【正文】 性。 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 目前，基于人們對健康的追求，國內(nèi)外越來越多的人都在致力于人體檢測器件的相關研究和開發(fā)，在解決人體無創(chuàng)傷檢測方面也取 得了卓有成效的成就，在很多中外學者的研究論文中，都有對脈搏測量儀的相關研究和而且也取得了一定的突破。早在 80 年代研制的液態(tài)傳感器就是利用將單位長度管段動脈內(nèi)血液體積隨時間變化量轉(zhuǎn)換成導電液柱體電阻的該變量來測量脈搏波形。 在國內(nèi)，對脈搏信號監(jiān)測分析的研制和分析處理方法研究上 落后于以美國和德國為代表的西方國家，但隨著最近幾十年生物醫(yī)學的興起與發(fā)展，我們已經(jīng)逐步縮小與西方國家的差距，取得了很大的進步。 設計內(nèi)容 此次設計主要采用光電式脈搏傳感器，以 AT89C2051 單片機和 LM324 芯片為主要核心對人體的脈搏進行檢測，并通過 LED 數(shù)碼管來顯示人體一分鐘的脈搏震動次數(shù)，本文主要完成以下幾項工作： （ 1）根據(jù)基本原理設計出總體的框圖。 （ 5） 完成硬件調(diào)試和軟件仿真 。 在本次設計中，兩種傳感器都能達到設計預期的效果，即對脈搏的測量與顯示，但選擇不同的脈搏傳感器，會影響到后置電路的設計，在軟件設計方面也有所差別，現(xiàn)就針對兩種傳感器在本次設計中可能出現(xiàn)的影響進行方案論證。 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轉(zhuǎn)換成電信號，因壓電薄膜內(nèi)阻很高，而脈搏信號比較微弱，傳感器內(nèi)設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?。目前市面上的這種傳感器還加入了體溫測量功能，能在檢測人體脈搏的同時檢測人體的體溫。 圖 21 HK20xx 脈搏傳感器 采用光電式脈搏傳感器 根據(jù)朗伯 比爾（ LamberBeer）定律，物質(zhì)在一定波長處的吸光度和它的濃度成正比。 經(jīng)醫(yī)學臨床研究發(fā)現(xiàn)，在人體 手指 指尖組織中 ，分布著大量的毛細血管， 動脈成分含量高， 而且指尖相對于人體其他組織而言的厚度相對比較薄 ，透過手指后檢測到的光強相對 變化比 較大， 加上手指比較靈活，檢測起來比較方便， 因此 通常選擇人體指尖作為光電式脈搏傳感器的 測量部位來測量人體的脈搏數(shù)。而且這種傳感器的體溫檢測功能在本次設計中沒有得到體現(xiàn)，且它的價格比較昂貴。 哈爾濱工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文） 7 第 3 章 硬件電路設計 元器件介紹 AT89C2051 單片機 AT89C2051 是一個 CMOS 8 位單片機，具有高性能、低電壓的特點，其片內(nèi)含 2Kbt的可反復擦寫的只讀 Flash 程序存儲器 （ ROM） 和 128 bt 的數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）。在省電模式中，單片機所有將會功能停止工作，直至系統(tǒng)被硬件復位喚醒后方可繼續(xù)運行。 ③ P1 口： P1 口是一個完整的 8位雙向 I/O 口。當 P1 口引腳寫入“ 1” 時，就可用作輸入端，當引腳 ~ 用作輸入并被外部設備拉低時，它們將因內(nèi)部的上拉電阻作用而輸出電流。當 P3 口寫入“ 1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。 當 RST 變成高電平 時，單片機 所有的 I/O 口 引腳就 被 復位到“ 1” 。 ⑦ XTAL2：反相放大器 和 振蕩器 的輸出端口 。 AT89C2051具有 以下標準功能： 2K 字節(jié)閃速記憶體， 128字節(jié) 數(shù)據(jù)存儲器 RAM，15個雙向 I/O 口，兩個 16位定時器，一個 兩級 五矢量中斷結構，一個全雙工串行 接 口，一個精密模擬比較器以及兩種可選的軟件節(jié)電工作方式。 其價格便宜， 與單電源應用場合的標準運算放大 器相比， 具有很多 優(yōu)點。兩個信號輸入端中， Vi為反相 信號 輸入端，表示該輸入端 與 運放輸出端 Vo 的信號的位相反； Vi+為同相 信號 輸入端，表示該輸入端 與 運放輸出端 Vo 的信號的相位相同。 7809 和 7805 簡介 （ 1） 7089簡介 7809系 列為 3端正穩(wěn)壓電路 元器件 ,采用 TO220封裝 技術 ， 可以為不同的元器件 提供 不同的 固定輸出電壓 ，從而在電路設計方面得到了廣泛的應用 。 7809外 形引腳圖如圖 35所示，三個引腳從左到右依次是輸入引腳 （ INPUT） 、接地引腳 （ GND） 、輸出引腳 （ OUTPUT） 。當輸出電流較大時， 7805應配上散熱板。 圖 37 硬件整體電路圖 哈爾濱工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文） 14 脈搏信號采集電路 脈搏采集由自制光電式脈搏傳感器電路實現(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 38 所示。 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而改變的，也就是光電管接收到得光信號是隨心臟跳動的改變而改變得，接收到的光信號被轉(zhuǎn)換成的電信號也隨光信號的改變而改變，因此 此信號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)換成脈沖并進行整形、計數(shù)和顯示，就能實現(xiàn)實時檢測 人體 脈搏次數(shù)的目的。脈沖調(diào)制傳送的是調(diào)制信號的采樣值，只要采樣頻率是奈奎斯特采樣頻率，就可以用采樣脈沖來恢復原來的脈搏信號，而不會導致信號失真。脈搏信號處理電路如圖 39 所示。 哈爾濱工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文） 17 脈搏信號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（當人進入睡眠狀態(tài)時脈搏一般在 50 次 /分左右；當人體進行激烈的運動過程中，脈搏會達到 200 次 /分左右），其所對應的脈搏波的頻率范圍通常在 ~，因此經(jīng)紅外檢測采集并轉(zhuǎn)換得到的電信號頻率往往非常低。另外 ，為了防止前面對于高頻干擾 的 濾除 過程不夠徹底影響到后面的電路的實現(xiàn)， 電路中還設計連接了由 LM324_a、R1 C1 組成的截止頻率為 10Hz左右的低通濾波器電路，以便進一步 濾除干擾，同時將前面的 檢測到得脈搏 信號放大 200 倍左右。接下來，從 LM324_b 的 7引腳輸出的方波信號經(jīng) C R17 構成的微分電路進行微分處理后 就能得到 正負相間的尖脈沖 信號 。這 20ms 的脈沖時間是與脈搏 脈沖 同步的，這種脈沖在電路工作時是與紅色發(fā)光二極管 D2的閃爍情況相對應的。 單片機控制顯示電路 此部分電路主要由 AT89C2051單片機 、 7段 4位數(shù)碼管顯示器、 12MHz 的晶振電路哈爾濱工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文） 18 以及復位電路 等 幾個部分組成。因此，每次脈沖下降沿到達 單片機 時，單片機 就會 被觸發(fā)并產(chǎn)生中斷進行計時 ； 而當下一次脈沖的下降沿到達時，單片機就對兩次脈沖間的時間間隔進行運算，運算的結果就是心率。 哈爾濱工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文） 20 第 4 章 軟件設計 系統(tǒng)總體軟件流程 本次設計的主體部分主要由硬件實現(xiàn)，軟件部分的主要作用在于開機初始化單片機，一分鐘方波個數(shù)的客觀計算，數(shù)碼管動態(tài)掃面顯示 等。程序中用變量 m對脈搏信號個數(shù)計數(shù)，用 n變量對時間計數(shù)。定時器 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)。從軟件需求和單片機速度出發(fā)，將 ADC 采樣率 fs 設定為 ，為便于計算，將過采樣倍數(shù) k 設定為 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。定時器 2 是一個具有 16 位自動重裝載功能的定時器，作定時器用時， TH2 和 TL2 計的是機器周期數(shù)， TH2 和 TL2 內(nèi)容的自動重裝載通過寄存器 RCAP2H 和 RCAP2L 來實現(xiàn)。中斷程序中的數(shù)字處理包括如 下步驟： (1) 將脈沖載波的高電平時段內(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)輸出率輸出的一個數(shù)據(jù)點。從 0000H 開始，在 60 個樣本數(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波峰，采用軟件計數(shù)器計算兩者間的距離即其點數(shù)，然后按照脈率計算公式：脈率＝采樣頻率 /相鄰兩波峰 60 ＝ 50 60/相鄰兩波峰，計算出脈率，并將其存儲。仿真達到預期的效果以后，就能根據(jù)仿真電路圖焊接實物。 哈爾濱工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文） 24 圖 52 Keil 啟動界面 圖 53 Keil 編輯界面 通過 Keil編輯程序，并對程序進行運行、調(diào)試生成 hex 文件 ,其具體步驟如下： （ 1）新建一個工程：單擊 Project 菜單，在彈出的下拉菜單中選擇 New Project 選項如圖 54 所示： 圖 54 新建工程窗口 哈爾濱工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文） 25 （ 2）將新建工程保存到新建文件夾 中，工程命名為 maibo，在彈出的對話框中選擇單片機型號為 AT89C2051，點擊確定按鈕， Keil界面如圖 55 所示： 圖 55 工程建立完成界面 （ 3）點擊 file， 在 file 菜單下選擇 new，建立一個新的文檔窗口，先保存一個空白文件，在菜單上的 file 的下拉菜單中選中 Save as 選項單擊，將空白文件保存到新建文件夾中命名為 點擊保存按鈕，回到編輯界面后，單擊 Target 1 前得 +號，然后再 Source Group1 上點擊右鍵，在彈出的下拉菜單中點擊 Add File to Group 39。 圖 58 Target1 屬性界面 哈爾濱工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文） 27 Protues 軟件仿真 由于在采集信號時是將手指插入傳感器中進行信號采集，由于在 Protues 中找不到能夠代替手指的原件，所以仿真采用模擬仿真的形式。雖然目前國內(nèi) 推廣使用時間比較短 ，但已受到 廣大 單片機愛好者、 以及 從事單片機教學的 教師和 致力于單片機開發(fā)應用的 學者 的青睞。 Proteus 三 大功能模塊 ： （ 1）能夠 PROSPICE 混合模型的 SPICE 仿真。 （ 2）對 SPICE 電路進行仿真?？梢苑抡?C51 系列、 AVR、 PIC 等常用的一些單片機 及其外圍電路 。在理論上同一哈爾濱工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文） 28 種儀器可以在一個電路中隨意的調(diào)用，比較方便 同時節(jié) 省 了大量的 時 間。這些模擬的儀器儀表具有理想的參數(shù)指標， 例如有比較高的輸入阻抗、比較低的輸出阻抗。 由于輸入單片機的信號就是單一的方波信號，所以就不涉及到放大、濾波、檢波等步驟，于是就省去了放大電路、濾波電路和檢波電路，整個仿真過程其實就是對系統(tǒng)軟件的仿真，也就是對顯示部分電路的仿真，導致了仿真電路與前面顯示的圖 51中 Proteus整體電路圖出現(xiàn)了一定的差別，但是仿真電路中所用 到得程序和實物中是同一個程序，而且仿真中數(shù)碼管顯示結果和實物中數(shù)碼管顯示的結果是一樣的，也就是說仿真達到了預期的效果，這樣的仿真是可行的。當前比較流行的 Protel 9 Protel 99 SE，就是它的前期版本。 Protel DXP 20xx 新特點： （ 1） 超強設計功能 ① 畫 尺寸線工具 ： Protel DXP 20xx 提供了超強的一組尺寸線 繪制 工具， 該工具 在移動時會自動修正尺寸，這對于 PCB 中一些層的定義有很大的幫助。雖在先前版本的 Schematic 中就已提供定義電路板的功能，可是都沒有實際的作用。 ② 多屏幕顯示模式 ：設計者可以根據(jù)自己的需求，打開多個窗口在不同的屏幕上哈爾濱工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文） 31 顯示同一個文件。 （ 3） 元件硬件 ① 重復式設計 ： Protel DXP 20xx 具有 重復式設計 功能 ， 與 重復層次式電路設計 有相似之處 ，只要設計 電路圖中的 其中一部分，就象有很多相同電路圖一樣 ， 即可以多次使用該電路圖。 ③ 整合式的元件與元件庫 ： 在 Protel DXP 20xx 中采用整合式的元件 與元件庫， 在一個元件里連結了 SI 元件模型 、 SPICE 元件模型、元件包裝 以及 元件符號。 ② 強化模型整合 ： 在 Protel DXP 20xx 中提供了高速整合的元件，元件包括信號分析的模型， 這種模型整合功能使 設計者不必再為元件問題 感到 煩惱了。 （ 5） 板層分割焊接 ① 加強焊點堆棧的定義 ：為了使 設計者可以存儲所定義的焊點堆棧以供日后再使用 ，Protel DXP 20xx 板增強了焊點堆棧的定義與管理 功能。 PCB 板生成過程 首先打開 Protel DXP 20xx 軟件，新建一個工程，在工作區(qū)界面里面添加電路圖中的元器件，按照電路原理圖將各元器件的對應引腳連接起來，確定封裝和接線無誤之后，就可以生成網(wǎng)絡報表，在報表中沒有出現(xiàn)錯誤，就能生成 PCB 板了。 ② 改良焊點連接線 ：為了使 自動布線后焊點連接更