【正文】 率的變化 ,且已包含了濾波等抗干擾電路 ,波形經(jīng)過放大可以直接處理使用。 缺點 :降低了本任務(wù)的難度 ,如果采用該傳感器，只需將其直接接上單片機即可實現(xiàn)功能，且價格非常昂貴。其特點是 高速度 (50ns)、低功耗 ,硬件應(yīng)用 Harward 結(jié)構(gòu)，具有預(yù)取指令功能，使得指令可以在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行，而 MSC51要 12個時鐘周期執(zhí)行一條指令?！痭SP 家族。以及這種結(jié)構(gòu)可大可小可有可無，借助這種通用結(jié)構(gòu)附加可選結(jié)構(gòu)的積木式的構(gòu)成，便可成為各種系列的派生產(chǎn)品，以適合不同場合，這樣做無疑會使每種派生產(chǎn)品具有更強的功能和更低的成本。具有較強的中斷處理能力。 51單片機是 INTEL 公司生產(chǎn)的。 信號調(diào)理電路的選擇 信號調(diào)理電路包括對信號的放大和濾波兩 個部分 [17][18]。 （ 1）周期測量法：適用于低頻信號。所以，本設(shè)計中選擇周期測量法。脈搏波動頻率一般為60～ 80次 /min。利用人的視覺暫留功能可以看到整個顯示，但必需保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。 ～ 6V 的操作范圍 直接 LED 驅(qū)動輸出 如表 所示： AT89C2051 芯片的主要引腳功能為： 1. Vcc：電源電壓。當(dāng)引腳 ～ 用作輸入并被外部拉低時 ,它們將因內(nèi)部的上拉電阻而流出電流 (IIL)。 P3 口還接收一些用于閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 復(fù)位電路 時鐘電路工作后，在 REST 管腳上加兩個機器周期的高電平，芯片內(nèi)部開始進行初始復(fù)位，如圖 ： 振蕩電路 本設(shè)計晶振選擇頻率為 12MHz，電容選擇 30pF 如圖 。近年來，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是 CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進一步應(yīng)用開創(chuàng)了新的一頁。為增大光照，基區(qū)面 積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。顯示器的種類很多，從液晶顯示、發(fā)光二極管顯示到 CRT 顯示器，都可以與微機配接。共陽極的 LED數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管的陽極，通常接 +5V 電源，當(dāng)發(fā)光二極管的陰極為低電平時，發(fā)光二極管點亮。隨著顯示 器位數(shù)的增加，需要的 I/O 口線也將增加。 采用發(fā)光二極管作為光源時，可基本抑制由呼吸運動造成的脈搏波曲線的漂移。 信號采集電路 圖 是脈搏信號的采集電路， U3 是紅外發(fā)射和接收裝置，由于紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強度就越大，所以對 R21 阻值的選取要求較高。當(dāng)有跳動的脈搏時，血脈使手指透光性變差，紅外接收三極管中的暗電流減小，輸出電壓上升。兩個信號輸入端中， Vi（ ）為反相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相反； Vi+（ +）為同相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相同。其電路如圖 所示，特點是電路簡單，阻帶衰減太慢，選中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 26頁 共 46頁 擇性較差。選擇α =√2，為 Butterworth 逼近方式。如圖 所示： 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 29頁 共 46頁 圖 二級放大電路 整形電路 由于單片機只能檢測到數(shù)字信號，因此，經(jīng)過信號調(diào)理電路后得到的模擬信號必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。所以，需要選用合 適的顯示設(shè)備及顯示電路，來實現(xiàn)對脈搏波動頻率信息的顯示。 T0 中斷開始執(zhí)行后 ， T1 檢測 代表的時間是否大于 60S，沒有大于 60S 則繼續(xù)檢測，大于 60S 則關(guān) T1,T0 中斷， 取出脈搏次數(shù)， 然后設(shè)計數(shù)結(jié)束的標(biāo)志為 1。 斷開兩部分的連接點，先調(diào)試 MCU部分。 表 仿真的數(shù)據(jù) 輸入脈沖頻率 實際脈沖次數(shù) /分 測得脈沖次數(shù) /分 相對 誤差 78 78 0 5Hz 300 300 0 10Hz 600 600 0 12Hz 720 720 0 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 40頁 共 46頁 8 總結(jié)和展望 單片機近 20年的飛速發(fā)展，儼然已成為計算機發(fā)展和應(yīng)用的一個重要方面。 本次所設(shè)計的測量儀系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、功能穩(wěn)定、使用方便，應(yīng)用廣泛，具有實際意義。（ 5）通過此次的設(shè)計，使我深刻的體會到團隊合作精神的重要性及相互討論過程中的樂趣。 感謝我的畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)老師 陳樹越 老師，您的指導(dǎo)和教誨將我領(lǐng)進了單片機這一扇大門。 感謝我的各位專業(yè)授課老師，正是你們的辛勤工作，使我對本專業(yè)產(chǎn)生了濃厚的興趣，而且學(xué)到了很多的知識，掌握了很多的方法。（ 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。重點介紹了單片機的最小系統(tǒng)，通 過單片機最小系統(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的外部中斷獲取并最終在數(shù)碼管上顯示。 圖 整形電路輸出信號 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 38頁 共 46頁 單片機電路仿真 在單片機部分仿真時， INT0 腳 接一個脈沖信號發(fā)生器，設(shè)置頻率為 ， 單片機仿真電路如圖 ， 測試顯示脈沖次數(shù)如圖 。 N Y T0中斷入口 T1代表的時間≥關(guān) T T0中斷 設(shè)計數(shù)結(jié)束的標(biāo)志為 1 結(jié)束 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 34頁 共 46頁 圖 顯示程序流程圖 顯示子程序 取結(jié)果 顯示測試中的脈搏數(shù) 延時 返回 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 35頁 共 46頁 7 系統(tǒng)仿真調(diào)試 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，本系統(tǒng)的調(diào)試可分為兩大部分：模擬部分和純 MCU部分 。 圖 主程序流程圖 Y N 開始 初始化 設(shè)置 T0、 T1值為 0 按鍵按下 開 T0,T1中斷 計數(shù)結(jié)束標(biāo)志=1？ 算出脈搏頻率 送顯示 結(jié)束 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 33頁 共 46頁 定時器 /計數(shù)器中斷程序流程的設(shè)計 T0是 計數(shù)器 ， T1 是 定時器 。 單片機定時計數(shù)電路如圖 所示。 圖 二階濾波器 第二級 放大電路 經(jīng)過第一級放大電路，二階低通濾波電路后，放大倍數(shù)為 160 倍左右，考慮到整形電路輸入電壓不能高于 5V，第二級放大電路放大倍數(shù)選擇 50 倍，輸出電壓在 左右，符合要求。 圖 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 27頁 共 46頁 圖 幅頻特性 （ 3）方案確定 由于使用二階有源濾波器能夠很好的實現(xiàn)系統(tǒng)的濾波目的，所以選擇使用方案二，即二階有源濾波器。在這個系統(tǒng)中最大的干擾就是來自市電的 50HZ 干擾信號，考慮到有些病人在患病時可能會出現(xiàn)較高的脈搏，因此在設(shè)計濾波器的截止頻率在 10HZ 左右，這樣不但能保證不濾去脈搏信號，而且能很好的將干擾濾去。 一 177。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，會造成輸出電壓略低。因此 本系統(tǒng)采用了指套式的透射型光電傳感器 , 實現(xiàn)了光電隔離 ,減少了對后級模擬電路的干擾。 通過比較，我們可以發(fā)現(xiàn) LED 動態(tài)顯示更加適合本設(shè)計，所以就采用此方法。靜態(tài)顯示主要的優(yōu)點是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導(dǎo)通電流一定的情況下顯示器的亮度大，系統(tǒng)運行過程中，在需要更新顯示內(nèi)容時， CPU 才去執(zhí)行顯示更新子程序，這樣既節(jié)約了 CPU的時間，又提高了 CPU的工作效率。七段 LED 數(shù)碼管顯示器有 8 個發(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)字或字符， Dp 顯示小數(shù)點。故只要把此電信號轉(zhuǎn)換成脈沖并進行整形、計數(shù)和顯示，即可實時的測出脈搏的次數(shù)。 光敏三極管 光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。 7. XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。用作輸入時 ,被外部拉低的 P3口引腳將用上拉電阻而流出電流 (IIL)。 P1口輸出緩沖器可吸收 20mA 電流并能直接驅(qū)動 LED 顯示。 此外 ,從 AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖也可看出 ,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與 8051內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致（除模擬比較器外） ,引腳 RST、 XTAL XTAL2 的特性和外部連接電路也完全與 51系列單片機相應(yīng)引腳一致 ,但 P1口、 P3 口有其獨特之處。六個中斷源 2K 字節(jié)可重編程閃速存儲器 靜態(tài)顯示適用于顯示器位數(shù)較少時。所以，需要選用合適的顯示設(shè)備及顯示電路，來實現(xiàn)對脈搏波動頻率信息的顯示。充分利用單片機內(nèi)的兩個定時 /計數(shù)器，一個作為定時器，給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號，另一個作為計數(shù)器?？梢钥闯鰷y量 fx 必須將 N 或 t 兩個量之一作為閘門或基準(zhǔn)，對另一個量進行測量。 在 51 系列單片機中， AT89 系列單片機是美國 ATMEL 公司推出的一種新型高性能低價位、低電壓低功耗的 8位 CMOS 微型計算機。目前很多公司都有 51 系列的兼容機型推出，中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 10頁 共 46頁 在目前乃至今后很長的一段時間內(nèi)將占有大量市場。’nSP 家族把各功能把各功能部件模塊化地集成在一個芯片里。’nSP 內(nèi)核是一個通用的和結(jié)構(gòu)?！痭SP 所形成的 16 位 u’nSP 系列單片機，以下簡稱 amp。 1997 年 ,由 ATMEL 公司 挪威 設(shè)計中心的 A先生與 V 先生利用 ATMEL 公司的 Flash 新技術(shù) , 共同研發(fā)出 RISC 精簡指令集的高速 8中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 9頁 共 46頁 位單片機，簡稱 AVR。并且容易受到外界其他信號的干擾。現(xiàn)在市場上的心率計普遍采用這種傳感器來采集信號，因為此紅外管接收和發(fā)射都在手指的同一側(cè)，因此便不用考慮每個人手指情況不同所 造成的中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 8頁 共 46頁 麻煩。當(dāng)手指前端受到輕微的壓力時，可以感覺到手指前端在血壓的作用下有一張一弛的感覺，將這個信號用傳感器提取出來，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，通過指脈的波形檢測，就可以獲得人體的脈搏信號。 本設(shè)計采用單片機 AT89C51為控制核心，實現(xiàn)脈搏測量儀的基本測量功能。 脈搏測量儀的發(fā)展主要向以下幾個趨勢發(fā)展： （ 1）自動測量脈搏并且對所得到的脈搏進行自動分析。 5. 電源 即向 傳感器、信號處理、單片機提供的電源，可以是 5V9V的交流或直流的穩(wěn)壓電源。硬件的設(shè)計包括了各功能模塊的方案論證和電路設(shè)計， 各模塊硬件電路調(diào)試和總體調(diào)試。 其中光電式脈搏傳感器是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器，通過對手指末端透光度的監(jiān)測，間接檢測出脈搏信號。脈象探頭式樣很多，有單部、三部、單點、多點、剛性接觸式、軟性接觸式、氣壓式、硅杯式、液態(tài)汞、液態(tài)水、子母式等組成 ,脈象探頭的主要原件有應(yīng)變片、壓電晶體、單晶硅、光敏元件、 PVDF壓電薄膜等，其中以單部單點應(yīng)變片式為最廣泛，不中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 2頁 共 46頁 過近年來正在向三部多點式方向設(shè)計 [6]。首先，切脈單憑醫(yī)生手指感覺辨別脈象 的特征，受到感覺、經(jīng)驗和表述的限制，并且難免存在許多主觀臆斷因素，影響了對脈象判斷的規(guī)范化；其次，這種用手指切脈的技巧很難掌握；再則，感知的脈象無法記錄和保存影響了對脈象機理的研究 [2]。 關(guān)鍵詞： 脈搏 ，光電式傳感器，單片機。電子脈搏儀的出現(xiàn)，使脈搏測量變得非常簡單。 microcontroller. 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 I頁 共 II頁 目錄 1 引言 ................................................................... 1 ........................................................ 1 ................................................ 2 ........................................................ 3 2 脈搏監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu) .............................................