【正文】 率的變化 ,且已包含了濾波等抗干擾電路 ,波形經(jīng)過(guò)放大可以直接處理使用。 缺點(diǎn) :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(jī)即可實(shí)現(xiàn)功能，且價(jià)格非常昂貴。其特點(diǎn)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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行，而 MSC51要 12個(gè)時(shí)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(wú)，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(chǎng)合，這樣做無(wú)疑會(huì)使每種派生產(chǎn)品具有更強(qiáng)的功能和更低的成本。具有較強(qiáng)的中斷處理能力。 51單片機(jī)是 INTEL 公司生產(chǎn)的。 信號(hào)調(diào)理電路的選擇 信號(hào)調(diào)理電路包括對(duì)信號(hào)的放大和濾波兩 個(gè)部分 [17][18]。 （ 1）周期測(cè)量法：適用于低頻信號(hào)。所以，本設(shè)計(jì)中選擇周期測(cè)量法。脈搏波動(dòng)頻率一般為60～ 80次 /min。利用人的視覺(jué)暫留功能可以看到整個(gè)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(dòng)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(shí) ,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(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 復(fù)位電路 時(shí)鐘電路工作后，在 REST 管腳上加兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，芯片內(nèi)部開(kāi)始進(jìn)行初始復(fù)位，如圖 ： 振蕩電路 本設(shè)計(jì)晶振選擇頻率為 12MHz，電容選擇 30pF 如圖 。近年來(lái)，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(jìn)一步應(yīng)用開(kāi)創(chuàng)了新的一頁(yè)。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(jī)配接。共陽(yáng)極的 LED數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管的陽(yáng)極，通常接 +5V 電源，當(dāng)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)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(shí)，可基本抑制由呼吸運(yùn)動(dòng)造成的脈搏波曲線的漂移。 信號(hào)采集電路 圖 是脈搏信號(hào)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(qiáng)度就越大，所以對(duì) R21 阻值的選取要求較高。當(dāng)有跳動(dòng)的脈搏時(shí)，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(gè)信號(hào)輸入端中， Vi（ ）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相反； Vi+（ +）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相同。其電路如圖 所示，特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，阻帶衰減太慢，選中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 26頁(yè) 共 46頁(yè) 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(jì)說(shuō)明書 第 29頁(yè) 共 46頁(yè) 圖 二級(jí)放大電路 整形電路 由于單片機(jī)只能檢測(cè)到數(shù)字信號(hào)，因此，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后得到的模擬信號(hào)必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。所以，需要選用合 適的顯示設(shè)備及顯示電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波動(dòng)頻率信息的顯示。 T0 中斷開(kāi)始執(zhí)行后 ， T1 檢測(cè) 代表的時(shí)間是否大于 60S，沒(méi)有大于 60S 則繼續(xù)檢測(cè)，大于 60S 則關(guān) T1,T0 中斷， 取出脈搏次數(shù)， 然后設(shè)計(jì)數(shù)結(jié)束的標(biāo)志為 1。 斷開(kāi)兩部分的連接點(diǎn)，先調(diào)試 MCU部分。 表 仿真的數(shù)據(jù) 輸入脈沖頻率 實(shí)際脈沖次數(shù) /分 測(cè)得脈沖次數(shù) /分 相對(duì) 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(jì)說(shuō)明書 第 40頁(yè) 共 46頁(yè) 8 總結(jié)和展望 單片機(jī)近 20年的飛速發(fā)展，儼然已成為計(jì)算機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要方面。 本次所設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、功能穩(wěn)定、使用方便，應(yīng)用廣泛，具有實(shí)際意義。（ 5）通過(guò)此次的設(shè)計(jì)，使我深刻的體會(huì)到團(tuán)隊(duì)合作精神的重要性及相互討論過(guò)程中的樂(lè)趣。 感謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師 陳樹(shù)越 老師，您的指導(dǎo)和教誨將我領(lǐng)進(jìn)了單片機(jī)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(duì)本專業(yè)產(chǎn)生了濃厚的興趣，而且學(xué)到了很多的知識(shí)，掌握了很多的方法。（ 3）通過(guò)此次的設(shè)計(jì)，使我對(duì)硬件設(shè)計(jì)和各模塊的功能有了更深的了解，同時(shí)提高了動(dòng)手能力。重點(diǎn)介紹了單片機(jī)的最小系統(tǒng)，通 過(guò)單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了脈搏的測(cè)量系統(tǒng)，由光電傳感器采集到脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)的放大、濾波和整形電路將輸出的信號(hào)通過(guò)單片機(jī)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(hào) 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 38頁(yè) 共 46頁(yè) 單片機(jī)電路仿真 在單片機(jī)部分仿真時(shí)， INT0 腳 接一個(gè)脈沖信號(hào)發(fā)生器，設(shè)置頻率為 ， 單片機(jī)仿真電路如圖 ， 測(cè)試顯示脈沖次數(shù)如圖 。 N Y T0中斷入口 T1代表的時(shí)間≥關(guān) T T0中斷 設(shè)計(jì)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(jì)說(shuō)明書 第 34頁(yè) 共 46頁(yè) 圖 顯示程序流程圖 顯示子程序 取結(jié)果 顯示測(cè)試中的脈搏數(shù) 延時(shí) 返回 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 35頁(yè) 共 46頁(yè) 7 系統(tǒng)仿真調(diào)試 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(kāi)始 初始化 設(shè)置 T0、 T1值為 0 按鍵按下 開(kāi) T0,T1中斷 計(jì)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(jì)說(shuō)明書 第 33頁(yè) 共 46頁(yè) 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器中斷程序流程的設(shè)計(jì) T0是 計(jì)數(shù)器 ， T1 是 定時(shí)器 。 單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)電路如圖 所示。 圖 二階濾波器 第二級(jí) 放大電路 經(jīng)過(guò)第一級(jí)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(jí)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(jì)說(shuō)明書 第 27頁(yè) 共 46頁(yè) 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(shí)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(gè)系統(tǒng)中最大的干擾就是來(lái)自市電的 50HZ 干擾信號(hào)，考慮到有些病人在患病時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)較高的脈搏，因此在設(shè)計(jì)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(hào)，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(huì)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(shí)現(xiàn)了光電隔離 ,減少了對(duì)后級(jí)模擬電路的干擾。 通過(guò)比較，我們可以發(fā)現(xiàn) LED 動(dòng)態(tài)顯示更加適合本設(shè)計(jì)，所以就采用此方法。靜態(tài)顯示主要的優(yōu)點(diǎn)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(yùn)行過(guò)程中，在需要更新顯示內(nèi)容時(shí)， CPU 才去執(zhí)行顯示更新子程序，這樣既節(jié)約了 CPU的時(shí)間，又提高了 CPU的工作效率。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)字或字符， Dp 顯示小數(shù)點(diǎn)。故只要把此電信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，即可實(shí)時(shí)的測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外，還有對(duì)電信號(hào)放大的功能。它可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等；也可用來(lái)檢測(cè)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(dòng)、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。 7. XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。用作輸入時(shí) ,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(dòng) 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(jī)相應(yīng)引腳一致 ,但 P1口、 P3 口有其獨(dú)特之處。六個(gè)中斷源 2K 字節(jié)可重編程閃速存儲(chǔ)器 靜態(tài)顯示適用于顯示器位數(shù)較少時(shí)。所以，需要選用合適的顯示設(shè)備及顯示電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波動(dòng)頻率信息的顯示。充分利用單片機(jī)內(nèi)的兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè)作為定時(shí)器，給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào)，另一個(gè)作為計(jì)數(shù)器?？梢钥闯鰷y(cè)量 fx 必須將 N 或 t 兩個(gè)量之一作為閘門或基準(zhǔn)，對(duì)另一個(gè)量進(jìn)行測(cè)量。 在 51 系列單片機(jī)中， AT89 系列單片機(jī)是美國(guó) ATMEL 公司推出的一種新型高性能低價(jià)位、低電壓低功耗的 8位 CMOS 微型計(jì)算機(jī)。目前很多公司都有 51 系列的兼容機(jī)型推出，中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 10頁(yè) 共 46頁(yè) 在目前乃至今后很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)將占有大量市場(chǎng)?！痭SP 家族把各功能把各功能部件模塊化地集成在一個(gè)芯片里?！痭SP 內(nèi)核是一個(gè)通用的和結(jié)構(gòu)?！痭SP 所形成的 16 位 u’nSP 系列單片機(jī)，以下簡(jiǎn)稱 amp。 1997 年 ,由 ATMEL 公司 挪威 設(shè)計(jì)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(jiǎn)指令集的高速 8中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 9頁(yè) 共 46頁(yè) 位單片機(jī)，簡(jiǎn)稱 AVR。并且容易受到外界其他信號(hào)的干擾?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的心率計(jì)普遍采用這種傳感器來(lái)采集信號(hào)，因?yàn)榇思t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(gè)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(jì)說(shuō)明書 第 8頁(yè) 共 46頁(yè) 麻煩。當(dāng)手指前端受到輕微的壓力時(shí)，可以感覺(jué)到手指前端在血壓的作用下有一張一弛的感覺(jué)，將這個(gè)信號(hào)用傳感器提取出來(lái)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)指脈的波形檢測(cè)，就可以獲得人體的脈搏信號(hào)。 本設(shè)計(jì)采用單片機(jī) AT89C51為控制核心，實(shí)現(xiàn)脈搏測(cè)量?jī)x的基本測(cè)量功能。 脈搏測(cè)量?jī)x的發(fā)展主要向以下幾個(gè)趨勢(shì)發(fā)展： （ 1）自動(dòng)測(cè)量脈搏并且對(duì)所得到的脈搏進(jìn)行自動(dòng)分析。 5. 電源 即向 傳感器、信號(hào)處理、單片機(jī)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(jì)包括了各功能模塊的方案論證和電路設(shè)計(jì)， 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(guò)對(duì)手指末端透光度的監(jiān)測(cè)，間接檢測(cè)出脈搏信號(hào)。脈象探頭式樣很多，有單部、三部、單點(diǎn)、多點(diǎn)、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(diǎn)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(jì)說(shuō)明書 第 2頁(yè) 共 46頁(yè) 過(guò)近年來(lái)正在向三部多點(diǎn)式方向設(shè)計(jì) [6]。首先，切脈單憑醫(yī)生手指感覺(jué)辨別脈象 的特征，受到感覺(jué)、經(jīng)驗(yàn)和表述的限制，并且難免存在許多主觀臆斷因素，影響了對(duì)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(wú)法記錄和保存影響了對(duì)脈象機(jī)理的研究 [2]。 關(guān)鍵詞： 脈搏 ，光電式傳感器，單片機(jī)。電子脈搏儀的出現(xiàn)，使脈搏測(cè)量變得非常簡(jiǎn)單。 microcontroller. 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 I頁(yè) 共 II頁(yè) 目錄 1 引言 ................................................................... 1 ........................................................ 1 ................................................ 2 ........................................................ 3 2 脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) .............................................