榈妥杩馆敵觥６菍⑽⑷蹼姾赊D(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并放大。由于基線漂移、人體活動(dòng)、工頻干擾等因素的影響，脈搏信號(hào)具有很大的噪聲，傳感器還進(jìn)行了去噪設(shè)計(jì)，使用了一個(gè)低通濾波電路吧高頻噪聲和工頻干擾濾除，是脈搏信號(hào)有效成分全部通過(guò)11。壓電式脈搏傳感器是采用壓電陶瓷通過(guò)脈搏的跳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏信號(hào)的采集的，隨著

21、人體心臟的跳動(dòng)，人體手腕的脈搏和頸部的脈搏搏動(dòng)比較明顯，將壓電式脈搏傳感器通過(guò)橡膠帶將其緊貼在手腕或是頸部，當(dāng)脈搏跳動(dòng)時(shí)，壓電陶瓷片便會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào)，壓電傳感器將測(cè)得的信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行整形、放大、濾波，最后送入顯示器件進(jìn)行計(jì)數(shù)和顯示，就能對(duì)脈搏進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)。目前市面上的這種傳感器還加入了體溫測(cè)量功能，能在檢測(cè)人體脈搏的同時(shí)檢測(cè)人體的體溫。目前被人們使用最多的是壓電式的HK-2000系列的傳感器，其外觀如圖2-1所示，這種傳感器是典型壓電式傳感器的代表，該種采用高度集成化工藝將力敏元件(PVDF壓電膜)、靈敏度溫度補(bǔ)償元件、感溫元件、信號(hào)調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)。壓電式原理采集信

22、號(hào)，模擬信號(hào)輸出，輸出同步于脈搏波動(dòng)的脈沖信號(hào)，脈搏波動(dòng)一次輸出一正脈沖。該產(chǎn)品可用于脈率檢測(cè)，如運(yùn)動(dòng)、健身器材設(shè)備中的心率測(cè)試1213。圖2-1 HK-2000脈搏傳感器2.2 采用光電式脈搏傳感器根據(jù)朗伯-比爾（Lamber-Beer）定律，物質(zhì)在一定波長(zhǎng)處的吸光度和它的濃度成正比。當(dāng)恒定波長(zhǎng)的光照射到人體組織上時(shí)，通過(guò)人體組織吸收、反射衰減后測(cè)量到的光強(qiáng)將在一定程度上反映了被照射部位組織結(jié)構(gòu)特征14。人體脈搏主要是由人體動(dòng)脈舒張和收縮產(chǎn)生的，人體組織半透明度會(huì)隨著心臟的跳動(dòng)而隨之改變。當(dāng)血液因心臟收縮而送到人體組織時(shí)，人體組織的半透明度會(huì)減??；當(dāng)血液因心臟舒張而流回心臟時(shí)，人體組織半的透

23、明度會(huì)隨之增加。經(jīng)醫(yī)學(xué)臨床研究發(fā)現(xiàn)，在人體手指指尖組織中，分布著大量的毛細(xì)血管，動(dòng)脈成分含量高，而且指尖相對(duì)于人體其他組織而言的厚度相對(duì)比較薄，透過(guò)手指后檢測(cè)到的光強(qiáng)相對(duì)變化比較大，加上手指比較靈活，檢測(cè)起來(lái)比較方便，因此通常選擇人體指尖作為光電式脈搏傳感器的測(cè)量部位來(lái)測(cè)量人體的脈搏數(shù)。在醫(yī)學(xué)上把手指組織分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織兩部分，研究表明，非血液組織對(duì)的光吸收頻率是恒定不變的，在血液中，靜脈血的搏動(dòng)情況相對(duì)于動(dòng)脈血而言是十分微弱的，測(cè)量時(shí)可以忽略不計(jì)，因此動(dòng)脈血的充盈被認(rèn)為是引起光透過(guò)手指后強(qiáng)度變化的主要原因，那么在恒定波長(zhǎng)光源的照射下，通過(guò)檢測(cè)透過(guò)手指的光強(qiáng)變化可以間

24、接測(cè)量到人體的脈搏信號(hào)。光電式脈搏傳感器充分利用了光的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，由一個(gè)光源和一個(gè)光敏器件組成，操作簡(jiǎn)單，只需將手指放入光源和光敏器件中間，光會(huì)穿透人的手指被光敏器件檢測(cè)到，血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比在血液中的穿透性高出幾十倍，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，光電式脈搏傳感器采用的是透射式光電效應(yīng)對(duì)手指進(jìn)行脈搏信號(hào)的拾取，這里使用的光敏器件是加了反向偏壓的光敏二極管，這種光敏二極管的反向電流具有隨光照強(qiáng)度增加而增加的光電效應(yīng)特性，在一定的光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，光敏二極管的反向電流與光照強(qiáng)度呈線性關(guān)系，人體的皮膚、肌肉、骨骼對(duì)光的吸收頻率是恒定不變的，而人體血管中的血液濃度會(huì)隨著心臟的

25、跳動(dòng)而呈周期性的變化，光源和光敏二極管分別放置在手指尖端的兩側(cè)，光源發(fā)出的光照射到指端，當(dāng)指端血管的血液容積和透光度隨心搏的改變而改變時(shí)，另一端的光敏二極管接收到的光照強(qiáng)度也會(huì)隨之發(fā)生改變，使得光敏二極管產(chǎn)生的光電流也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，由于心臟跳動(dòng)是呈周期性的，因此血管中的血液濃度也會(huì)呈周期性的變化，由此光敏二極管接收到得光照強(qiáng)度也呈周期性變化，光敏二極管將會(huì)產(chǎn)生脈沖電信號(hào)，這種脈沖電信號(hào)信號(hào)通過(guò)信號(hào)的放大、檢波、濾波最后通過(guò)傳輸設(shè)備傳入單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)處理和A/D轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)傳輸設(shè)備傳入數(shù)碼管和播報(bào)器顯示出測(cè)量結(jié)果。2.3 方案確定壓電式脈搏傳感器功能比較全面，技術(shù)也比較成熟，應(yīng)用比較廣泛，目

26、前已經(jīng)被應(yīng)用于很多領(lǐng)域，但就其操作復(fù)雜，一個(gè)人很難實(shí)現(xiàn)對(duì)自己的脈搏進(jìn)行測(cè)量，而且輸出波形只有專(zhuān)業(yè)醫(yī)師通過(guò)分析之后才能對(duì)人體健康狀況作出判斷，所以很少用在家用電器中，只有在體育器材或是醫(yī)院的大型專(zhuān)業(yè)醫(yī)療器械才能用到。而且這種傳感器的體溫檢測(cè)功能在本次設(shè)計(jì)中沒(méi)有得到體現(xiàn)，且它的價(jià)格比較昂貴。光電式脈搏傳感器是當(dāng)今世界比較先進(jìn)的脈搏傳感器，由于剛被人們使用，技術(shù)不是很成熟，是一項(xiàng)新興的光電技術(shù)，還有很多方面需要完善，目前被應(yīng)用的并不是很多，但其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，只需一個(gè)光源和一個(gè)光敏器件就能實(shí)現(xiàn)，操作簡(jiǎn)單，只需將手指放于光源和光敏器件之間就能實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏的測(cè)量，可以用于個(gè)人使用和家庭使用，這種傳感器可以自

27、己完成制作且容易實(shí)現(xiàn)，不需要花太多的錢(qián)去買(mǎi)，精確度高?？紤]到以上諸多因素，本課題采用光電式脈搏傳感器。光電式脈搏傳感器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，制作工藝容易實(shí)現(xiàn)，所以本文自行設(shè)計(jì)的光電傳感器我來(lái)進(jìn)行脈搏的測(cè)量。45 第3章 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 元器件介紹3.1.1 AT89C2051單片機(jī)AT89C2051是一個(gè)CMOS 8位單片機(jī)，具有高性能、低電壓的特點(diǎn)，其片內(nèi)含2Kbt的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀Flash程序存儲(chǔ)器（ROM）和128 bt的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）。美國(guó)ATMEL公司采用了高密度、非易失真性存儲(chǔ)技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)而成，它兼容標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51單片機(jī)指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元

28、。AT89C2051單片機(jī)技術(shù)比較先進(jìn)，功能也比較全面，其采用了20引腳封裝技術(shù)，15個(gè)雙向I/O口線，其中P1口是一個(gè)完整的8位雙向I/O口，此外還有兩個(gè)外中斷口、一個(gè)模擬比較放大器、兩個(gè)全雙向串行通信口、兩個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器。AT89C2051與其它單片機(jī)相比有一個(gè)特殊點(diǎn)就是它的時(shí)鐘頻率可以為零，可以通過(guò)軟件設(shè)置睡眠系統(tǒng)，能有效的節(jié)省電能，當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口和外中斷口等系統(tǒng)喚醒方式將其喚醒，系統(tǒng)被喚醒后就會(huì)進(jìn)入繼續(xù)工作狀態(tài)，接著睡眠前得工作狀態(tài)繼續(xù)工作。在省電模式中，單片機(jī)所有將會(huì)功能停止工作，直至系統(tǒng)被硬件復(fù)位喚醒后方可繼續(xù)運(yùn)行。（1）A

29、T89C2051引腳簡(jiǎn)介，引腳圖如圖3-1所示。圖3-1 AT89C2051引腳圖 VCC：電源端口。 GND：接地端口。 P1口：P1口是一個(gè)完整的8位雙向I/O口。引腳P1.0和P1.1在接外圍元件時(shí)必須設(shè)置外部上拉電阻，引腳P1.2P1.7上拉電阻由單片機(jī)內(nèi)部提供。P1.0和P1.1還可以分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入端(ANI0)和反相輸入端(AIN1)。P1口輸出緩沖器可吸收20mA電流并能直接驅(qū)動(dòng)LED進(jìn)行數(shù)碼顯示。當(dāng)P1口引腳寫(xiě)入“1”時(shí)，就可用作輸入端，當(dāng)引腳P1.2P1.7用作輸入并被外部設(shè)備拉低時(shí)，它們將因內(nèi)部的上拉電阻作用而輸出電流。 P3口：P3口的引腳P3.0P

30、3.5和P3.7是七個(gè)雙向I/O口，它們都帶有內(nèi)部上拉電阻。P3.6作為一通用I/O引腳，不但可以訪問(wèn)還可以用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號(hào)。P3口緩沖器可吸收20mA的電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時(shí)，P3口被外部拉低時(shí)將被上拉電阻作用而輸出電流。P3口還用于實(shí)現(xiàn)AT89C2051的其他功能，其第二功能如表3-1所列：表3-1 P3口第二功能表引 腳功 能 P3.0RXD串行輸入端口 P3.1TXD串行輸入端口 P3.2INT0外中斷0 P3.3INT1外中斷1 P3.4T0定時(shí)器0外部輸入 P3.5 T1定時(shí)器1外部輸入（注：P3口還接收一些用于

31、閃速記憶體編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。） RST：復(fù)位輸入引腳。當(dāng)RST變成高電平時(shí)，單片機(jī)所有的I/O口引腳就被復(fù)位到“1”。振蕩器正在運(yùn)行時(shí)，持續(xù)給RST引腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平便可完成復(fù)位。每一個(gè)機(jī)器周期需12個(gè)時(shí)鐘周期。 XTAL1：用作反相器、振蕩器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端口。 XTAL2：反相放大器和振蕩器的輸出端口。（2）AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu)RAM地址寄存器PEROMRAM程序地址寄存器VCCGND堆棧指示器ACCB寄存器緩沖器TM2TM1PC增量器程序計(jì)數(shù)器ALU中斷、串行端口與定時(shí)器單元PSWRST指令寄存器同步與控制DPTR端口2儲(chǔ)存端口1儲(chǔ)存振蕩器端口3驅(qū)動(dòng)端口1驅(qū)動(dòng)

32、圖3-2 AT89C205內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖AT89C2051是帶有2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）微處理器。它采用ATMEL的高密非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造，并能和標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。通過(guò)在單塊芯片上組合通用的CPLI和閃速記憶體，ATMEL的AT89C2051是強(qiáng)勁的微型處理器，它對(duì)許多嵌入式控制應(yīng)用提供一定高度靈活和成本低的解決辦法。 AT89C2051具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：2K字節(jié)閃速記憶體，128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，15個(gè)雙向I/O口，兩個(gè)16位定時(shí)器，一個(gè)兩級(jí)五矢量中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行接口，一個(gè)精密模擬比較器以及兩種可選的軟件節(jié)電工作方式。空閑方可以停止CPU

33、工作但允許定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、程序存儲(chǔ)器RAM、中斷系統(tǒng)和串行工作口繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM內(nèi)容但振蕩器停止工作并禁止所有其他部件的工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位15，16。3.1.2 LM324簡(jiǎn)介L(zhǎng)M324系列器件是帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。其價(jià)格便宜，與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)。該四運(yùn)算放大器工作電壓跨度較大，可以在低到3.0伏或者高到32伏的電源電壓下正常工作，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大器可用圖3-3所示的符號(hào)來(lái)表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信

34、號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源輸入端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-為反相信號(hào)輸入端，表示該輸入端與運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)的位相反；Vi+為同相信號(hào)輸入端，表示該輸入端與運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)的相位相同。LM324采用14腳雙列直插塑膠封裝，引腳排列如圖3-4所示：圖3-3 運(yùn)算放大器圖3-4 LM324引腳圖 由于LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，可單電源使用，靜態(tài)功耗小，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種放大電路中。 參數(shù)描述：運(yùn)放類(lèi)型-低功率；放大器數(shù)目-4；帶寬-1.2MHz；針腳數(shù)-14；工作溫度范圍-0-70；封裝類(lèi)型-SOIC；3dB帶寬增益乘積-1.2

35、MHz；變化斜率-0.5V/s；增益帶寬-1.2MHz；電源電壓范圍-V-32V；運(yùn)放特點(diǎn)-高增益頻率補(bǔ)償運(yùn)算。LM324的特點(diǎn)：（1）短路保護(hù)輸出；（2）真差動(dòng)輸入級(jí)；（3）可單電源工作：3V-32V； （4）低偏置電流：最大100nA；（5）每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器；（6）具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ埽?（7）共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源； （8）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列； （9）輸入端具有靜電保護(hù)功能。3.1.3 7809和7805簡(jiǎn)介（1）7089簡(jiǎn)介7809系列為3端正穩(wěn)壓電路元器件,采用TO-220封裝技術(shù)，可以為不同的元器件提供不同的固定輸出電壓，從而在電路設(shè)計(jì)方面得到了廣泛的應(yīng)用。芯片內(nèi)部?jī)?nèi)含有過(guò)熱、超

36、載和過(guò)流保護(hù)電路。當(dāng)帶有散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá)1A左右。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但外接元件的不同，可獲得不同的輸出電流和電壓。7809外形引腳圖如圖3-5所示，三個(gè)引腳從左到右依次是輸入引腳（INPUT）、接地引腳（GND）、輸出引腳（OUTPUT）。圖3-5 7809外形引腳圖7809主要特點(diǎn)：輸出電流為1A；輸出電壓為9V；具有過(guò)熱保護(hù)、短路保護(hù)、輸出晶體管SOA保護(hù)等功能。7089各參數(shù)極限值： VI輸入電壓(VO=518V) 35V RJC熱阻（結(jié)到殼）5/W RJA熱阻（結(jié)到空氣）65/W TOPR工作結(jié)溫范圍 0125 TSTG貯存溫度范圍 -65150（2）7805簡(jiǎn)介7805是一個(gè)

37、輸出正5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采用集成穩(wěn)壓器7805，C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，RL為負(fù)載電阻。當(dāng)輸出電流較大時(shí)，7805應(yīng)配上散熱板。7805外形引腳圖如圖3-6所示，其引腳從左到右依次為輸入引腳（INPUT）、接地引腳（GND）、輸出引腳（OUTPUT）22，23。圖3-6 7805外形引腳圖7805電參數(shù)如表3-2所示：表3-2 7085電參數(shù)表 參數(shù)符號(hào)測(cè)試條件最小值典型值最大值單位輸出電壓VoTj=254.85.05.2V5.0mA1o1.0APo15W ，Vi=7.5v-20v4.755.005.25V線性調(diào)整率VoTj=25，Vi=7.5V-25V4.010

38、0mVTj=25，Vi=8V-12V1.650mV負(fù)載調(diào)整率VoTj=25lo=5.0mA -1.5A9100mVTj=25lo=250mA-750mA450mV靜態(tài)電流IQTj=255.08mA靜態(tài)電流變化率IQlo=5mA-1.0A0.030.5mAVi=8V-25V0.30.8mA輸出電壓溫漂Vo/Tlo=5mA0.8mV/輸出噪音電壓VNf=10Hz-100KHz，Ta=2542V紋波抑制比RRf=120Hz，Vi=8V-18V6273dB輸入輸出電壓差Volo=1.0A，Tj=252V輸出阻抗Rof=1KHz15m短路電流1SCVi=35V，Ta=25230mA峰值電流1PKTj=2

39、52.2A3.2 整體電路分析本次設(shè)計(jì)為單片機(jī)控制數(shù)碼管顯示型便捷式脈搏測(cè)量?jī)x，硬件整體電路如圖3-7所示。整個(gè)電路圖可以分為脈搏信號(hào)采集電路、脈搏信號(hào)處理電路和單片機(jī)控制顯示電路三部分組成。圖3-7 硬件整體電路圖3.2.1 脈搏信號(hào)采集電路脈搏采集由自制光電式脈搏傳感器電路實(shí)現(xiàn)，主要由紅外線發(fā)射二極管D1和紅外光電管Q1兩部分組成，其電路如圖3-8所示。圖3-8 脈搏采集電路圖 脈搏信號(hào)采集的基本原理：在人體心臟的不斷地跳動(dòng)過(guò)程中，人體各個(gè)組織的半透明度會(huì)隨著心臟的跳動(dòng)而發(fā)生改變，當(dāng)血液被送到人體的組織時(shí)，人體組織的半透明度會(huì)減??；當(dāng)血液流回到心臟時(shí)，人體組織的半透明度會(huì)隨之增大。這種現(xiàn)象

40、在人體較薄的組織或器官中表現(xiàn)得最為明顯，比如在人體的指尖和耳垂等部位。我們都知道，光具有很多重要的性質(zhì)，其不同的性質(zhì)在不同的場(chǎng)合得到了不同的運(yùn)用，這里運(yùn)用了光的穿透性和不同物質(zhì)濃度對(duì)光的吸收頻率的不同的特點(diǎn)，利用這兩個(gè)特點(diǎn)，將紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光照射到人體的手指或耳垂等比較薄的部位，然后將裝在該部位另一側(cè)或旁邊的紅外光電管來(lái)檢測(cè)被測(cè)機(jī)體組織的透明程度并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光穿透了手指和被手指中的血液吸收了一部分，由于手指中的血液濃度隨心臟的跳動(dòng)而改變，引起了手指的透明度的改變，因此紅外光電管接收到得光會(huì)隨血液濃度也就是手指的透明度的改變而改變，而手指中血液濃度是隨心臟的跳動(dòng)而改變的，也就是

41、光電管接收到得光信號(hào)是隨心臟跳動(dòng)的改變而改變得，接收到的光信號(hào)被轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)也隨光信號(hào)的改變而改變，因此此信號(hào)的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比，所以只要把它轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)人體脈搏次數(shù)的目的。這里之所以使用紅外發(fā)光二極管，是因?yàn)橥ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得到,當(dāng)采用紅外發(fā)光二極管用作照射光源時(shí)，基本上可以抑制由于人在呼吸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中造成的脈搏波曲線的漂移。由于脈搏信號(hào)的檢測(cè)是以光電檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的，因此很容易受到周?chē)s散光、暗電流等各種干擾的影響。為了克服這一問(wèn)題本系統(tǒng)采用脈沖振幅光調(diào)制技術(shù)。脈沖調(diào)制傳送的是調(diào)制信號(hào)的采樣值，只要采樣頻率是奈奎斯特采樣頻率，就可以用采樣脈

42、沖來(lái)恢復(fù)原來(lái)的脈搏信號(hào)，而不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真。3.2.2 脈搏信號(hào)處理電路為了從脈搏信號(hào)中得到有關(guān)人體的生理、病理信息，需要對(duì)采集的脈搏信號(hào)進(jìn)行處理。首先在采集脈搏信號(hào)的過(guò)程中，由于儀器、人體活動(dòng)等因素而是采集的信號(hào)常伴有各種干擾，包括人體呼吸和手指抖動(dòng)引起的基線漂移、肌肉緊張引起的干擾以及工頻干擾等。因此對(duì)采集到的脈搏信號(hào)進(jìn)行處理是一項(xiàng)極其重要的工作。脈搏信號(hào)處理電路如圖3-9所示。該部分電路主要由信號(hào)抗干擾電路模塊、信號(hào)整形電路模塊兩個(gè)主要的電路模塊組成。圖3-9 脈搏信號(hào)處理電路其中R15與C1和LM324_a共同構(gòu)成了信號(hào)抗干擾電路組，它們分別承擔(dān)了對(duì)信號(hào)的殘余高頻干擾的濾除、干擾光線的

43、光電隔離、低通濾波等任務(wù)。另外，LM324_b、C2與R16、LM324_c則共同組成了信號(hào)整形電路模塊。脈搏信號(hào)處理電路工作原理如下：首先，由于正常人體脈搏一般在50次/分200次/分之間（當(dāng)人進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)脈搏一般在50次/分左右；當(dāng)人體進(jìn)行激烈的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，脈搏會(huì)達(dá)到200次/分左右），其所對(duì)應(yīng)的脈搏波的頻率范圍通常在0.78Hz3.33Hz之間，因此經(jīng)紅外檢測(cè)采集并轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)頻率往往非常低。為了防止信號(hào)因外界高頻信號(hào)干擾而導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤差，因此，必須先將信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理，以便能使絕大部分的高頻干擾被濾除。然后，考慮到在脈搏測(cè)量?jī)x的使用過(guò)程中存在發(fā)光物體，如日光、白熾燈光和

44、其他放光物體的作用，因此它必然會(huì)受到強(qiáng)光輻射的干擾。為了避免在接收正常脈搏紅外線時(shí)受到強(qiáng)光輻射的干擾，電路中設(shè)計(jì)使用了雙極性耦合電容C4構(gòu)成一個(gè)非常簡(jiǎn)單的光電隔離電路，從而使干擾光線得到了較為有效的隔離。另外，為了防止前面對(duì)于高頻干擾的濾除過(guò)程不夠徹底影響到后面的電路的實(shí)現(xiàn)，電路中還設(shè)計(jì)連接了由LM324_a、R15、C1組成的截止頻率為10Hz左右的低通濾波器電路，以便進(jìn)一步濾除干擾，同時(shí)將前面的檢測(cè)到得脈搏信號(hào)放大200倍左右。經(jīng)前面處理后得到的信號(hào)為疊加有噪聲的脈沖正弦波信號(hào)，接下來(lái)的工作就是要對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行整形處理，以便于后面的顯示。首先是通過(guò)比較器LM324_b將此正弦波轉(zhuǎn)換成方波。

45、通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R21的阻值就可以實(shí)現(xiàn)將比較器的閾值調(diào)定在正弦波的幅值范圍之內(nèi)。接下來(lái)，從LM324_b的7引腳輸出的方波信號(hào)經(jīng)C5、R17構(gòu)成的微分電路進(jìn)行微分處理后就能得到正負(fù)相間的尖脈沖信號(hào)。為了加強(qiáng)輸出脈沖的穩(wěn)定性，在電路的電路設(shè)計(jì)過(guò)程中是將此脈沖輸入到單穩(wěn)多諧振蕩器LM324_c的反相輸入端，并利用LM324_c的輸出脈沖來(lái)作為后極單片機(jī)工作的實(shí)際使用脈沖。LM324_c在工作時(shí)，一旦有信號(hào)輸入，它會(huì)在輸入信號(hào)后沿到來(lái)時(shí)輸出一個(gè)高電平，從而使C2通過(guò)R16進(jìn)行充電。時(shí)間大約持續(xù)20ms，LM324_c同相輸入端的電位會(huì)因C4充電電流減小而降低，當(dāng)此電位低于反相輸入端的電位時(shí)(尖脈沖

46、已過(guò)去很久)LM324_c就將改變狀態(tài)并再次輸出低電平。這20ms的脈沖時(shí)間是與脈搏脈沖同步的，這種脈沖在電路工作時(shí)是與紅色發(fā)光二極管D2的閃爍情況相對(duì)應(yīng)的。經(jīng)過(guò)LM324_c之后的脈沖就是后面單片機(jī)控制電路所需的實(shí)際脈沖，通過(guò)R27送到單片機(jī)P3.3引腳后，就可實(shí)現(xiàn)后面的計(jì)數(shù)和顯示了。LM324_a、LM324_b、LM324_c工作所需的4.5V電源電壓，在電路中是通過(guò)R12、R13對(duì)9V分壓并經(jīng)LM324_d緩沖而得到的。這樣的設(shè)置，就使得即使電源電壓降低到6V，本電路也能實(shí)現(xiàn)正常工作。3.2.3 單片機(jī)控制顯示電路此部分電路主要由AT89C2051單片機(jī)、7段4位數(shù)碼管顯示器、12MH

47、z的晶振電路以及復(fù)位電路等幾個(gè)部分組成。電路主要完成的工作是對(duì)于前面采集處理得到的脈搏信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和顯示。單片機(jī)控制顯示電路如圖3-10所示：圖3-10 單片機(jī)控制顯示電路P3.3引腳經(jīng)過(guò)前面脈搏信號(hào)采集電路和脈搏信號(hào)處理電路得到的脈搏信號(hào)輸入到單片機(jī)中。單片機(jī)被設(shè)置為負(fù)跳變中斷觸發(fā)模式。因此，每次脈沖下降沿到達(dá)單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)就會(huì)被觸發(fā)并產(chǎn)生中斷進(jìn)行計(jì)時(shí)；而當(dāng)下一次脈沖的下降沿到達(dá)時(shí)，單片機(jī)就對(duì)兩次脈沖間的時(shí)間間隔進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果就是心率。這個(gè)結(jié)果值，將通過(guò)P1口傳送到7段4位數(shù)碼管顯示芯片的數(shù)據(jù)端口，最后被顯示出來(lái)。數(shù)碼管顯示的數(shù)字就是人體一分鐘的脈搏次數(shù)。這部分功能主要是通過(guò)軟件調(diào)試

48、來(lái)實(shí)現(xiàn)的。第4章 軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)總體軟件流程本次設(shè)計(jì)的主體部分主要由硬件實(shí)現(xiàn)，軟件部分的主要作用在于開(kāi)機(jī)初始化單片機(jī)，一分鐘方波個(gè)數(shù)的客觀計(jì)算，數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃面顯示等。程序流程圖如圖4-1所示。主程序開(kāi)始系統(tǒng)初始化開(kāi)中斷10s接收不到脈搏信號(hào)，復(fù)位脈率計(jì)算LED數(shù)碼顯示圖4-1 主程序流程圖4.2 整體程序設(shè)計(jì)整個(gè)程序是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的，主要由主程序、定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序、外部中斷程序，延時(shí)子程序四個(gè)模塊組成。主程序主要實(shí)現(xiàn)程序的初始化，定時(shí)中斷程序主要由計(jì)時(shí)、動(dòng)態(tài)顯示掃描、無(wú)測(cè)試信號(hào)判斷等部分組成，外部中斷服務(wù)程序主要由測(cè)量、計(jì)算、讀數(shù)等部分組成。程序中用變量m對(duì)脈搏信號(hào)個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，用n變

49、量對(duì)時(shí)間計(jì)數(shù)。從P3.2口輸入的與脈搏信號(hào)所對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)來(lái)作為外部中斷0的中斷請(qǐng)求信號(hào)，外部中斷采用邊沿觸發(fā)的方式。由于脈沖信號(hào)的頻率很低，所以不適合用計(jì)數(shù)的方法進(jìn)行測(cè)量，所以采用測(cè)量脈沖周期的方法進(jìn)行測(cè)量，就是用脈沖來(lái)控制計(jì)時(shí)的信號(hào)，通過(guò)計(jì)時(shí)數(shù)計(jì)算脈沖的周期，再由脈沖的周期計(jì)算出脈沖的頻率，從P3.2口每輸入一次脈沖信號(hào)就能顯示一次一分鐘的脈搏數(shù)。定時(shí)器T0的中斷時(shí)間為5ms，每中斷一次計(jì)時(shí)變量n就加1，因此計(jì)時(shí)的單位是5ms，例如一個(gè)脈搏脈沖周期對(duì)應(yīng)的n值為240，則對(duì)應(yīng)的時(shí)間為1.2s，由此可以得到每分鐘的脈搏數(shù)為50，如果變量n值達(dá)到2000，即10秒鐘仍然沒(méi)有發(fā)生外部中斷，則表示沒(méi)

50、有脈沖信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，于是就把變量n的值清0，數(shù)碼管顯示為0.讀數(shù)采用三位顯示。定時(shí)器T0每中斷一次就顯示一位，因此3次中斷就能刷新一次數(shù)據(jù)，即15ms刷新一次數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)硬件平臺(tái)的核心是AT89C2051芯片，其芯片內(nèi)微控制器是一個(gè)優(yōu)化的單指令周期8051 閃存MCU，它的指令系統(tǒng)保持與8051指令系統(tǒng)兼容。單片機(jī)內(nèi)程序主要功能為：（1）系統(tǒng)初始化；（2）改變電平狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)紅外光二極管；（3）管理ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；（4）數(shù)字濾波處理；（5）與中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。本文選用ATMEL公司的單片機(jī)AT89C2051，其內(nèi)部集成了速度可達(dá)400k的12位逐次逼近型ADC，模擬輸入

51、范圍是02.5v，則分辨率為0.6mv/LSB。從軟件需求和單片機(jī)速度出發(fā)，將ADC采樣率fs設(shè)定為102.4kHz，為便于計(jì)算，將過(guò)采樣倍數(shù)k設(shè)定為64，則下抽取后采樣率為f為：fs/k=1600Hz，是頻率為400Hz載波的四倍，滿足奈奎斯特采樣定理。由于過(guò)采樣倍數(shù)k為64，按每提高4倍采樣率就能提高一位分辨率來(lái)計(jì)算，獲得的ADC有效分辨率能提高3位，最后能達(dá)到約15位精度，其分辨率可達(dá)到0.0763mv/LSB。過(guò)采樣和數(shù)字濾波的實(shí)現(xiàn)都是在AD中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)的。集成于單片機(jī)上的ADC由定時(shí)器產(chǎn)生用于A/D轉(zhuǎn)換的重復(fù)觸發(fā)信號(hào)，因此需要通過(guò)設(shè)置T2寄存器重新裝載的值來(lái)獲得102.4kHz

52、的采樣率，參考信號(hào)取自片上自帶的2.5V基準(zhǔn)電壓，設(shè)置ADCCON1#0B2H，ADCCON2#00H。定時(shí)器2是一個(gè)具有16位自動(dòng)重裝載功能的定時(shí)器，作定時(shí)器用時(shí)，TH2和TL2計(jì)的是機(jī)器周期數(shù)，TH2和TL2內(nèi)容的自動(dòng)重裝載通過(guò)寄存器RCAP2H和RCAP2L來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)這四個(gè)寄存器都進(jìn)行初始化，自動(dòng)裝載值為#0FFCAH。在數(shù)據(jù)采集中, 為了保證采集數(shù)據(jù)的不失真和適當(dāng)?shù)木_度, 必須選擇合適的采樣頻率。人體脈搏正常跳動(dòng)約為60次/分左右,即跳動(dòng)頻率在1Hz 左右，本系統(tǒng)為了更好的消除50Hz工頻干擾，系統(tǒng)以50Hz的數(shù)據(jù)輸出率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下抽取，抽樣比為2048。中斷程序中的數(shù)字處理包括如下

53、步驟：(1) 將脈沖載波的高電平時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)累加2048/（2*64）16次；(2) 將脈沖載波低電平時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)累加2048/（2*64）16次；(3) 用步驟(1)中的數(shù)據(jù)減去步驟(2)中的數(shù)據(jù)，便得到了解調(diào)后以50Hz的數(shù)據(jù)輸出率輸出的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)上述對(duì)信號(hào)的解調(diào)，有效去除背景光、雜散光的干擾。程序同時(shí)實(shí)現(xiàn)了過(guò)采樣算法中的濾波和下抽取。脈率計(jì)算程序包括如下步驟：將得到的數(shù)據(jù)以雙字節(jié)存入單片機(jī)AT89C2051的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM中。從0000H 開(kāi)始，在60個(gè)樣本數(shù)據(jù)中尋找最大值，并確定其位置即波峰位置，之后尋找緊挨著它的第二個(gè)波峰，采用軟件計(jì)數(shù)器計(jì)算兩者間的距離即其點(diǎn)數(shù)，然后按照脈率

54、計(jì)算公式：脈率采樣頻率/相鄰兩波峰60 5060/相鄰兩波峰，計(jì)算出脈率，并將其存儲(chǔ)。當(dāng)脈搏檢測(cè)系統(tǒng)與中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通過(guò)設(shè)置定時(shí)器T3的控制寄存器T3CON為#86H，T3FD為08H，得到9600的串口串列傳輸速率。ADuC841發(fā)送握手信號(hào)與系統(tǒng)機(jī)建立通信，當(dāng)握手成功后，系統(tǒng)開(kāi)中斷并將轉(zhuǎn)換處理后的數(shù)據(jù)送交系統(tǒng)應(yīng)用程序進(jìn)行處理24。 第5章 軟件仿真與系統(tǒng)實(shí)物確定方案以后，為了讓實(shí)物盡量達(dá)到預(yù)期的效果，在焊實(shí)物之前，采用了軟件模擬仿真的辦法對(duì)電路進(jìn)行了調(diào)試仿真，這里用到了Protues軟件將硬件總體電路進(jìn)行了繪制，繪制完成的電路如圖5-1所示，繪制完成后，首先利用K

55、eil軟件對(duì)編寫(xiě)的程序進(jìn)行調(diào)試編譯，在確定程序正確無(wú)誤的條件下，生成單片機(jī)能識(shí)別的hex文件，將生成的hex文件燒入單片機(jī)即可對(duì)整個(gè)電路圖進(jìn)行仿真。仿真達(dá)到預(yù)期的效果以后，就能根據(jù)仿真電路圖焊接實(shí)物。圖5-1 Protues整體電路圖 5.1 Keil編譯軟件Keil軟件是眾多單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的優(yōu)秀軟件之一，它集編輯、編譯、仿真于一體，支持匯編、PLM語(yǔ)言和C語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)，界面友好，易學(xué)易用。進(jìn)入Keil后，屏幕如圖5-2所示。幾秒鐘后出現(xiàn)編輯界面，如圖5-3所示。圖5-2 Keil啟動(dòng)界面圖5-3 Keil編輯界面通過(guò)Keil編輯程序，并對(duì)程序進(jìn)行運(yùn)行、調(diào)試生成hex文件,其具體步驟如下：（

56、1）新建一個(gè)工程：?jiǎn)螕鬚roject菜單，在彈出的下拉菜單中選擇New Project選項(xiàng)如圖5-4所示：圖5-4 新建工程窗口（2）將新建工程保存到新建文件夾中，工程命名為maibo，在彈出的對(duì)話框中選擇單片機(jī)型號(hào)為AT89C2051，點(diǎn)擊確定按鈕，Keil界面如圖5-5所示：圖5-5 工程建立完成界面（3）點(diǎn)擊file，在file菜單下選擇new，建立一個(gè)新的文檔窗口，先保存一個(gè)空白文件，在菜單上的file的下拉菜單中選中Save as選項(xiàng)單擊，將空白文件保存到新建文件夾中命名為maibo.c點(diǎn)擊保存按鈕，回到編輯界面后，單擊Target 1前得+號(hào)，然后再Source Group1上點(diǎn)擊

57、右鍵，在彈出的下拉菜單中點(diǎn)擊Add File to Group Source Group1在彈出的窗口中找到新建文件夾，選中maibo.c，點(diǎn)擊Add按鈕，在出現(xiàn)的界面中輸入程序。輸入程序界面如圖5-6和5-7所示：圖5-6 程序編輯界面圖5-7 輸入程序之后的編輯界面（4）調(diào)試并運(yùn)行程序，在確定程序無(wú)誤后，右鍵Target1,在彈出的窗口中勾選上“生成HEX文件”，點(diǎn)擊確定按鈕，如圖5-8所示，運(yùn)行程序，得到hex文件。圖5-8 Target1屬性界面5.2 Protues軟件仿真由于在采集信號(hào)時(shí)是將手指插入傳感器中進(jìn)行信號(hào)采集，由于在Protues中找不到能夠代替手指的原件，所以仿真采用模

58、擬仿真的形式。5.2.1 Protues軟件簡(jiǎn)介Proteus仿真軟件是英國(guó)Labcenter Electronics公司出版的EDA仿真軟件。它不但具有傳統(tǒng)EDA軟件的仿真功能，而且還能對(duì)單片機(jī)及其外圍器件進(jìn)行仿真。它是到目前為止最好的單片機(jī)及其外圍器件的仿真測(cè)試軟件。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣使用時(shí)間比較短，但已受到廣大單片機(jī)愛(ài)好者、以及從事單片機(jī)教學(xué)的教師和致力于單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的學(xué)者的青睞。無(wú)論是從電路原理布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正意義上的實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)方案。是目前世界上唯一將PCB設(shè)計(jì)軟件、虛擬模型仿真軟件和電路仿真軟件合而為一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，

59、模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、ARM、8086和MSP430等，2010年又添加了Cortex和DSP系列處理器，并連續(xù)增加了其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。 Proteus三大功能模塊：（1）能夠PROSPICE混合模型的SPICE仿真。（2）對(duì)ARES PCB模型的設(shè)計(jì)。（3）比較方便應(yīng)用而又功能比較強(qiáng)大的ISIS原理布圖工具。Proteus的功能特點(diǎn)：（1）對(duì)原理進(jìn)行布圖。（2）對(duì)SPICE電路進(jìn)行仿真。（3）互動(dòng)的電路仿真。用戶可以實(shí)時(shí)采用例如LED/LCD、鍵盤(pán)、RS232終端等

60、動(dòng)態(tài)外設(shè)模型來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行交互的仿真。（4）仿真處理器以及其外圍電路。可以仿真C51系列、AVR、PIC等常用的一些單片機(jī)及其外圍電路。還可以直接在所畫(huà)的原理圖的模擬原型上編程，再加上顯示及輸出，能看到運(yùn)行后的輸入以及輸出的效果。同時(shí)跟系統(tǒng)所自帶的模擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了比較完善的電子設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境。Protues具有的豐富的資源：（1）能夠提供的仿真儀表資源：虛擬終端、模式發(fā)生器、邏輯分析儀、示波器、I2C調(diào)試器、信號(hào)發(fā)生器、SPI調(diào)試器、交直流電壓表、交直流電流表。在理論上同一種儀器可以在一個(gè)電路中隨意的調(diào)用，比較方便同時(shí)節(jié)省了大量的時(shí)間。（2）能夠提供的調(diào)試手段，Pro

61、teus提供了比較豐富的測(cè)試信號(hào)來(lái)用于對(duì)電路的測(cè)試。（3）能夠提供的仿真元器件資源：仿真的數(shù)字和模擬、交流和直流等上千種元器件，有30多個(gè)元器件庫(kù)。 （4）能夠提供了除了現(xiàn)實(shí)存在的儀器外的圖形顯示功能，這種功能與示波器的作用相似，可以將線路上變化的信號(hào)以圖形的方式實(shí)時(shí)追蹤并顯示出來(lái)，但功能比示波器多，可以通過(guò)仿真來(lái)觀察。這些模擬的儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo)，例如有比較高的輸入阻抗、比較低的輸出阻抗。這些功能都盡可能減少了模擬儀器對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，使誤差降到最小2527。5.2.2 電路仿真通過(guò)對(duì)脈搏信號(hào)的分析和對(duì)整體電路的分析得知，通過(guò)AT89C2051單片機(jī)P3.2口輸入的脈搏信號(hào)為方波信號(hào)，計(jì)數(shù)原理為當(dāng)?shù)谝粋€(gè)方波信號(hào)的下降沿被送到單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)信號(hào)指示燈閃爍一次，到第二個(gè)方波的下降沿到達(dá)單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)信號(hào)指示燈又閃爍一次，單片機(jī)通過(guò)客觀的計(jì)算兩次下降沿到達(dá)的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算一分鐘送入單片機(jī)的方波次數(shù)，也就是一分鐘人體的脈搏次數(shù)。由于在Proteus中找不到更好的能替代手指的元器件，所以使用一個(gè)方波發(fā)射電路來(lái)替代脈搏信號(hào)的采集電路和調(diào)理電路，將方波發(fā)射器的輸出端直接接到單片機(jī)的P3.2口，用同樣的程序燒入單片