【正文】 的脈搏信號。 8 光電 傳感器的原理 根據(jù)朗伯一比爾 (Lamber— Beer)定律，物質(zhì)在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比。 XTAL2： 振蕩器反相放大器的輸出端。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的 PSEN信號不出現(xiàn)。當(dāng)振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。對端口寫 “ 1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時 ，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流 。 Pl 口： P1 是 — 個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動 (吸收或輸出電流 )4 個 TTL 邏輯門電路。 AT89C51 的特點 （ 1） 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 （ 2） 4k 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲器 （ 3） 1000 次擦寫周期 （ 4） 全靜態(tài)操作： OHz24MHz （ 5） 三級加密程序存儲器 （ 6） 128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM （ 7） 32 個可編程 I／ O 口線 （ 8） 2 個 16 位定時／計數(shù)器 （ 9） 6 個中斷源 （ 10） 可編程串行 UART 通道 （ 11） 低功耗空閑和掉電模式 AT89C51 的結(jié)構(gòu) 此次設(shè)計所使用的 AT89C51 的封裝形式是 DIP40。 （ 5） 由于結(jié)構(gòu)簡單，因此體積小、重量輕 、性價比優(yōu)越 。 光電 脈搏測量儀 的特點 與傳統(tǒng)的 脈搏測量儀 相比， 光電式脈搏測量儀 具有以下特點 ： （ 1） 測量的探測部分不侵入機(jī)體，不造成機(jī)體創(chuàng)傷，通常在體外。 脈搏測量儀硬件框圖如下 圖 所示： 4 圖 脈搏測量儀的工作原理 當(dāng)手指放在紅外線發(fā)射二極管和接收三極管中間，隨著心臟的跳動，血管中血液的流量將發(fā)生變換。 （ 3） 單片機(jī) 電路 即利用單片機(jī)自身的定時中斷計數(shù)功能對輸入的 脈沖電平 進(jìn)行運(yùn)算得出心率 （包括AT89C5外部晶振、外部中斷等）。 光電脈搏測量儀 的結(jié)構(gòu) 光電脈搏測量儀是利用光電傳感器作為變換原件，把采集到的用于檢測脈搏跳動的紅外光轉(zhuǎn)換成電信號，用電子儀表進(jìn)行測量和顯示的裝置。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài) (波形 )、強(qiáng)度 (波幅 )、速率 (波速 )和節(jié)律 (周期 )等方面的綜合信息，在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征 ,因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價值和應(yīng)用前景。具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、精度高、可重復(fù) 使用 等優(yōu)點。但因耳脈較弱，尤其是當(dāng)季節(jié)變化時，所測信號受環(huán)境溫度影響明顯，造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確。 目前脈搏測量儀在多個 領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用， 除了應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如無創(chuàng)心血管功能 2 檢測 、 妊高癥檢測 、 中醫(yī)脈象 、 脈率檢測等等 ，商業(yè)應(yīng) 用也不斷拓展，如運(yùn)動 、 健身器材中的心率測試都用到了 技術(shù)先進(jìn)的 脈搏測量儀。為了提高脈搏測量的精確與速度，多種脈搏測量儀被運(yùn)用到醫(yī)學(xué)上來，從而開辟了一條全新的醫(yī)學(xué)診 斷方法。脈診的這種定性化和主觀性，大大 影響了其精度與可行性，成為中醫(yī)脈診應(yīng)用、發(fā)展和交流中的制約因素。脈診是我國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中最具特色的一項診 斷方法，其歷史悠久，內(nèi)容豐富，是中醫(yī) “ 整體觀念 ” 、 “ 辨證論證 ” 的基本精神的體現(xiàn)與應(yīng)用。 關(guān)鍵詞 ： 脈搏計數(shù) ； 51 單片機(jī)； 光電傳感器 II Abstract Pulse measuring instrument has been widely used in our daily life. In order to increase its simplicity and accuracy, this subject designs one system based on singlechip microputer and infrared light emitting diode and photo transistor as sensors, and calculates time with using of the inner timer. The sensor produces pulse and the singlechip microputer gets the frequency by accumulating the pulses, and the timer obtains the time. The system could display the frequency and time of the pulse during operation. It can also shows the total number when it stops. After testing, the system works well and meets the design requirements. Keywords ： Pulse measurement。 為了提高脈搏測量 儀的 簡便性和 精確 度 ， 本課題設(shè)計 了一種 基于 51單片機(jī) 的脈搏測 量儀 。 系統(tǒng)以 AT89C51單片機(jī)為核心 ，以紅外發(fā)光二極管和光敏三極管為 傳感器 ，并利用單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部定時器來計算時間， 由光敏三極管感應(yīng)產(chǎn)生脈沖，單片機(jī)通過對脈沖累加得到脈搏跳動次數(shù)，時間由定時器定時而得 。 AT89C51 singlechip microputer。脈診作為 “ 綠色無創(chuàng) ” 診斷的手段和方法，得到了中外人士的關(guān)注。為了將傳統(tǒng)的中醫(yī)藥學(xué)發(fā)揚(yáng)光大，促進(jìn)脈診的應(yīng)用和發(fā)展，必須與現(xiàn)代科技相結(jié)合，實現(xiàn)更科學(xué)、客觀的診斷。 早在 1860 年 Vierordt 創(chuàng)建了第一臺杠桿式脈搏描記儀，國內(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。 脈搏測量儀的發(fā)展與應(yīng)用 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測 量 技術(shù)也越來越先進(jìn)，對脈搏的測 量 精度也越來越高，國內(nèi)外先后研制了不同類型的脈搏測量儀，而其中關(guān)鍵是對脈搏傳感器的研究。 過去在醫(yī)院臨床監(jiān)護(hù)和日常中老年保 健中出現(xiàn)的日常監(jiān)護(hù)儀器，如便攜式電子血壓計，可以完成脈搏的測量 ,但 是這種便攜式電子血壓計利用微型氣泵加壓橡膠氣囊，每次測量都需要一個加壓和減壓的過程，存在體積龐大、加減壓過程會有不適、脈搏檢測的精確度低等缺 點。通過光電式脈搏傳感器所研制的脈搏測量儀已經(jīng)應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)等各個方面并收到了理想效果。但人體的生物信號多屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻的弱信號 , 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號 ,因此 必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求。本系統(tǒng) 的組成包括 光電傳感器 、 信號處理 、 單片機(jī)電路 、數(shù)碼 顯示 、電源等部分。 （ 4） 數(shù)碼顯示 即把單片機(jī)計 算得出的結(jié)果用 8 位 LED 數(shù)碼管靜態(tài)掃 描來顯示，便于直接準(zhǔn)確無誤的讀出數(shù)據(jù)。由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液飽和程度的變化將引起光的強(qiáng)度發(fā)生變 化，因此和心跳的節(jié)拍相對應(yīng)，紅外接收三極管的電流也跟著改變，這就導(dǎo)致紅外接收三極管輸出脈沖信號。 （ 2） 傳感器可重復(fù)使用且速度快 ，精度高。 （ 6） 測量的 有效范圍為 50 次 300 次 /分鐘。如圖 所示 。對端口寫 “ 1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。 P3 口 ： ① 可以作為輸入 /輸出口， 外接輸入 /輸出設(shè)備。 ALE/PROG： 當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE(地址鎖存允許 )輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。 EA／ VPP： EA ＝ 0，單片機(jī)只訪問外部程序存儲器。 脈搏信號采集 目前脈搏波檢測系統(tǒng)有以下幾種檢測方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應(yīng)變式脈搏傳感器。當(dāng)恒定波長的光照射到人體組織上時，通過人體組織吸收、反射衰減后 ， 測量到的光強(qiáng)將在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。 光電 傳感器的結(jié)構(gòu) 傳感器由紅外發(fā)光二級管和紅外接收三極管組成。 從光源發(fā)出的光除被手指組織吸收以外，一部分由血液漫反射返回， 其余部分透射出來。 結(jié)構(gòu)如圖 所示。 故只要把此電信號轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計數(shù)和顯示，即可實時的測出脈搏的次數(shù)。反 之， R21 過小，通過的電流偏大， 紅外接收 三極管 也不能準(zhǔn)確 地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。二是有脈期。 圖 脈搏仿真信號正弦波 放大 整形 電路 11 圖 放大整形電路 圖 為正弦信號通過放大整 形電路之后得到的方型波。 單片機(jī)對 十秒鐘 內(nèi)的脈沖 次數(shù) 進(jìn)行累加 并進(jìn)行計算得出所測人一分鐘的脈搏次數(shù) ，通過 P0、 P2 口把測量過程和結(jié)果 送到數(shù)碼管顯示出來。 LED 顯示器具有耗電省、成本低廉、配置簡單靈活、 13 安裝方便、耐振動、壽命長等優(yōu)點。在這種顯示方式下，每一個 LED 數(shù)碼管顯示器都需要一個 8 位的輸出口進(jìn)行控制。隨著顯示器位數(shù)的增加，需要的 I/O 口線也將增加。通過調(diào)整電流和時間參數(shù)，可以既保證亮度，又保證顯示。 15 圖 74LS246 結(jié)構(gòu)圖 74LS245 還具有雙向三態(tài)功能，既可以輸出，也可以輸入數(shù)據(jù)。 P0 口與 74LS245 輸入端相連 ,E 端 接地，保證數(shù)據(jù)線暢通。初始化程序主要完成對單片機(jī)內(nèi)專用寄存器、定時器工作方式及各端口的工作狀態(tài)的設(shè)定。當(dāng)定時器中斷開始執(zhí)行后，對 十秒 鐘開始計時， 50ms 計時到之后繼續(xù)檢開始 初始化 外部 中斷 計數(shù) 顯示程序 18 測下 50ms，直到 10s 到了再停止并保存測得的脈搏次數(shù)。 圖 定時器中斷程序流程圖 定時器 0 中斷進(jìn)入 定時器初始值設(shè)置 到 1S？ 到 10S？ 處于檢測？ 保存脈搏數(shù) 返回 繼續(xù)計時 按鍵檢測 N N Y Y Y 19 定時器中斷子程序 ： IE=0x8A。 while (1) { if(K1==0) { Delay(10)。i++) { P2=DSY_BIT[i]。外部中斷采用邊沿觸發(fā)的方式，當(dāng)處于測量狀態(tài)的時候，來一個脈沖脈搏次數(shù)就加一，由單片機(jī)內(nèi)部定時 20 器控制 十秒 鐘， 并通過計算 得出一分鐘內(nèi)的脈搏次數(shù)。 TH0=(6553650000)/256。 } } Tmp=TH1*256+TL1。 22 圖 顯示程序流程圖 顯示子程序 ： Tmp=TH1*256+TL1。 Disp_Buffer[1]=Tmp*6%100/10。 程序中對 前一次測量的脈搏 數(shù)據(jù)進(jìn)行了 自動保存 ， 并且用數(shù)碼顯示。 環(huán)境光對脈搏傳感器測量的影響 在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收 到的光信號不僅包含脈搏信息的透射光的信號，而且包含測量環(huán)境下的背景光信號，由于動脈波動引起的光強(qiáng)變化比背景光的變化微弱得多，因此在測量過程當(dāng)中要保持測量背景光的恒定，減少背景光的干擾。這是因為加指套式的脈搏傳感器中環(huán)境光在測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單一，所以得到的脈搏信號較為穩(wěn)定，沒有明顯的重疊雜波信號，能夠很好的體現(xiàn)出脈搏波形的特征。通常脈搏信號的頻率范圍在 － 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，這在信號調(diào)理電路中容易實現(xiàn)；同時可以在控制電路中對光源進(jìn)行脈沖調(diào)制，這樣不但能夠降低系統(tǒng)的功耗，而且能夠在一定程度 上減小外界的電磁干擾，在脈搏信號數(shù)據(jù)采集后，可以通過數(shù)據(jù)處理法方法進(jìn)一步濾除工頻信號的干擾。把手輕 輕置于右下角的傳感器中，以稍微有壓迫感為宜，這時很快就可以看到紅色發(fā)光二極管會伴隨你的脈搏而閃爍，讓你直觀的看到自己脈搏跳動的速度，按下復(fù)位鍵后單片機(jī)和顯示部分開始工作，單片機(jī)立刻開始計數(shù)，同時數(shù)碼管顯示出你的心率，非常方便 。斷開兩部分的連接點，先調(diào)試 MCU 部分。 （ 1） 放大倍數(shù)的增加 傳感器的輸出端經(jīng)示波器觀察有幅度很小的正弦波，但經(jīng)整形輸出后檢測到的脈沖還是很弱，在確定電路沒有問題的情況下，加強(qiáng)信號的放大倍數(shù)，調(diào)整電阻 R3 和 R5的阻值。 （ 5） 進(jìn)人測量狀態(tài) , 但測量值不穩(wěn)定 主要是光電傳感器受到電磁波等干擾 ， 其次是損壞或有虛焊。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過軟件方法來實現(xiàn)了。重點介紹了單片機(jī)的最小系統(tǒng)，通過單片機(jī)最小系統(tǒng) 實現(xiàn)了脈搏的測量 系統(tǒng)，由 光電傳感器 采集到脈沖信號， 經(jīng)過信號的放大、濾波和整形電路將輸出的信號 通過單片機(jī)的 外部 中斷獲取并最終在數(shù)碼管上顯示。然而科技的進(jìn)步勢必會使測量儀的功能日益強(qiáng)大和完善，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大，將會給我們的生活帶來更多的方便和精彩。（ 3）通過此次的設(shè)計，使我對硬件設(shè)計和各模塊的功能有了更深的了解，同時提高了動手能力。 uchar Disp_Buffer[]={0,0,0,0,0}。 void Delay(uchar x) { uchar i。 } void main() { ucha