【正文】 使用環(huán)境污染少，容易維護。 目前很多脈搏測量儀都具有檢測血氧等其他的功能，但是對這些信號的分析和診斷還需要一些有經(jīng)驗的醫(yī)生觀察，進行分析后才能確認結(jié)果，浪費大量的人力，且由人為引入的誤差較大。數(shù)字信號處理的運用將使干擾更小，測量更為準確。 通過脈搏傳感器采集脈搏信號， 由脈搏信號（非電量）變成微弱的電信號，經(jīng)過放大電路、濾波電路和整形電路后，變成脈沖輸入單片機計數(shù)，算出脈率 并輸出到數(shù)碼管顯示。當選用電極傳感器時 ,需要 3個電極分別置于左右手和左腿 ,構(gòu)成標準導(dǎo)聯(lián)。 （ 2）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，采用光電效應(yīng)手指脈搏傳感器來拾取脈搏信號。 采用紅外對管。 接收的是血液漫反射回來的光，此信號可以精確地測得血管內(nèi)容積變化。 檢測距離長，對檢測物體的限制少，響應(yīng)時間短，可實現(xiàn)非接觸的檢測，可實現(xiàn)顏色判價格便宜，使用壽命長 。 （ 3）集成式 : 優(yōu)點 :集成度高 ,包含了濾波 ,放大電路 ,可以直接輸出信號 ,便于操作 ,有效的減少了各種干擾。 單片機的選擇 本設(shè)計作為一個簡單脈搏測量儀，最后需給出脈搏波動頻率。相對于出現(xiàn)較早也較為成熟的 51系列單片機， AVR 系列單片機片內(nèi)資源更為豐富，接口也更為強大，同時由于其價格低等優(yōu)勢，在很多場合可以替代 51系列單片機。micro。micro。’nSP 內(nèi)核為中心集成不同規(guī)模的 ROM PAM 和功能豐富的各種外設(shè)部件。除此之外的其它功能模塊均為可選結(jié)構(gòu)?！痭SP 家族有有以下特點：體積小 ，集成度高，可靠性好易于擴展。內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，因為減少了各功能部件之間的連接，提高了其可靠性和抗干擾能力，另外，模塊化的結(jié)構(gòu)易于系列的擴展，以適應(yīng)不同用戶的需求。 如 SPCE061 等。 51單片機是基礎(chǔ)入門的一個單片機，還是應(yīng)用最廣泛的一種。但是其功能相對較少，訪問外部數(shù)據(jù)有瓶頸，作電壓范圍窄。 AT89S51 就是其中一款，它可以完全滿足本設(shè)計的設(shè)計要求，而且， AT89S51 的價格較低。因此還需要另一個放大器。對于不同的頻率范圍，有三種不同的測量方法。 （ 2）多周期同步法：適用于中頻信號。 人體脈搏波動頻率一般為 60～ 80 次 /min，其頻率成分主要分布在 0～ 20Hz 之間，屬于次聲，最高頻率不超過 40Hz，一般情況下為 1Hz左右，屬于低頻信號。 （ 2）中斷方式： CPU 無需檢測外設(shè)是否數(shù)據(jù)準備就緒，不占據(jù) CPU 時間，因此 CPU與外設(shè)并行工作，提高了 CPU 的工作效率，還滿足了外設(shè)的實時要求。 人體脈搏信號從時域上看，是一個周期性較強的準周期信號。它具有： 電參數(shù) (VDD= 10%,VSS=0V,Ta=25 ) 顯示內(nèi)容： 16 字符 x 2 行 字符點陣： 5 x 8 點 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 12頁 共 46頁 驅(qū)動方式： 1/16D 可供型號： TN STN(黃綠?；夷：诎?模 ) 反射型帶 EL或 LCD 背光源 LCD 常用顯示方法有兩種：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。 （ 2）動態(tài)掃描顯示：所謂動態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點亮顯示器各個位（掃描），對于顯示器的每一位來說，每隔一段時間點亮一次。 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 13頁 共 46頁 4 基本 元器件介紹 AT89C51 介紹 AT89C5l 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器 (PEROM)和 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲單元，功能強大 AT89CSl 單片機可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。耐久性： 1,000 寫／擦除周期 128 8 位內(nèi)部 RAM 可編程串行 UART 通道 如圖 所示。 圖 AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 15頁 共 46頁 AT89C51 的引腳說明 AT89C2051是一個有 20個引腳的芯片 ,與 8051內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行對比可發(fā)現(xiàn) ,AT89C2051減少了兩個對外端口（即 P0、 P2 口） ,使它最大可能地減少了對外引腳 ,因而芯片尺寸有所減少。口引腳 ～ 提供內(nèi)部上拉電阻。當 P1 口引腳寫入“ 1”時 ,其可用作輸入端。 用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號并且它作為一通用 I/O 引腳而不可訪問。 P3 口還用于實現(xiàn) AT89C2051 的各種功能 ,如下表 101所示。當振蕩器正在運行時 ,持續(xù)給出 RST 引腳兩個機器周期的高電平便可完成復(fù)位。 端口引腳 功能 RXD(串行輸入端口 ) TXD(串行輸出端口 ) 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 16頁 共 46頁 INT0(外中斷 0) INT1(外中斷 1) TO(定時器 0外部輸入 ) T1(定時器 1外部輸入 ) 表 P3口的功能 從上述引腳說明可看出， AT89C2051 沒有提供外部擴展存儲器與 I/O 設(shè)備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號 ,因此利用 AT89C2051 構(gòu)成的單片機應(yīng)用系統(tǒng)不能在 AT89C2051 之外擴展存儲器或 I/O 設(shè)備，也即 AT89C2051 本身即構(gòu)成了最小單片機系統(tǒng)。 圖 復(fù)位電路圖 C30 .4 7 u fR11kG NDV C CSs w P B中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 17頁 共 46頁 光電傳感器簡介 光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此 ,光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應(yīng)用。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只圖 振蕩電路圖 C13 0 p FC23 0 p FX T A LX T A L21X L A L 1X T A L 2中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 18頁 共 46頁 是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積， PN結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負載電阻相串聯(lián)，當無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很小，稱為光敏二極管的暗電流；當有光照時，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子 空穴，稱為光電載流子。光敏三級管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個極 —— 發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。 光電傳感器檢測原理 檢測原理是 : 隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變：當血液送到人體組織時，組織的半透明度減小，當血液流回心臟，組織半透明度則增大；這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 19頁 共 46頁 LED 的綜述 在單片機的應(yīng)用系統(tǒng)中，為了便于人們觀察和監(jiān)視單片機的運行情況，常常需要用顯示器顯示運行的中間結(jié)果、狀態(tài)等信息，因此顯示器也是不可缺少的外部設(shè)備之一。但顯示內(nèi)容有限，不能顯示圖形，因而其應(yīng)用有局限性。共陰極 LED 數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管陰極，通常接地，當發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮。 圖 4位數(shù)碼管引腳分布圖 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 20頁 共 46頁 LED 數(shù)碼管的顯示方法 靜態(tài)顯示方式是指當顯示器顯示某一字符時，發(fā)光二極管的位選始終被選中。其不足之處是占用硬件資源較多，每個 LED 數(shù)碼管需要獨占 8條輸出線。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 21頁 共 46頁 5 脈搏監(jiān)測系統(tǒng) 基本結(jié)構(gòu)模塊 設(shè)計 脈搏波檢測電路 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 。反之，R21 過小，通過的電流偏大，紅外接收三極管也不能準確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。二是有脈期。 放大器的介紹 LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下， 電源圖 信號采集電路 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 23頁 共 46頁 電流與電源電壓無關(guān)。15V) 低功耗電流，適合于電池供電 低輸入偏流 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流 共模輸入電壓范圍寬，包括接地 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍 輸出電壓擺幅大 (0 至 ) 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 24頁 共 46頁 圖 LM358示意圖 每一組運算放大器可用圖 所示的符號來表示，它有 5 個引出腳，其中“ +”、“ ”為兩個信號輸入端，“ V+”、“ V”為正、負電源端，“ Vo”為輸出端。所以設(shè)計時考慮兩級放大 ,第一級采用 LM358,放大倍數(shù)由公式大約放大 100 倍左右。 （ 1）方案選擇： 方案一：無源濾波器 采用 RC 低通濾波器。由于主要的干擾出現(xiàn)在 50HZ 左右，所以在截止頻率較低時，采用二階濾波器即可達到很好的濾波效果。 由下列公式 21211 CCRRn ?? （式 ） 212111212 )1()( CCRR RCARRC ????? （式 ） 311 RRA ?? （式 ） 12 kCC? （式 ） ???????? ????? 2021 14112 ??? kAkCR （式 ） 2202111 RkCR ?? （式 ） )( 214 RRAR ?? （式 ） 143 ??ARR （式 ） 當截止頻率為 10hz 時， n? =20π。電容的取值參考 表中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 28頁 共 46頁 。 運放 U2A 將信號放大，放大倍數(shù)由 R1和 R2 的比值決定。 圖 整形電路 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 30頁 共 46頁 定時記數(shù)電路的設(shè)計 在這里，單片機要實現(xiàn)對脈搏信號的處理。 圖 單片機計數(shù)電路 顯示電路的設(shè)計 脈搏信號經(jīng)過單片機處理，得到脈搏波動頻率之后，需要在顯示電路中直觀地顯示出來。 數(shù)碼管顯示電路如圖 。 T0,T1 中斷請求來自于輸入單片機中頻率為 1Hz 的脈沖信號。 圖 中斷程序流程圖 顯示程序的設(shè)計 本次設(shè)計顯示的內(nèi)容是被測量者一分鐘的脈搏次數(shù)。 由于在系統(tǒng)設(shè)計中采用模塊化設(shè)計，所以方便了對各電路功能模塊的逐級測試。 圖 脈搏信號仿真 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 36頁 共 46頁 一級放大電路 信號經(jīng)一級放大電路后，反向放大， 輸入電壓幅值為 ，輸出電壓幅值為， 放大倍數(shù)為 100 倍， 和設(shè)置的基本一致。 圖 單片機仿真電路 圖 脈搏次數(shù)顯示 本次仿真中，使用了五個不同頻率的脈沖輸入，分別測試一分鐘的脈沖數(shù)，驗中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 39頁 共 46頁 證程序的準確性，仿真數(shù)據(jù)如表 。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。利用單片機自身的定時中斷、外部中斷、計數(shù)等功能。 為了更好的進行電脈搏測量儀的設(shè)計，在近一個學(xué)期的時間里，認真收集有關(guān)資料，并做相關(guān)的整理和閱讀，為這次的設(shè)計做好充分的準備。（ 4）通過次次的設(shè)計，使我體會到堅持不懈的毅力對完成一件事情起著巨大的作用。在這個大家庭里，我和其他的同學(xué)共同生活，共同學(xué)習(xí)。你們的諄諄教誨使我有志于在本專業(yè)繼續(xù)深造。他們一如既往的支持，是我前