【正文】 ： Lecturer Li Jing Heilongjiang Institute of Technology 202006 Harbin 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) I 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重 承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 作者簽名： 日 期： 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) II 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 ：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。通過對(duì)人體各種生理信號(hào)的檢測(cè) ， 能更好的認(rèn)識(shí)人體的生命現(xiàn)象。通過觀測(cè)脈搏信號(hào)，可以對(duì)人體的健康進(jìn)行檢查，通常被用于保健中心和醫(yī)院。就算是在醫(yī)院，護(hù)士每天監(jiān)控病人病情而進(jìn)行的心率測(cè)試也是 常 用手測(cè)。目前檢測(cè)脈搏的儀器雖然很多，但是能實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量、精確顯示且計(jì)時(shí)功能準(zhǔn)確等多種功能的便攜式全數(shù)字脈搏測(cè)量裝置很少。因此，認(rèn)識(shí)、預(yù)防及早期發(fā)現(xiàn)這些疾病是十分必要的。 本設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)出一種以單片機(jī)為核心的一種實(shí)用型脈搏測(cè)量?jī)x。本設(shè)計(jì)首先描述本設(shè)計(jì)的整體思路，然后介紹各個(gè)部分設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)問題，最后提出一些完善本設(shè)計(jì)的改進(jìn)意見。 基于單片機(jī)的心率測(cè)試儀 的發(fā)展與應(yīng)用 在我國(guó)傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)的診斷中， ―望、聞、問、切 ‖是最基本的四個(gè)方面。 鑒于脈診的 重要性，人們對(duì)于脈搏測(cè)量一直非常關(guān)注，早在 1860 年 Vierordt 創(chuàng)建了第一臺(tái)杠桿式脈搏描記儀，國(guó)內(nèi) 20 世紀(jì) 50 年代初朱顏將脈搏儀引用到中醫(yī)脈診的客觀化研究方面。近年來國(guó)內(nèi)外致力于開發(fā)無創(chuàng)非接觸式的傳感器，這類傳感器的重要特征是測(cè)量的探測(cè)部分不侵入機(jī)體，不造成機(jī)體創(chuàng)傷，能夠自動(dòng)消除儀表自身系統(tǒng)的誤差，測(cè)量精度高，通常在體外，尤其是在體表間接測(cè)量人體的生理和生化參數(shù)。數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)用將使干擾更小，測(cè)量更為準(zhǔn)確。經(jīng)過前置放大電路、濾波電路、整形電路后得到與脈搏相關(guān)的脈沖信號(hào)。 本設(shè)計(jì) 的 設(shè)計(jì) 內(nèi)容安排如下： 第一章為 引言 。在確定方案之前我必須先明確本設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求，之后是各個(gè)部分的對(duì)比選擇。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第 2 章 整體方案分析 任務(wù) 基于單片機(jī)的便攜式心率測(cè)試儀的設(shè)計(jì)。然后得到每分鐘的脈搏搏動(dòng)次數(shù)（即心率），并在數(shù)碼管上顯示，并且在 超出設(shè)定的正常脈搏跳動(dòng)范圍 時(shí) ，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警 。 本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的便攜式脈搏測(cè)量?jī)x 將 利用脈搏檢測(cè)傳感器采集脈搏信號(hào)，再對(duì)其 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)脈搏次數(shù)的目的 ，再通過報(bào)警電路可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。 光電式傳感器 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血液中大幾十倍，據(jù)此特點(diǎn)，采用光電效應(yīng)手指脈搏傳感器來拾取脈搏信號(hào)。 紅外對(duì)管將對(duì)管夾于手指端部，通過手指的血液濃度會(huì)隨著心臟的跳動(dòng)發(fā)生變化，紅外對(duì)管對(duì)應(yīng)的信 號(hào)便會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，采集此信號(hào)經(jīng)過放大，濾波，比較等處理便可以得到理想的信號(hào) 。 光電式傳感器具有 靈敏度高，易于操作 ， 響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 等優(yōu)點(diǎn) 。電極的好壞對(duì)采集到的心電信號(hào)質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用 ， 采用的電極應(yīng)有貼力強(qiáng) ， 能緊附在人體表面 ， 柔軟 、 吸汗 、 極化電壓低 、 導(dǎo)電性良好等特點(diǎn)。 當(dāng)手指前端受到輕微的壓力時(shí) ，可以感覺到手指前端在血壓的作用下有一張一弛的感覺 ， 將這個(gè)信號(hào)用傳感器提取出來 ， 轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過指脈的波形檢測(cè)，就可以獲得人體的脈搏信號(hào)。 并且 使用壓電式傳感器測(cè)脈搏還 容易受到外界其他信號(hào)的干擾。 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)的選擇主要是在 AT89C2051 和 AT89S52 之間做選擇。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 顯示部分 的選擇 根據(jù)題目要求，設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)是可以設(shè)定報(bào)警的范圍的。 LED 顯示器具有耗電省、成本低廉、配置簡(jiǎn)單靈活、安裝方便、耐振動(dòng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。七段 LED 數(shù)碼管顯示器有 8 個(gè)發(fā)光二極管，其中從 a~g 管腳輸入顯示代碼，可顯示不同的數(shù)字黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 或字符， Dp 顯示小數(shù)點(diǎn)。 設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的問題 環(huán)境光對(duì)脈搏傳感器測(cè)量的影響 在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號(hào)不僅包含脈搏信息的透射光的信號(hào)，而且包含測(cè)量環(huán)境下的背景光信號(hào)，由于動(dòng)脈波動(dòng)引起的光強(qiáng)變化比背景光的變化微弱得多，因此在測(cè)量過程當(dāng)中要保持測(cè)量背景光的恒定，減少 背景光的干擾。這是因?yàn)榧又柑资降拿}搏傳感器中環(huán)境光在測(cè)量過程中基本不受外界環(huán)境光的影響，而且能夠有效減少二次反射光，使照射到手指 上的光波長(zhǎng)單一，所以得到的脈搏信號(hào)較為穩(wěn)定，沒有明顯的重疊雜波信號(hào)，能夠很好的體現(xiàn)出脈搏波形的特征。通常脈搏信號(hào)的頻率范圍在 ?30Hz 之間，小于工頻 50Hz，因此通過低通濾波器可以有效濾除工頻干擾，這在信號(hào)調(diào)理電路中容易實(shí)現(xiàn)；同時(shí)可以在控制電路中對(duì)光源進(jìn)行脈沖調(diào)制，這樣不但能夠降低系統(tǒng)的功耗，而且能夠在一定程黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 度上減小外界的電磁干擾，在脈搏信號(hào)數(shù)據(jù)采集后，可以通過數(shù)據(jù)處理法方法進(jìn)一步濾除工頻信號(hào)的干擾。本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)芯片的型號(hào)是 AT89S52，在本章主要介紹了它的一些特點(diǎn)。在檢測(cè)到第一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，開啟定時(shí)器，然后在下一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，關(guān)閉計(jì)時(shí)器，如此就可以求得一次心跳所需要的時(shí)間，然后由該周期就可以得到一分鐘的脈搏數(shù)。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。目前多采用 40 只引腳雙列直插，如圖 所示。 (2)外接晶體引腳 XTAL1：接外部晶體振蕩器的一端。 AT89S52 晶體振蕩器頻率可在 6MHz?40MHz 之間選擇，常選 6MHz 或12MHz 的石英晶體。10pF。 在 VCC 發(fā)生故障、降低到電平規(guī)定值掉電期間，此引腳可接備用電源 VPD（電源范圍 5V177。 /ALE PROG 引腳第二功能，對(duì)片內(nèi) Flash 編程，為編程脈沖輸入端。 /EAVPP ：（ Enable Address/Voltage Pulse of Programming），訪問程序存儲(chǔ)控制信號(hào)。在 PC 值不超出 0FFFH（即不超出片內(nèi) 4KB Flash 存儲(chǔ)器的地址范圍）時(shí)，單片機(jī)讀片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ 4KB）中的程序，但當(dāng) PC 值超出 0FFFH （即超出片內(nèi) 4KB Flash 地址范圍）時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向讀取片外 60KB（ 1000HFFFFH）程序存儲(chǔ)器空間中的程序。 Pl 口： P1 是 —個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) (吸收或輸出電流 )4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫 ―1‖，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。 光電傳感器的結(jié)構(gòu)及原理 近年來 ， 光電檢測(cè)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很快 ， 這主要是由于光能避開強(qiáng)烈的電磁干擾 ， 具有很高的絕緣性 ， 且可非侵入地檢測(cè)病人各種癥狀信息 。 紅外接收三極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能，它的特性是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。其中透射式的發(fā)射光源與光敏接收器件的距離相等并且對(duì)稱布置 ， 接收的是透射光，這種方法可較好地反映出心律的時(shí)間關(guān)系。 R21 選擇 270Ω 同時(shí)也是基于紅外接收三極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是由于紅外接收三極管中存在 暗電流，會(huì)造成輸出電壓略低。 VCCU3Optoisolator1R21270R2256KC10220ufGND 圖 信號(hào)采集電路 信號(hào)放大 電路 本設(shè)計(jì)采用的放大器是 LM324。 按人體 脈搏在運(yùn)動(dòng)后跳動(dòng)次數(shù)達(dá) 200 次/分鐘的計(jì)算來設(shè)計(jì)低通放大器， 放大電路 如圖 所示。 波形整形電路 波形整形電路如圖 所示， U2A 是一個(gè)電壓比較器， C1 R29 構(gòu)成一個(gè)微分器， U1A 和 C R32 組成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，其脈寬由 C R32 決定。本設(shè)計(jì)采用自激蕩方式，使內(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率振蕩產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘電路工作后，在 REST 管腳上加兩個(gè)機(jī)器周期（ 12 個(gè)晶振周期）以上的高電平，芯片內(nèi)部開始進(jìn)行初始復(fù)位。 R1R2R3R4R5R6R7220R8Q29012Q39012Q49012Q59012Q69012Q19012VCCR12220R13220R15220R16220R18220R19220a11b7c4d2e1f10g5dp39abfcgdW48 6abfcgdW3abfcgdW2abfcgdW112a11b7c4d2e1f10g5dp39abfcgdW48 6abfcgdW3abfcgdW2abfcgdW112 圖 顯示電路 本設(shè)計(jì)的顯示采用 LED 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描來顯示。通過調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可以既保證亮度，又保證顯示。 報(bào)警電路 根據(jù) 醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，人體脈搏正常在 60 到 120 之間，當(dāng)數(shù)碼管所顯示的示數(shù)大于 120 或小于 60 時(shí) ，蜂鳴器響應(yīng)報(bào)警；示數(shù)小于 120 時(shí)大于 60 時(shí)，蜂鳴器不響。在這里給出了整體的硬件電路設(shè)計(jì)思路，并且對(duì)電路的各個(gè)部分進(jìn)行分析與解釋。 主程序流程 主 流程如圖 。各程序模塊都要完成一個(gè)明確的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)某個(gè)具體的功能，在具體需要時(shí)調(diào)用相應(yīng)的模塊即可。系統(tǒng)初始化之后 ,進(jìn)行定時(shí)器中斷、外部中斷、顯示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序。同時(shí)可以對(duì)按鍵進(jìn)行檢測(cè)，只要復(fù)位測(cè)試值就可以重新開始測(cè)試。外部中斷采用邊沿觸發(fā)的方式，當(dāng)處于測(cè)量狀態(tài)的時(shí)候，來一個(gè)脈沖脈搏次數(shù)就加一，由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器控制一分鐘，累加得出一分鐘內(nèi)的脈搏次數(shù)。動(dòng)態(tài)顯示方式是指一位一位地輪流點(diǎn)亮每位顯示器（稱為掃描），即每個(gè)數(shù)碼管的位選被輪流選中，多個(gè)數(shù)碼管公用一組段選，段選數(shù)據(jù)僅對(duì)位選選中的數(shù)碼管有效。從中斷程序中取得結(jié)果后，先顯示上次的脈搏次數(shù)，經(jīng)過 10ms的延時(shí)后再顯示測(cè)試中的脈搏次數(shù)，再經(jīng)過 10ms的延時(shí)顯示測(cè)試中的時(shí)間。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 取 結(jié) 果顯 示 上 次 脈 搏 數(shù)延 時(shí)顯 示 測(cè) 試 中 的 時(shí) 間延 時(shí)顯 示 子 程 序返 回 圖 顯示程序流程圖 蜂鳴器報(bào)警流程 根據(jù)對(duì)報(bào)警電路的分析，可通過對(duì) 的置位來控制蜂鳴器發(fā)出聲音和關(guān)閉。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的端口輸出電流能力低，無法直接驅(qū)動(dòng)那些器件，故增加三極管加大功率 ，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作。 程序采用 C 語(yǔ)言編寫，可讀性非常好 。利用單片機(jī)自身的定時(shí)中斷、外部中斷、計(jì)數(shù)等功能，不僅能顯示出此次脈搏測(cè)量的次數(shù)，還能自動(dòng)儲(chǔ)存這個(gè)數(shù)據(jù)。 為了更好的進(jìn)行電脈搏測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)，在近一個(gè)學(xué)期的時(shí)間里，認(rèn)真收集有關(guān)資料，并做相關(guān)的整理和閱讀，為這次的設(shè)計(jì) 做好充分的準(zhǔn)備。由于時(shí)間比 較短，同時(shí)本人掌握的知識(shí)有限，本次設(shè)計(jì)雖已完成，但其中有很多不足，如程序不夠簡(jiǎn)練，論文說明書不夠好，光電傳感器靈敏度不夠高，數(shù)碼管顯示部分不夠完美等，同時(shí)此次設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x功能比較單一，沒有如語(yǔ)音系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)讀出脈搏次數(shù)等人性化功能，且在設(shè)計(jì)過程中使用的運(yùn)放數(shù)量也較多，加大了電源管理的復(fù)雜度。重點(diǎn)介紹了單片機(jī)的最 小系統(tǒng)，通過單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)