【正文】 .......... 4 .................................................... 4 .................................................. 4 3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) ........................................................... 7 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案 ................................................. 7 傳感器選擇 ......................................................... 7 單片機(jī)的選擇 ....................................................... 8 信號調(diào)理電路的選擇 ................................................ 10 ..................................................... 10 脈搏波動頻率測量方案的選擇 ........................................ 10 單片機(jī)工作方式的選擇 .............................................. 11 顯示電路方案選擇 .................................................. 11 4 基本元器件介紹 ........................................................ 13 AT89C51 介紹 ......................................................... 13 AT89C51 的主要性能 ................................................. 13 AT89C51 的結(jié)構(gòu)框圖 ................................................. 14 AT89C51 的引腳說明 ................................................. 15 復(fù)位電路 .......................................................... 16 振蕩電路 .......................................................... 16 光電傳感器簡介 ...................................................... 17 光敏二極管 ........................................................ 17 光敏三極管 ........................................................ 18 光電傳感器檢測原理 ................................................ 18 LED 的綜述 ........................................................... 19 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 II頁 共 II頁 LED 的結(jié)構(gòu) ......................................................... 19 LED 數(shù)碼管的顯示方法 ............................................... 20 5 脈搏監(jiān)測系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì) .......................................... 21 脈搏波檢測電路 ...................................................... 21 信號采集電路 ........................................................ 21 一級放大電路 ........................................................ 22 放大器的介紹 ...................................................... 22 一級放大電路設(shè)計(jì) .................................................. 25 二階低通濾波電路 .................................................... 25 ....................................................... 28 整形電路 ............................................................ 29 定時記數(shù)電路的設(shè)計(jì) .................................................. 30 顯示電路的設(shè)計(jì) ...................................................... 30 6 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) .......................................................... 32 主程序流程的設(shè)計(jì) .................................................... 32 定時器 /計(jì)數(shù)器中斷程序流程的設(shè)計(jì) ..................................... 33 顯示程序的設(shè)計(jì) ...................................................... 33 7 系統(tǒng)仿真調(diào)試 .......................................................... 35 信號采集與調(diào)理電路仿真 .............................................. 35 脈搏信號仿真 ...................................................... 35 一級放大電路 ...................................................... 36 二階低通濾波電路 .................................................. 36 整形電路 .......................................................... 37 單片機(jī)電路仿真 ...................................................... 38 8 總結(jié)和展望 ............................................................ 40 參考文獻(xiàn) ................................................................ 41 致謝 .................................................................... 42 附錄 A 原理圖 ............................................................ 43 附錄 B 主程序 ............................................................ 44 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 1頁 共 46頁 1 引言 脈搏測量儀概述 脈搏攜帶有豐富的人體健康狀況的信息，自公元三世紀(jì)我國最早的脈學(xué)專著《脈經(jīng)》問世以來，脈學(xué)理論得到不斷的發(fā)展和提高。 醫(yī)院的護(hù)士每天都要給住院的病人把脈記錄病人每分鐘脈搏數(shù)，方法是用手按在病人腕部的動脈上，根據(jù)脈搏的跳動進(jìn)行計(jì)數(shù)。起初 用于體育測量的脈搏測試 集中在對接觸式傳感器的研究，利用此類傳感器所研制的指脈、耳脈等測量儀各有其優(yōu)缺點(diǎn)。 人體心室周期性的收縮和舒張導(dǎo)致主動脈的收縮和舒張，是血流壓力以波的形式從主動脈根部開始沿著整個動脈系統(tǒng)傳播，這種波成為脈搏波 [12]。本系統(tǒng)的組成包括脈搏 傳感器、信號處理、單片機(jī)電路、數(shù)碼顯示、電源等部分。而其中關(guān)鍵是對脈搏傳感器的研究。 （ 2） 數(shù)字化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用。這種傳感器采用接扣與敏感區(qū)分離的方法 ,能明顯的減少由于人體運(yùn)動產(chǎn)生的干擾。指端血管的容積和透光度隨心搏改變時，將使光電三極管極管收到不同的光強(qiáng)，并由此產(chǎn)生的光電流均隨之作相應(yīng)變化。缺點(diǎn)是價格非常昂貴，一般均在五百元以上 。 考慮到種種情況，結(jié)合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求以及經(jīng)費(fèi)的考慮，最終選擇 光電式 傳感器。AVR單片機(jī)如 LPC2131 等。采用的是模塊式集成結(jié)構(gòu)，它以 amp。 amp。μ’nSPTM 家族的中斷系統(tǒng)支持 10 個中斷向量及 10 余個中斷源，適合實(shí)時應(yīng)用領(lǐng)域。它具有結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，易于開發(fā)的特點(diǎn)。由于傳感器輸出的電壓比較小，在幾毫伏左右，且頻率較低，需要低噪聲，低漂移，高輸入阻抗的放大器，所以選擇使用儀表放大器。采用單片機(jī)內(nèi)的一個定時 /計(jì)數(shù)器，以單片機(jī)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器周期作為標(biāo)準(zhǔn)時基信號 Ts。 單片機(jī)工作方式的選擇 單片機(jī)數(shù)據(jù)傳送方式一般有以下幾種： （ 1）查詢方式：由于 CPU 與外設(shè)之間存在時序、速度等差異，在數(shù)據(jù)傳送前必須檢測接口狀態(tài)，探查外設(shè)是否數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。本設(shè)計(jì)中，顯示位數(shù)較多。當(dāng)顯示位數(shù)較多時，用靜態(tài)顯示所需的 I/O太多，一般采用動態(tài)顯示的方法。全靜態(tài)操作： 0Hz～ 24MHz 片內(nèi)模擬比較器 2. GND：地。 P1 口還在閃速編程和程序校驗(yàn)期間接收代碼數(shù)據(jù)。 5. RST：復(fù)位輸入。經(jīng)計(jì)算得單片機(jī)工作胡機(jī)器周期為： 12（ 1247。 在此次設(shè)計(jì)中我們采用的是光電傳感器中最常見普遍的光敏二極管做 紅外接收二極管和光面三極管做紅外發(fā)送三極管。工作時集電結(jié)反偏， 發(fā)射結(jié)正偏。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的顯示器主要有發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器，簡稱 LED 顯示器。 本設(shè)計(jì)中采用的是 4位七段共陽 極數(shù)碼管顯示器，一共具有 12個引腳， 4個位選端，8個字選端。 動態(tài)顯示方式是指一位一位地輪流點(diǎn)亮每位顯示器（稱為掃描），即每個數(shù)碼管的位選被輪流選中，多個數(shù)碼管公用一組段選，段選數(shù)據(jù)僅對位選選中的數(shù)碼管有效。 紅外接收三極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能，它的特性是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。R21選擇 270Ω同時也是基于紅外接收三極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。但該傳感器輸出信號的頻率很低，如當(dāng)脈搏只有為 50 次 /分鐘時，只有 ， 200次 /分鐘時也只有 ，因此信號首先經(jīng) R2 C10 濾波以濾除高頻干擾，再由耦合電容 C C9 加到線性放大輸入端。 圖 運(yùn)算放大器 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 25頁 共 46頁 一級放大電路設(shè)計(jì) 一級放大電路是整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn) ,脈搏測量儀要求在脈搏信號頻率范圍內(nèi)，不失真的放大所采集的微弱信號 ,這要求所用的放大器必須具有低噪聲 ,低漂移 ,低失調(diào)參數(shù) ,高共模抑制比 ,高輸入阻抗 ,線形度小等特點(diǎn)。 其幅頻特性如圖 。 A為運(yùn)算放大器閉環(huán)增益，本電路中選擇 A=2。這里選擇電壓比較器。本設(shè)計(jì)的顯示采用 LED數(shù)碼管動態(tài)掃描來顯示。 T0 中斷采用邊沿觸發(fā)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 T1定時一分鐘，累加得出一分鐘的脈搏次數(shù)。試著輸入一系列脈沖，觀察 MCU部分能是否能顯示；模擬部分用正弦波加一個直流分量模擬脈搏信號，借助示波器觀察波形效果如何。另一方面，單片機(jī)應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。由于時間比較短，同時本人掌握的知識有限，本次設(shè)計(jì)雖已完成，但其中有很多不足，如程序不夠簡練，電路板不夠美觀，光電傳感器靈敏度不夠高，數(shù)碼管顯示部分不夠完美等，同時此次設(shè)計(jì)的測量儀功能比較單一，沒有如語音系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動讀出脈搏次數(shù)等人性 化功能，且在設(shè)計(jì)過程中使用的運(yùn)放數(shù)量也較多，加大了電源管理的復(fù)雜度。 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 41頁 共 46頁 參考文獻(xiàn) [1] 高上凱．淺談腦一機(jī)接口的發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn) [J]．中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報， 2021，26(6)： 801803． [2] 楊國忠．生物醫(yī)學(xué)工程的過去、現(xiàn)在和未來 [J]．世界醫(yī)療器械， 1995， 1(1). [3] 齊頒揚(yáng)．醫(yī)學(xué)儀器 [M]．北京：高等教育出版社， 1990． [4] 程詠梅，夏雅琴，尚嵐，人體脈搏波信號檢測系統(tǒng) [J]．北京生物醫(yī)學(xué)工程