智能脈搏測量儀設(shè)計

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1、 2013 屆畢業(yè)生 畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目: 智能脈搏記錄儀設(shè)計 院系名稱： 信息科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 09 級 02 班 學(xué)生姓名： 高亞飛 學(xué) 號 : 200948360226 指導(dǎo)教師： 武林俊 教師職稱 : 副教授 2013年6

2、月3日 摘 要 脈搏是反映人體活動的健康狀況的重要信息來源， 是表明個人身體是否健康的重要窗口，因此通過提取人體脈搏信息的方法， 能夠及時地發(fā)現(xiàn)并防范疾病的發(fā)生。目前，市場上也逐漸出現(xiàn)了智能脈搏測量儀產(chǎn)品， 用來實現(xiàn)疾病的發(fā)現(xiàn)與預(yù)防功能。 本設(shè)計的控制核心，我選用了比較常見的 AT89C51 單片機，用來實現(xiàn)智能脈搏測量儀的控制功能。智能脈搏測量儀可以對人體脈搏頻率進行準(zhǔn)確的測量， 并且包含了脈搏信號采集電路、 有源濾波電路、 放大電路、報警電路、數(shù)碼顯示、鍵盤輸入等模塊， 更好地實現(xiàn)測量功能。 此次所設(shè)計

3、的產(chǎn)品， 不僅提高了電子測量儀的測量精度，而且還能夠加快測量系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 此外具有花費成本較低，可靠性高，并易于操作的優(yōu)點。 關(guān)鍵字：智能脈搏測量儀 AT89C51 單片機 脈搏頻率 I Title The design of intelligent pulse measuring instrument

4、 Abstract Pulse is an important source of reflecting the health of the information about human activity ,and it is an important window for individual body’shealthy. Therefore,by using the method of extracting information of the pulse about human body, it can be found in a timely man

5、ner to prevent the happening of the disease. At present, the market also gradually appeared intelligent pulse measuring instrument products,which are used to discovery and prevent the disease . I chose the common AT89C51 as the control core of the design, which is used to implement the intelligen

6、t measuring instrument of pulse control function. Intelligent pulse measuring instrument can accurately measure pulse frequency to the human body, and it contains the active pulse signal acquisition circuit, filter circuit, amplifier circuit, alarm circuit, digital display, keyboard input module, th

7、en realizes measuring function better. The design of products, not only improves the measure precision of electronic measuring instrument, but also can accelerate the response speed of the measurement system.It also has the better sides like the low cost, high reliability, and the advantages of easy

8、 to operate. Keywords: smart pulse measuring instrument, AT89C51 microcontroller, pulse rate II 目錄 1 緒論 ............................................................. 1 2 課題研究現(xiàn)狀及意義

9、 ............................................... 2 2.1 課題研究現(xiàn)狀 ............................................... 2 2.2 課題研究意義 ............................................... 3 3 方案論證 ......................................................... 4 3.1 方案選擇 ..............................

10、..................... 4 3.2 系統(tǒng)框圖 ................................................... 6 4 芯片器件介紹 ..................................................... 7 4.1 傳感器介紹 ................................................. 7 4.2 AT89C51 單片機介紹 .......................................... 7 5

11、 硬件設(shè)計 ......................................................... 9 5.1 脈搏信號采集部分 .......................................... 9 5.2 有源濾波部分 .............................................. 10 5.3 運算放大部分 .............................................. 11 5.4 電壓整形部分 ...................

12、............................ 12 5.5 數(shù)碼顯示部分 .............................................. 14 5.6 報警電路部分 .............................................. 15 5.7 鍵盤輸入部分 .............................................. 16 5.8 單片機電路部分 ............................................ 17

13、 5.8.1 單片機復(fù)位電路部分 .................................... 17 5.8.2 單片機時鐘電路部分 .................................... 18 6 軟件設(shè)計 ........................................................ 19 6.1 程序設(shè)計 .................................................. 19 6.2 程序調(diào)試 .....................

14、............................. 21 6.3 軟件仿真 .................................................. 22 結(jié)論 ............................................................... 25 致 謝............................................................. 27 參 考 文 獻 ..........................................

15、.............. 28 附錄 ............................................................... 29 附錄 A.......................................................... 29 附錄 B.......................................................... 30 III 1 緒論 隨著科技的發(fā)展和人民生活水準(zhǔn)的提高

16、， 相應(yīng)的生活醫(yī)療保障水平也有了很大的進步。對于人體的生物學(xué)參數(shù)的測量， 用于衡量人體的健康狀況是否合乎標(biāo)準(zhǔn)，愈來愈成為各位醫(yī)學(xué)專家教授和眾多研究者所感興趣的話題。 通常對于人體生物學(xué)參數(shù)測量， 我們可以用到各種各樣的傳感器得以實現(xiàn)， 而這也逐漸成為了一個熱門的技術(shù)研究方向。 用這樣的方法來獲得人體信息是在當(dāng)今的市場和目前的科技發(fā)展趨勢。 我國古代就有“望、聞、問、切”的診斷疾病的方法，其中“切”就是我們平常所說的“把脈” 。通過“切脈”而能夠得知患者的身體的基本狀況，進而對癥下藥，保障并恢復(fù)人體的健康。所以可以知道，人體的脈搏跳動的信息，是在某種程度上反映人體的各個部分的狀況， 是不是

17、正常健康的。 由于脈搏跳動含有豐富的病理信息， 是人體生理活動狀況的一個集中匯總， 所以由于需要采集脈搏信息而制作各種各樣的醫(yī)療儀器， 實現(xiàn)準(zhǔn)確完整全面地獲取脈搏信息， 在當(dāng)前的醫(yī)療市場和社會生活中具有很高的醫(yī)學(xué)價值和極為廣泛的應(yīng)用前景。 電子技術(shù)的發(fā)展同樣也使醫(yī)療產(chǎn)品的成熟， 實現(xiàn)其智能化、簡單方便化受益頗多。特別是計算機技術(shù)在控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用， 使得現(xiàn)在的各種醫(yī)療電子產(chǎn)品更加智能化， 大大方便了人們的生活， 提高了人們的生活質(zhì)量。 電子技術(shù)在脈搏測試方面的應(yīng)用，使醫(yī)療儀器在對脈搏信息的處理更加精確高效。 智能脈搏測量儀的研究和制作， 使醫(yī)生對患者病情的掌握更加方便準(zhǔn)確， 也使

18、患者能夠及早的發(fā)現(xiàn)病情， 把心血疾病消滅在萌芽階段， 對于病人和醫(yī)生同樣有利。作為一種電子技術(shù)的醫(yī)療產(chǎn)品，它的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、使用在方便人們的同時，也具有很大的經(jīng)濟與社會效益。 本次智能脈搏測量儀的設(shè)計與制作， 通過當(dāng)前的電子技術(shù)理論與硬件實際操作，提出了一系列的解決方案和設(shè)計思路，通過探討和研究，選擇性的取舍，分析優(yōu)劣之處，取長補短，作為電最終的子醫(yī)療產(chǎn)品的設(shè)計方案。 1 2 課題研究現(xiàn)狀及意義 2.1 課題研究現(xiàn)狀 進入到科技迅猛發(fā)展的 21 世紀(jì)，科學(xué)技

19、術(shù)不斷地被應(yīng)用于實際的產(chǎn)品生產(chǎn) 和生活消費中，人們的生活日新月異蒸蒸日上。與此同時，迅猛的科技發(fā)展、崛 起的工業(yè)生產(chǎn)， 也造成了許許多多的生活問題煩擾著人們。 科技極大地促進了社 會的發(fā)展變化， 使人們的生活節(jié)奏加快， 生活環(huán)境不再舒適優(yōu)雅， 生活習(xí)慣隨之 也發(fā)生了劇烈的變動， 生活質(zhì)量因此而下降， 人體的健康也受到了嚴重的干擾與 破壞。在眾多的危害人類健康的疾病當(dāng)中， 各色各樣的心血管疾病成為其中的一 種。這種疾病的發(fā)病率在逐年提高，發(fā)病群體也在不斷擴大，并呈年輕化趨勢， 而且經(jīng)常引起極為嚴重的病危后果。 這種疾病長期困擾著眾多的患者， 市場上也

20、 迫切需要解決如此種類疾病的解決方案和治療方法。 早期的預(yù)防與及早的發(fā)現(xiàn)病 情就顯得極為的重要，這促使了很多的此種醫(yī)療儀器產(chǎn)品的研發(fā)與誕生。 在當(dāng)今的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中， 通過使用測量脈搏跳動以獲取病人的身體健康狀況信息的電子醫(yī)療產(chǎn)品， 愈來愈受到人們的歡迎。 脈搏作為了解個人身體活動狀況的重要窗口，測量脈搏信號的電子醫(yī)療產(chǎn)品顯示了它的優(yōu)勢之處。 這種測試脈搏信號的研發(fā)引起了眾多專家教授的普遍關(guān)注， 受到了研發(fā)探究者的青睞。 除了這些還帶來了其他利益和好處， 此類醫(yī)療儀器的研發(fā)與生產(chǎn)， 商家可以賺到更多的錢，產(chǎn)品更加熱賣，人們的身體健康水準(zhǔn)也隨之提高。 在當(dāng)前的國際醫(yī)療研發(fā)領(lǐng)域中，

21、 有許多國家的醫(yī)生學(xué)者針對脈搏信號的采集提出了很多的設(shè)計思路與研究方法，其中不乏非常高效而精確的測量儀器及裝 置，但由于他們的裝置和儀器都存在這樣或者那樣的缺陷， 最終并未把原來的設(shè)計思路和解決方案應(yīng)用于大規(guī)模的產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)中去，也沒有應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢 測。比如，有的醫(yī)學(xué)測量儀器雖然高效而精確，但價格過于昂貴，不在普通消費者所能承受的范圍內(nèi)。 或者有的電子醫(yī)學(xué)測量產(chǎn)品由于測量需要比較精確的固定之后，才能采集到準(zhǔn)確的脈搏信號， 操作環(huán)境要求過于理想， 無法在通常中的條件正確測量。此外有的儀器裝置由于操作過程過于復(fù)雜， 本身不具備廣泛推廣的條件，因而無法推廣成為產(chǎn)品銷售。 還有很多的醫(yī)療

22、儀器由于這樣或者那樣的原因，僅僅只存在于理論設(shè)計和實驗研究當(dāng)中。 2 在當(dāng)前的市場上，也存在相當(dāng)多的心血管的醫(yī)療測量儀器， 它們各有優(yōu)缺點， 但是有的測量不是相當(dāng)準(zhǔn)確，有的測量過程有些繁瑣，有的價格可能比較昂貴， 有的在診斷過程中可能會冒有不小的風(fēng)險， 根據(jù)不同的人群和消費者， 人們也可 以各取所需。 于是市場上迫切需要一種操作過程簡單化、 測量比較準(zhǔn)確有效、 價 格合適可以推廣、 診斷過程安全高效、 操作環(huán)境最普遍常見的智能脈搏測量的電 子醫(yī)學(xué)測量儀器。 2.2 課題研究意義 脈搏信號是

23、人體生理活動狀況最重要的信號之一， 能夠反映人體生理活動的基本信息，從而反映人體的生理甚至心理健康狀況。 脈搏信號信息的獲取， 也為人體其他方面的檢查提供了各種數(shù)據(jù)信息的參考。 “望、聞、問、切”是我國古代中醫(yī)的行醫(yī)方法， “把脈”成為了解患者身體狀況的重要途徑，脈搏信號蘊含 的豐富的信息為醫(yī)生為患者的診斷和開藥提供了重要依據(jù)。 通過采集和獲取人體準(zhǔn)確的脈搏信號， 得到大量的身體狀況信息， 我們一般采用市場上已有的各色各樣的傳感器。利用傳感器獲得患者的脈搏信號和信息，一般對個人的身體都不會造成危害， 都是極為安全的。 其次在于它操作過程和步驟的簡單化，使用起來會非常方便，非常受到消

24、費者和各位醫(yī)學(xué)專家教授的歡迎。通過脈搏信號采集， 獲取人體的身體健康信息逐漸成為一種趨勢， 由于脈搏信號的種種優(yōu)勢， 它的市場應(yīng)用前景非常廣泛， 應(yīng)用和使用價值也極為巨大， 在未來的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中， 它也必定是研究探索的熱門話題。 利用當(dāng)今迅速發(fā)展的電子技術(shù)應(yīng)用于脈搏的醫(yī)學(xué)測量， 極大地促進了醫(yī)學(xué)醫(yī)療儀器的發(fā)展與生產(chǎn)， 隨之而帶動的智能脈搏電子測量儀也會在醫(yī)療產(chǎn)品市場上具有一席之地， 消費者和市場空間大門會為之而打開。 本次脈搏測量的設(shè)計是利用光電傳感器采集脈搏信號， 經(jīng)過一系列的電路處 理，如信號放大、有源濾波、電壓整形，把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再由 AT８９ C５１單片機

25、處理，并有數(shù)碼管進行顯示次數(shù)，附有報警電路進行報警， 使得功能更加齊全，使用更加方便。 3 3 方案論證 3.1 方案選擇 在本次的方案設(shè)計當(dāng)中， 毫無疑問，脈搏信號的采集和獲取是整個智能脈搏測量儀設(shè)計中的重中之重。只有準(zhǔn)確、高效、可靠地采集到個人的脈搏信號，整 個設(shè)計才有成功的可能， 整個設(shè)計才會有實在的意義。 它是本設(shè)計的第一步， 也是本次設(shè)計的關(guān)鍵一步。 在我們采集脈搏信號之前， 首先要了解脈搏信號的一些重要特性，只有在了解之后才能更好的選擇合理的方案采集信號。 脈

26、搏信號具有如下的幾個重要特性 . 它的信號極弱， 振動幅度非常有限， 不易于我們進行采集和獲取， 會給收集 脈搏信號者帶來不小的麻煩。 在脈搏信號本身極弱的同時， 它還很容易收到其他 生理信號的干擾，對于每一個生物體來說， 其各個部分的生理信號都是相互干擾、 相互影響的，在這種情況下，脈搏信號就會受到噪聲的干擾。再者，每個生物體 的情緒的不同， 喜怒哀樂的變化， 也會造成生理信號的改變， 致使測量到的信號 并不準(zhǔn)確可靠。 脈搏信號的頻率是很低的， 1 分鐘的次數(shù)大致如下，且對于不同的個體也是 有差別的：男性的是 60 到 100 次，女性的是

27、70 到 90 次，小孩的大概是 90 次。 脈搏信號還具有變異性， 在此我們要重點注意。 從上個特點我們也可以知道，男性、女性和小孩的脈搏跳動次數(shù)是不同的。 而且對于不同的人來說， 脈搏跳動的頻率也不盡相同， 同理可知，當(dāng)不同的患者患得相同的疾病時， 采集到的脈搏信號的表現(xiàn)可能并不一樣， 而且對于同一個患者來說， 在不同的患病期， 他的脈象的表現(xiàn)也是不一樣的。 在總結(jié)完脈搏信號的種種特點之后， 我們可以很明確的知道， 只有選擇一個恰當(dāng)?shù)拿}搏測量傳感器，才能夠獲得準(zhǔn)確、高效、可靠的脈搏信號，才能完整而又準(zhǔn)確的反映個人的身體活動的生理信息， 所設(shè)計的脈搏測量儀才能正常且高效地工作。

28、 根據(jù)我們通常所使用的傳感器選擇， 大致有壓力傳感器和光電傳感器兩種可以作為脈搏信號的采集。 下面我們分別介紹一下這兩種傳感器， 比較他們的優(yōu)劣。 首先我們來看一下壓力傳感器。 在用壓力傳感器測量的時候， 是根據(jù)脈搏的 4 跳動對傳感器產(chǎn)生的壓力的大小， 在壓力傳感器感受到壓力之后， 把所測得的壓力大小轉(zhuǎn)化為所需要的電信號， 這樣就得到了需求的數(shù)據(jù)信號。 由以上所介紹的脈搏信號的特點可知， 脈搏信號較弱， 同時容易受到其他信號的干擾， 脈搏跳動的頻率也較低。 因此，若要獲取比較準(zhǔn)確的脈搏信號， 我們就必須使用精度較高的壓力傳感器，

29、但提高壓力傳感器的精度， 其代價會比較昂貴， 花費較大。再者，使用壓力傳感器時， 測量時需要進行固定， 固定不合格會使測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確， 固定測量也會比較麻煩，因此不打算使用壓力傳感器。 我們還可以使用光電傳感器。光電傳感器是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號進行測 量。在脈搏測量中， 我們可以通過紅外線照射人體時由于脈搏的跳動， 透光度不同而產(chǎn)生不同的電流，因而獲取脈搏跳動的信號。 用光電傳感器測量時， 我們就可以不用考慮脈搏的振動幅度過小， 而且受到的干擾也較小。 一般光電傳感器的應(yīng)用也有兩種， 耳脈測量和指脈測量。 耳脈的特點是光電信號較弱，并且在不同的溫度、不同的季節(jié)中，測量結(jié)果也不

30、相同， 因此會造成測量的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確， 但測量環(huán)境較為清潔。 而指脈測量由于汗腺發(fā)汗會使測量儀器變臟，致使測量不準(zhǔn)確，需要經(jīng)常清洗。從整體上來考慮，指脈的光電信號較強，且操作簡單易行，所以推薦使用指脈測量。指脈光電傳感器也分為兩種，分為透射型的和反射性的兩種： （ 1）透射型： 紅外發(fā)射二極管 光敏接收二極管 圖 3.1 透射式光電傳感器 如圖 3.1 是透射型光電傳感器， 透射型指脈光電傳感器是由上端的發(fā)光二極管發(fā)出紅外光， 紅外線通射過手指， 手指內(nèi)的血液濃度由于脈搏的跳動而發(fā)生變化，投射過的

31、紅外線強度發(fā)生變化，產(chǎn)生不同的光電信號。 5 （ 2）反射型： 光敏接收二極管 紅外發(fā)射二極管 圖 3.2 反射型光電二極管 如圖 3.2 是反射型光電傳感器， 反射型是指發(fā)光二極管和光敏三極管在同一水平端上，發(fā)光二極管發(fā)射出紅外線， 由于脈搏跳動而使血液濃度發(fā)生變化， 由于血液可以選擇性吸收紅外光致使光敏三極管接受率發(fā)生變化， 由于血液循環(huán)流動，脈搏周期跳動，所以其變化也呈周期性。本次設(shè)計我們采用反射式。 3.2 系統(tǒng)框圖

32、整個電路的各個部分框圖如下圖所示： 信號采集 信號放大 有源濾波 電壓整形 數(shù)碼顯示 AT89C51 報警系統(tǒng) 鍵盤輸入 圖 3.3 脈搏測量系統(tǒng)總框圖 6 4 芯片器件介紹 4.1 傳感器介紹 本次設(shè)計所使用的傳感器， 是由 IR333 型紅外發(fā)射二極管和 BPW83型紅外接收二極管構(gòu)成。 前者作為發(fā)射管其工作波長為 940nm

33、，它的壓降大約為 1.4V。后 者是紅外光線的接收管，與發(fā)射管相對應(yīng)，它的工作波長也是 940nm，兩者需要通過位置的擺放對應(yīng)， 通過更換相對的位置來達到最好的效果。 前者的發(fā)射光角度與其中的電流變化有很大關(guān)系。 電流變小導(dǎo)致角度變大， 自然產(chǎn)生的強度就會小了。 4.2 AT89C51 單片機介紹 單片機有許多類型的產(chǎn)品系列， 本次設(shè)計使用的是比較普遍且最為簡單的單片機，即 AT89C51單片機。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含 CPU（運算器、程序計數(shù)器 PC、指令寄存器），存儲器（程序存儲器、外部數(shù)據(jù)存儲器、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器） ，特殊功能寄存器，時鐘電路與復(fù)位電路。 具體的功能和

34、詳細的引腳圖分別見如下圖 4.1 （內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖），圖 4.2 （管口引腳分布圖）所示： （ 1） AT89C51 內(nèi)部結(jié)構(gòu)： 圖 4.1 AT89C51 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 7 （ 2） AT89C51引腳圖：

35、 圖 4.2 AT89C51 單片機管口引腳圖 (3) 端口介紹 此單片機有 P0、P1、P2、P3 四個并行端口。在這些端口當(dāng)中，只有 P1 端口 僅存在單一功能， 作為可編程的輸入或者輸出， 其它端口都具有雙重功能， 都可 以作為輸入、輸出接口使用。其中 P3 端口作為單片機中極為特殊的并行端口， 也有著比較特殊的第二功能，其第二功能的詳細可見下面的圖表： 表 4.3 P3 端口的第二功能 端口引腳 第二功能 P3.0 RXD（串行輸入線） P3.1 TXD

36、 （串行輸出線） P3.2 INT0 （外部中斷 0 輸入線） P3.3 INT1 （外部中斷 1 輸入線） P3.4 T0（定時器 0 外部計數(shù)脈沖輸入） P3.5 T1（定時器 1 外部計數(shù)脈沖輸入） P3.6 WR （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出） P3.7 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出） 8 5 硬件設(shè)計 5.1 脈搏信號采集部分

37、 圖 5.1 脈搏信號采集電路模塊 上面所截的電路圖是脈搏信號的采集部分。 在電路設(shè)計中我們所用的供電電源電壓都為 5V。其電路的工作原理，詳細闡述如下。 首先電源接 R1、R2 兩個電阻，可以為 UA運算放大器提供電壓大小為 2.5V 的基極電壓。運算放大器 UA 的電路連接構(gòu)成了一個電壓跟隨器，即 Ui=Uo，輸入電壓與輸出電壓相等。 在芯片器件介紹部分， 我們可以知道， 脈搏采集的光電傳感器是由紅外發(fā)射 二極管和紅外接收二極管 （也可用三級管， 本次設(shè)計我們采用的是紅外二極管） ， 它們的工作波長都為 940nm。在紅外光的照射下，接收二極管能夠產(chǎn)

38、生 0.4v 的 壓降，并產(chǎn)生大小為 0.5mA的電流。這個光電傳感器的工作過程就是， 當(dāng)紅外發(fā) 射二極管中的電流大小變小時， 其紅外光的發(fā)射角度會逐漸變大， 產(chǎn)生的發(fā)射強 度也會隨之變?nèi)酢．?dāng)被測部分在上面進行測量時， 由于發(fā)射光的光路遇到了阻礙， 接收管所能夠接受到的光通量是不會很多的。 沒有脈搏跳動的話， 雖然有手指的 遮擋，但在紅外接收管中依然可以產(chǎn)生極其微弱的暗電流， 其大小只有 1uA左右， 致使 UB的運算放大器的正相輸入端的電壓略小于 2.5V。當(dāng)測量時有脈搏的跳動 時，由于脈搏的跳動會使手指中血液的透光度變差， 致使紅外接收二極管

39、中的暗 9 電流變小， UB 的正相輸入端的電壓變大。另外，當(dāng)沒有進行脈搏測量時，發(fā)射光會無阻礙無遮擋的幾乎全部被接受管所接收時， 致使正相輸入端的電壓小于反相輸入端的電壓，所以 UB集成運放便不再進行工作，即正相輸入的大小為 0. 同時我們也要注意， 由于紅外二極管所發(fā)射的紅外光我們?nèi)搜鄄⒉豢梢姡?因此很難判斷光電傳感器是否在進行工作。 所以為了解決這個問題， 我們可以在電路中加上一個發(fā)光二極管作為指示燈，檢查光電傳感器是否在工作。 此外，在光電傳感器的串聯(lián)電路中，需增加一個調(diào)節(jié)電阻 R4，我們選擇這個電

40、阻的大小為 100 歐姆。如果這個電阻的選擇阻值過大， 就會造成紅外二極管中的電流過小，這就會造成當(dāng)有脈搏跳動時和沒有脈搏跳動時的現(xiàn)象基本相同， 無法區(qū)別有無脈搏跳動， 不能準(zhǔn)確采集脈搏信號。 如果這個電阻的阻值過小， 那么就會造成紅外二極管中的電流過大， 類似于沒有進行脈搏測量的現(xiàn)象， 無法區(qū)別是否進行了測量，更不用說去采集準(zhǔn)確的脈搏信號。 整個電路設(shè)計完成之后，通過手指的脈搏跳動產(chǎn)生微弱的電流，再經(jīng)過 UB 集成運放的放大和積分電路的轉(zhuǎn)換， UB的輸出端口會產(chǎn)生 2uV 大小的電壓信號。 5.2 有源濾波部分

41、 圖 5.2 有源濾波電路模塊 如上所示的截圖為硬件電路設(shè)計的濾波部分，有源濾波的電路是由 RC 電路 和集成運放構(gòu)成， 根據(jù)所學(xué)的電路知識可知在此電路中， 引進正反饋的同時也引 入了負反饋。該部分電路不僅可以實現(xiàn)濾波功能也會對信號進行一定程度的放 大。 10 在上圖中，利用已有的電路知識，對其進行電路分析，我們可以得知， R6、 R7、C3、C4 構(gòu)成了濾波部分。低通濾波器的功能就是，通過低頻信號，阻礙高頻信號。我們所采集所需要的信號

42、是低頻信號， 而高頻的干擾信號是我們必須濾除的。另一部分電路是由 R8、R9 和集成運放所構(gòu)成的同相比例電路，起到了將信號進行放大的作用。 另外我們在設(shè)計這部分電路所必須要注意的是， 運算放大器的恰當(dāng)選擇。 這是因為如果所選集成運算放大器的帶寬并不合適，與所采集的信號帶寬相差過大，就會將所需信號濾除，造成濾波不準(zhǔn)確，影響最終的測量。 本部分有源濾波電路的設(shè)計是考慮到正常人的脈搏跳動頻率， 最大是在被測者進行過劇烈運動后， 每分鐘高達 240 次。如上的有源濾波電路設(shè)計是壓控電壓源二階低通濾波， 我們可以清楚地看到電路中引進了兩種反饋。 已知正反饋的存在同時，要注意不能使反饋過強導(dǎo)致

43、自激振蕩發(fā)生， 如果使輸入信號頻率與輸出信號頻率相同，則就同時滿足電壓的放大倍數(shù)擴大與避免自激振蕩兩個條件。 此電路的性能極為穩(wěn)定，電壓放大的倍數(shù)也方便調(diào)節(jié)。 5.3 運算放大部分 下面的電路設(shè)計就是放大電路部分， 在上一部分電路中， 已經(jīng)對信號進行了有源濾波，干擾信號已經(jīng)被濾除掉一部分， 比如電源的強干擾信號， 其頻率大小約為 50HZ。在輸入信號進入到放大部分時，我們首先使用一個電容將信號中的暗電流進一步除去，然后將信號進行放大。在放大部分我們可以有很多種選擇， 比如在放大模塊可以使用同相比例電路、 二級運放電路和三級運放電路。 在此本設(shè)計采用了同相比例電路

44、進行放大。 首先分析同相比例電路，同相比例電路可以對電路進行比較理想的放大， 放大倍數(shù)的可供選擇性較大， 而且考慮到脈搏傳感器的阻抗很大。 在放大倍數(shù)的選擇上，我們用到了滑動變阻器 R12，可以調(diào)節(jié)所需的信號的大小強弱。但它也有一個缺點， 就是共模信號對放大倍數(shù)的影響較大， 會產(chǎn)生一定的誤差。 為了減小誤差，我們可以采取措施增大開環(huán)差模增益和增加共模抑制比。 對于二級放大電路和三級放大電路來說， 二級放大的放大倍數(shù)比較有限， 但很少會受到零點漂移的影響， 造成所計算出的增益產(chǎn)生較大的誤差， 而且相對于三級放大電路構(gòu)成也很簡單。 11

45、 三級放大電路在放大倍數(shù)上， 能夠產(chǎn)生足夠大的增益， 但由于是三級放大電 路會產(chǎn)生零點漂移，造成所計算的增益誤差較大，測量結(jié)果不準(zhǔn)確。 單片機的供電工作電壓大小為 5V ，但是由于采集的信號電壓經(jīng)過放大電路 的放大之后，其電壓可能大于 5V，以至于單片機無法正常工作。為了避免這種 情況的發(fā)生，我們給集成運放提供的供電電壓為 5V ，這樣即使經(jīng)過放大的信號 電壓值大于 5V ，單片機所接受的數(shù)字信號電壓最大也只能達到 5V。

46、 圖 5.3 運算放大電路模塊 5.4 電壓整形部分 圖 5.4 電壓整形電路模塊 12 本設(shè)計的電壓整形電路如上圖 5.4 所示，主體是施密特觸發(fā)器，用于波形變換， 將模擬信號轉(zhuǎn)化為可由單片機處理的高低電平信號。 本設(shè)計所使用的施密特觸發(fā) 器是由 555 定時器構(gòu)成。 (1) 施密特觸發(fā)器的基本電路：

47、 圖 5.5 施密特觸發(fā)器引腳電路 （ 2）由 555 定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)圖： 圖 5.6 施密特觸發(fā)器結(jié)構(gòu)圖 首先我們要了解一下 555 定時器，它是數(shù)字和模擬的混合集成電路， 具有很多種的應(yīng)用，在此次設(shè)計中就是應(yīng)用了它可以比較方便的構(gòu)成施密特觸發(fā)器的這個性能。 555 定時器可以實現(xiàn)波形的產(chǎn)生與變換，以及測量和控制等等。 對于施密特觸發(fā)器來說，在輸入電壓

48、的變化趨勢是，由小逐漸變大的變化， 其電壓增大達到閾值電壓時， 其原來的穩(wěn)定狀態(tài)會發(fā)生迅速的變化， 由零跳躍至 高電壓，表現(xiàn)出一種電路狀態(tài)的轉(zhuǎn)換； 若變化趨勢恰恰相反， 是由大逐漸變小的 變化，其電壓減小至閾值電壓， 其原來的穩(wěn)定狀態(tài)會發(fā)生迅速的變化， 由高電壓 13 跳躍到零電壓，表現(xiàn)出另外一種電路狀態(tài)。 它可以由門電路構(gòu)成， 也可以由 555 定時器構(gòu)成。 其構(gòu)成雖然不同， 但它們的原理都大致相同， 有著相同的功能特性。 用門電路構(gòu)成是由兩個反相器直接相連接，同時由一個反饋電阻接至輸入端。 555 定時器構(gòu)成

49、的施密特觸發(fā)器是把 555 定時器的兩個輸入端連接后作為其輸入端，由于兩個比較器的參考電壓不同， 則輸入電壓分別是不同的值時， 內(nèi)部鎖存器才能實現(xiàn)置“ 1”或置“ 0”，即輸出電壓從高電平變?yōu)榈碗娖脚c從低電平變?yōu)楦唠娖剿鶎?yīng)的輸入值并不相同， 555 定時器這樣的特點就可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器。 施密特觸發(fā)器只有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)， 通過輸入信號的變化來實現(xiàn)這兩個狀態(tài) 的相互轉(zhuǎn)換，它的輸入與輸出的迂回特性決定了施密特觸發(fā)器具有極強的抗干擾 能力。施密特觸發(fā)器有多領(lǐng)域、多用途的應(yīng)用，表現(xiàn)在許多的方面和領(lǐng)域，在這 里就不一一介紹了。 經(jīng)過 555 定時器所構(gòu)成的施密特觸發(fā)器后， 輸

50、入信號由模擬 信號轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為完美的方波信號，表現(xiàn)為高低電平供單片機處理。 5.5 數(shù)碼顯示部分 圖 5.7 數(shù)碼顯示電路模塊 14 此部分電路為數(shù)碼顯示部分， 用來顯示每分鐘人體的脈搏跳動頻率。 根據(jù)人體正常的脈搏跳動是每分鐘六十次到一百二十次， 但是人體在經(jīng)過劇烈的運動之后其脈搏跳動次數(shù)最多可以達到每分鐘二百四十次， 因此至少

51、需要用到三位數(shù)碼管進行顯示。我們最終選用了三個數(shù)碼管來滿足要求。 數(shù)碼管的接法有兩種， 共陰接法和共陽接法。 在此次設(shè)計中我們選用了共陽接法。原因是所提供的電源高電壓來對數(shù)碼管進行供電， 共陽接法使數(shù)碼管所能達到的亮度更大，共陰接法使數(shù)碼管達到的亮度要暗。 在上邊的電路中， 我們可以看到， 從單片機端口出來的信號是經(jīng)過一個三極管之后再通向數(shù)碼管， 而且在電源端還接有一個大小為 200 歐姆的電阻。由于從單片機端口輸出的信號都是小信號， 信號較弱，必須增加一個三極管進行放大才能驅(qū)動數(shù)碼管正常的發(fā)光。 而電源端所接的電阻作用是保護電阻， 但這個電阻的選擇必須慎重。 第一，它要起到不使電

52、路中的電流過大以至于燒壞數(shù)碼管， 起到保護電阻的作用； 第二，它的電阻也不能太大， 若這個電阻過大會直接導(dǎo)致電路中的電流太小，削弱數(shù)碼管的發(fā)光亮度，甚至造成數(shù)碼管不能發(fā)光的嚴重后果。 5.6 報警電路部分 圖 5.8 報警電路模塊 15 如圖 5.8 ，此部分的電路設(shè)計為報警電路，其設(shè)計意圖主要在于能夠作為個人身體狀況的指示信號， 引起人

53、們對于自身測量健康結(jié)果的關(guān)注。 根據(jù)健康知識的常識我們能夠知道，人體的正常脈搏跳動在每分鐘六十次到一百二十次之間。 當(dāng)經(jīng)過測量之后， 若人體的脈搏頻率在每分鐘超過一百二十次時， 數(shù)碼管上會給予相應(yīng)的顯示， 并且紅色的 LED燈會發(fā)亮， 同時蜂鳴器發(fā)生報警； 若最終的測量結(jié)果顯示人體的脈搏頻率每分鐘小于六十次， 則黃色的警示燈將會發(fā)亮， 并且蜂鳴器進行相應(yīng)的報警； 若數(shù)碼管上所顯示的示數(shù)恰好在六十到一百二十之間， 則表明人體的健康處于正常范圍之內(nèi)， 綠色的數(shù)碼管就會發(fā)光， 而蜂鳴器不再進行報警。 在上圖的電路中我們可以看到， 從單片機端口輸出的信號， 并沒有直接接在 蜂鳴器上，

54、而是在中間增加了一個三極管。 這是因為從單片機端口輸出的信號較 小，如果直接接上蜂鳴器，可能會由于電流能力太小，蜂鳴器并不能正常工作， 甚至?xí)话l(fā)出響聲， 因此增加一個三極管對輸出信號進行放大， 增大功率來驅(qū)動 蜂鳴器。 5.7 鍵盤輸入部分 圖 5.9 鍵盤輸入電路模塊 此部分電路圖 5.9 就是鍵盤輸入部分，之所以設(shè)計鍵盤輸入電路，就是為了 使在使用脈搏測量時可以更方便的實現(xiàn)一些功能，利用按鍵進行控制。

55、 由于智能脈搏測量儀所需要的控制并不多， 所以此次設(shè)計采用了獨立按鍵控 16 制。主要實現(xiàn)當(dāng)智能脈搏測量儀開啟使用時，需要有一個“開始”按鍵，開始進 行測量；當(dāng)智能脈搏測量儀關(guān)閉時，需要一個“結(jié)束”按鍵，使整個電路停止工 作；當(dāng)一次測量結(jié)束需要進行另外一次工作時， 需要使工作狀態(tài)復(fù)原， 然后進行 下一次的測量操作。 5.8 單片機電路部分 5.8.1 單片機復(fù)位電路部分

56、 圖 5.10 單片機復(fù)位電路模塊 上圖 5.10 就是單片機的復(fù)位電路部分，復(fù)位的作用就是讓單片機進入到一 種穩(wěn)定的狀態(tài)， 然后在開始工作， 作為一種最開始的工作狀態(tài)。 復(fù)位電路有如下的詳述。其中之一的開關(guān)復(fù)位也稱為按鍵復(fù)位。 按鍵復(fù)位是指通過按鍵控制單片機的復(fù)位過程，即電路的初始化過程，讓單片機恢復(fù)到原來的電路狀態(tài)。 按鍵復(fù)位的好處是， 讓需要進行復(fù)位的電路單獨進行復(fù)位， 而不需要復(fù)位的其他電路繼續(xù)正常進行工作。 而另外一種是上電復(fù)位， 從字面上我們就可以有大致的理解，基本意思是當(dāng)開始工作時被供電之后就對電路進行初始化。 在設(shè)計這部分電路的過程

57、中，在本部分電路中又增加了一個 LED 燈用作指 示燈，如果二極管點亮發(fā)光表明電路是在正常工作。 當(dāng)在操作過程中按鍵被按下 時，則發(fā)光二級管的亮度會明顯增大，由此能夠根據(jù) LED 燈的亮度來判斷按鍵 是否已經(jīng)按下。 17 5.8.2 單片機時鐘電路部分 圖 5.11 單片機時鐘電路模塊 上圖 5.11 所示的電路，就是單片機外圍電路中內(nèi)部振蕩的時鐘電路。所選 擇的兩個

58、電容是 30pF，晶振的選擇是 12MHz ，單片機的工作周期通過計算可得 是 1uS。 18 6 軟件設(shè)計 6.1 程序設(shè)計 我們對程序的設(shè)計通?？梢灾苯舆M行設(shè)計或者可以使用另外的方法來進行 處理。例如模塊化設(shè)計程序會有許多的好處， 一個非常復(fù)雜的程序設(shè)

59、計， 我們可 以把它分為若干個簡單的模塊， 分別進行程序設(shè)計，會使程序變得簡單易于設(shè)計。 則主程序和模塊的流程圖如下圖所示 開始 端口初始化 判斷有無信號輸入 Y N N Y 判斷是否有高電平變化 數(shù)碼顯示 000 不進行計數(shù)操作 開始進行計數(shù)與計時 計時滿一分鐘，數(shù)碼管停止 計時，并保持記到的示數(shù) 結(jié)束 圖 6.1 程序設(shè)計流程圖

60、 19 定時器 1 中斷 服務(wù)函數(shù) 重裝初值 拆分脈沖計數(shù)器 count 的個、十、百三位，用移位掃描的方法在數(shù)碼管上顯示 count 的計數(shù)值 否 蜂鳴器標(biāo)志 位是否置位 是 拉響蜂鳴器 返回 定義各種變量， 開始 存儲單元等 外部中斷服務(wù)函數(shù) 脈沖 計數(shù)器 count 自增 1

61、 返回  定時器 0 中斷 服務(wù)函數(shù) 重裝初值 否 定時時間是否 達到 60S 是 計數(shù)器 count 的值是否滿 足大于 120 或者小于 60 否 是 置位蜂鳴器標(biāo)志位， 同時關(guān)閉定時器 0 中 斷、外部中斷 返回 初始化和設(shè)置定時器 0、定時 器 1、外部中斷，打開總中斷 否 SKY 是否按下 是

62、啟動定時器 0，清除計時器 count 的計數(shù)值。 關(guān)閉蜂鳴器。 打開外 部中斷準(zhǔn)備響應(yīng)外部脈沖。 圖 6.2 各模塊程序設(shè)計流程圖 20 6.2 程序調(diào)試 在寫程序時，可以用 C 語言和匯編語言等語言。 在本人在本科期間的專業(yè)課 學(xué)習(xí)和平時的各種軟件程序設(shè)計的使用方面， C 語言的應(yīng)用和練習(xí)還是比較多 的。作為一種我比較得心應(yīng)手進行軟件設(shè)計的語言， 習(xí)慣優(yōu)先使用 C語言進行各 種設(shè)計。雖然在本科期間也學(xué)過匯編語言進行設(shè)計一部分實驗和課程設(shè)計等等， 但依然不是十分熟練。

63、 出于對自身的特點和長處的考慮， 此次的程序編寫我采用 C語言編寫，詳細的程序圖和調(diào)試圖如下所示： 圖 6.3 軟件程序設(shè)計 根據(jù)程序設(shè)計總的流程方框圖， 確定總的程序設(shè)計思路。 再由每部分的程序流程圖可知， 分別設(shè)計外部中斷程序、 定時器 0 用于計時程序、 定時器 1 用于數(shù)碼顯示和報警程序、初始化和清零復(fù)位程序等。

64、 21 圖 6.4 程序調(diào)試圖 上圖 6.4 所示的程序調(diào)試截圖就是本次軟件設(shè)計的程序調(diào)試結(jié)果， 在本部分 的設(shè)計過程中經(jīng)過多次調(diào)試后，此次的軟件設(shè)計最終成功完成。 6.3 軟件仿真 本次的軟件編寫使用的是 Keil 軟件，同時使用 Proteus 軟件畫出硬件電路 原理圖，然后

65、進行仿真。 由于本次設(shè)計采集的是脈搏信號， 然后進行一系列的硬 件電路處理， 最終轉(zhuǎn)化為方波信號經(jīng)單片機處理。 在本次的原理仿真當(dāng)中， 只能 進行單片機處理部分的仿真。 利用波形發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的方波來代替脈搏信 號。為了測試其性能，下面將給單片機不同大小頻率的方波信號。 （1）當(dāng)給單片機輸入信號的頻率大小為 0.5HZ 時，其數(shù)碼顯示大小為 30， 如圖 6.3.1 所示。即一分鐘內(nèi)脈搏跳動 30 次，此時的現(xiàn)象是蜂鳴器發(fā)出響聲， 黃色的燈發(fā)亮，表明脈搏的跳動頻率太低，不符合健康標(biāo)準(zhǔn)。 （2）當(dāng)給單片機的輸入信號的頻率大小為 1.5Hz 時，其數(shù)碼

66、顯示為 60，如 圖 6.3.2 所示。即一分鐘內(nèi)脈搏跳動 90 次，此時綠燈亮，表明處于健康水平。 22 圖 6.5 脈搏頻率小于 1Hz 時的電路仿真 圖 6.6 脈搏頻率在 1 到 2Hz 之間的仿真電路 23 （ 3）當(dāng)給單片機的輸入信號的頻率大小為 3Hz 時，數(shù)碼管顯示數(shù)值為 180，如圖 6.3.3 所示。即一分鐘內(nèi)脈搏的跳動次數(shù)為 180 次，超出正常人的健康范圍，此時紅燈發(fā)亮， 蜂鳴器發(fā)出響聲， 進行報警，表明人體的健康狀況不符合