【正文】 在這個大家庭里，我和其他的同學共同生活，共同學習。這種軟件代替硬件的控制技術也稱為微控制技術，是傳統(tǒng)控制技術的一次革命。 圖 中斷程序流程圖 顯示程序的設計 本次設計顯示的內容是被測量者一分鐘的脈搏次數。 圖 整形電路 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 30頁 共 46頁 定時記數電路的設計 在這里，單片機要實現對脈搏信號的處理。由于主要的干擾出現在 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。 放大器的介紹 LM358 內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，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 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 23頁 共 46頁 電流與電源電壓無關。 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。 圖 4位數碼管引腳分布圖 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 20頁 共 46頁 LED 數碼管的顯示方法 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。 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；這種現象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。 圖 復位電路圖 C30 .4 7 u fR11kG NDV C CSs w P B中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 17頁 共 46頁 光電傳感器簡介 光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此 ,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。 用于固定輸入片內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。如圖 所示。 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 13頁 共 46頁 4 基本 元器件介紹 AT89C51 介紹 AT89C5l 是美國 ATMEL 公司生產的低電壓、高性能的 CMOS 8 位單片機，片內含 4k bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器 (PEROM)和 128 bytes 的隨機存取數據存儲器(RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 MCS51指令系統(tǒng)，片內置通用 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用場合，可靈活應用于各種控制領域。 （ 2）中斷方式： CPU 無需檢測外設是否數據準備就緒，不占據 CPU 時間，因此 CPU與外設并行工作，提高了 CPU 的工作效率，還滿足了外設的實時要求。因此還需要另一個放大器。 如 SPCE061 等?！痭SP 內核為中心集成不同規(guī)模的 ROM PAM 和功能豐富的各種外設部件。 單片機的選擇 本設計作為一個簡單脈搏測量儀，最后需給出脈搏波動頻率。 采用紅外對管。數字信號處理的運用將使干擾更小，測量更為準確。 2．信號處理 即處理 脈搏 傳感器采集到的低頻信號的模擬電路 (包括放大、濾波、整形等 )。但因耳脈較弱，尤其是當季節(jié)變化時，所測信號受環(huán)境溫度影響明顯，造成測量結果不準確 [8]。脈診是我國傳統(tǒng)醫(yī)學中最具特色的一項診斷方法，其歷史悠久，內容豐富，是中醫(yī)“整體觀念”、“辨證論證”的基本精神的體現與應用。系統(tǒng)運行中每分鐘顯示一次測得脈搏次數。 早在 1860年 Vierordt 創(chuàng)建了第一臺杠桿式脈搏描記儀，國內 20世紀 50年代初朱顏將脈搏儀引用到中醫(yī)脈診的客觀化研究方面。但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 3頁 共 46頁 號 , 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號 ,因此必需經過放大和后級濾波以滿足采集的要求 [14]。但因耳脈較弱，尤其是當季節(jié)變化時，所測信號受環(huán)境溫度影響明顯，造成測量結果不準確。臨床上為了統(tǒng)一和便于比較所獲得的脈搏信號 ,在檢測脈搏信號時 ,對電極的位置 ,引線與放大器的連接方式都有嚴格的統(tǒng)一規(guī)定。 缺點：外部光源的變化對測量結果的影響較 大； （ 2）壓電式： 優(yōu)點：結構簡單，實時性好，工作頻帶寬，應用電路簡單，且價格低廉?！痭SP 。amp。 本設計中，單片機只需要對脈搏信號的波動頻率進行測量、計算和顯示，對單片機的要求不是很高。其特點是標準頻率信號不是用來填充 待測信號的周期，而是與待測信號分別輸入到兩個計數器進行同步計數。 （ 1）靜態(tài)顯示：所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的 I/O 接口用于筆劃段字形顯示。 15 根可編程 I/O 引線 和 要求外部上拉電阻。每一個機器周期需 12 個振蕩器或時鐘周期。在外電場的作用下，光電載流子參于導電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。 LED 的結構 LED 數碼管顯示器是由發(fā)光的二極管顯示字段組成的。通過調整電流和時間參數，可以既保證亮度，又保證顯示。當手指離開傳感器或檢測到較強的干擾光線時，輸入端的直流電壓會出現很大變化，圖 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 22頁 共 46頁 為了使它不致泄露到 U2B 輸入端而造成錯誤指示， 用 C C9 串聯(lián)組成的雙極性耦合電容把它隔斷。 運放 U2A將信號放大，放大倍數由 R8 和 R4 的比值決定。由截止頻率初步確定 C1 ， C2的數值。 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 31頁 共 46頁 圖 數碼管顯示電路 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 32頁 共 46頁 6 軟件系統(tǒng) 設計 主程序流程的設計 本程序的主要思路是，利用單片機的兩個定時器 /計數器，得出一分鐘的脈搏數，最后送 LCD 顯示。 波形如圖 所示 圖 一級放大電路輸出信號 二階低通濾波電路 經過一級放大電路放大后的信號，由二階低通濾波電路 ， 為了檢驗濾波電路的效果，把信號源用 脈搏信號仿真 加上一個 頻率為 50Hz，幅值為 的噪聲， 經過濾波器后， 50Hz 頻率的信號基本濾掉了， 濾波后 波形如圖 所示。經過這次畢設，我收獲了很多，具體總結如下：（ 1）通過此次的設計，使我知道了無論做什么事都應該事先做好充分的準備，不應該盲目的只為了完成任務而被動的學習。 父母是我生命中最重要的人，我今天取得的成績與他們?yōu)槲业母冻鍪欠植婚_的。然而科技的進步勢必會使測量儀的功能日益強大和完善，其應用領域將不斷擴大，將會給我們的生活帶來更多的方便和精彩。 信號采集與調理電路仿真 脈搏信號 仿真 在仿真中使用正弦波加一個直流分量模擬脈搏信號， 本次 脈搏信號 仿真使用的是頻率為 幅值為 的正弦信號加上 的直流分量，根據頻率換算成脈搏為 78（次 /分） ，脈搏信號 波形如圖 所示 。使用 4位的共陰極 LED數碼管顯示脈搏次數。 在確定了 n? ，α，以及 A 后，另 R1=R2， C1=C2，以簡化設計。 由于肌電干擾可能造成前置放大器靜態(tài)工作點的偏移，甚至截至飽和，所以前置放大器的增益不能太大。 R21 過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小，紅外接收三極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時的信號。對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。 LED 顯示器具有耗電省、成本低廉、配置簡單靈活、安裝方便、耐振動、壽命長等優(yōu)點。 光敏二極管 光敏二極管是最常見的光傳感器。 RST 一旦變成高電平 ,所有的 I/O 引腳就 復位到“ 1”。 3. P1 口： P1口是一 8位雙向 I/O 口。兩級加密程序存儲器 可以選擇 LCD 字符液晶屏來對脈搏波動頻率信息進行顯示。被測信號的周期作為信號閘門，由程序控制開關對時基進行計數得 nx，因此被測信號周期為 Tx nx Ts??，每分鐘脈搏跳動次數為中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 11頁 共 46頁 60/N Tx? 。通用型，有總線擴展，有較強的位處理功能，有全雙工異步串行通信 口。micro。 （ 2）凌陽單片機 凌陽是臺灣凌陽公司推出的單片機，具有高速度、低價、可靠、實用、體積小、功耗低和簡單易學等特點， 它的 CPU 內核采用凌陽推出 的 Microcontroller and Signal Processor 16 位微機處理器芯片，以下簡稱 amp。 三種方案的優(yōu)缺點比較 （ 1）光電式： 優(yōu)點：靈敏度高，易于操作 ,響應速度快，結構簡單。電極的好壞對采集到的心電信號質量起著至關重要的作用 ,采用的電極應有貼力強 ,能緊附在人體表面 ,柔軟、吸汗、極化電壓低、導電性良好等特點。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。從脈搏波 中提取人體的心理病理信息作為臨床診斷和治療的依據，歷來都受到中外醫(yī)學界的重視。為了節(jié)省時間 ，一般不會作 1分鐘的測量，通常是測量 10 秒鐘時間內心跳的數，再把結果乘以 6 即得到每分鐘的心跳數，即使這樣做還是比較費時，而且精度也不高。為了提高脈搏測量儀的簡便性和精確度，本課題設計了一種基于 51 單片機的脈搏測量儀。但由于中醫(yī)是靠手指獲取脈搏信息，雖然脈診具有簡便、無創(chuàng)、無痛的特點易為患者接受，然而在長期的醫(yī)療實踐中也暴露出一些缺陷。 近年來國內外致力于開發(fā)無創(chuàng)非接觸式的傳感器，這類傳感器的重要特征是測量的探測部分不侵入機體 ，不造成機體創(chuàng)傷，能夠自動消除儀表自身系統(tǒng)的誤差，測量精度高，通常在體外，尤其是在體表間接測量人體的生理和生化參數 [10]。 4．數碼顯示 即把單片機計算得出的結果用 8位 LED數碼管靜態(tài)掃描來顯示，便于直接準確無誤的讀出數據。隨著電子技術的發(fā)展，脈搏測量儀必然可以實現更多的功能。 采用反射式的紅外管。 （ 1） AVR 單片機 AVR 單片機是 ATMEL 公司生產的單片機。micro。該系列單片機的始祖是 Intel 的 8031 單片機，后來隨著 Flash rom 技術的發(fā)展， 8031 單片機取得了長足的進展，成為目前應 用最廣泛的 8 位單片機之一，其代表型號是 ATMEL 公司 的 AT89系列，它廣泛應用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。 系統(tǒng)軟件設計方案 脈搏波動頻率測量方案的選擇 脈沖信號的頻率是指在單位時間內由信號所產生的交變次數或脈沖個數，即/fx N t? 。 顯示電路方案選擇 脈搏信號經過單片機處理，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。和 MCS51產品的兼容 通過在單塊芯片上組合通用的 CPL1 和閃速存儲器 ,ATMEL AT89C2051 是一強勁的微型計算機 ,它對許多嵌入式控制應用提供一高度靈活和成本低的解決辦法。當 P3 口引腳寫入“ 1”時 ,它們被內部上拉電阻拉高并可用作輸入端。 光電式傳感器是以光電器件作為轉換元件的傳感器。由于手指動脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動變化，所以它對光的反射和衰減也是周期性脈動的 , 于是光敏接收三極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化。由于單片機本身提供的 I/O口有限，實際使用中，通常通過擴展 I/O 口的形式解決輸出口數量不足的問題。其中透射式的發(fā)射光源與光敏接收器件的距離相等并且對稱布置，接收的是透射光，這種方法可較好地反映出心律的時間關系。 LM358 的特性： 內部頻率補償 直流電壓增益高 (約 100dB) 單位增益頻帶寬 (約 1MHz) 電源電壓范圍寬：單電源 (3— 30V) 雙電源 (177。其幅頻特性如圖 所示。 單片機對一分鐘內的脈沖次數進行 。 流程如圖 。 本設計主要是 51單片機在脈搏測試系統(tǒng)中的應用。 感謝學院、分院的各級領 導，為我們創(chuàng)造的良好的學習氛圍，感謝各位老師和我的朋友，以及生物醫(yī)學工程 10050841 班的各位同學們，你們的關心與幫助使我能夠更好地成長。 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 41頁 共 46頁 參考文獻 [1] 高上凱．淺談腦一機接口的發(fā)展現狀與挑戰(zhàn) [J]．中國生物醫(yī)學工程學報， 2021，26(6)： 801803． [2] 楊國忠．生物醫(yī)學工程的過去、現在和未來 [J]．世界醫(yī)療器械， 1995， 1(1). [3] 齊頒揚．醫(yī)學儀器 [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)學工程， 2021，25( 5)： 13． [5] 彭承琳．生物醫(yī)學傳