【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電信號(hào)， 利用各個(gè)功能模塊分別實(shí)現(xiàn)測(cè)量、顯示、報(bào)警 等 功能。本系統(tǒng)的構(gòu)成包括光電傳感器模塊、整形放大模塊、外圍電路模塊、液晶顯示模塊、穩(wěn)壓電源模塊部分。 各模塊功能如表 ： 表 模塊功能表 模塊名稱 模塊功能 光電傳感器 非電量 (紅外光 )模擬量點(diǎn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換元件，它由紅外管和紅外接收管組成， 把 接收到的紅外光按一定線性關(guān)系轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的物理量 (如電壓、電流或頻率等 )輸出 信號(hào)處理 把采集到的非可直接運(yùn)用的模擬量信號(hào)進(jìn)行一系列的處理 (包括濾波、整形、放大 )。 單片機(jī)電路 單片機(jī)的計(jì)數(shù) /中斷口會(huì)根據(jù)傳感器輸入的電平的變化運(yùn)用算法 計(jì) 算出心率（包括 AT89S52外圍電路、時(shí)鐘電路、外部中斷等）。 液晶顯示 把單片機(jī)計(jì)算得出的結(jié)果顯示在 LCD1602上 ，便于直觀的讀出所要測(cè)量的數(shù)據(jù)。 電源 能夠給傳感器、信號(hào)處理、單片機(jī)提供的電源，可以是通過 7805芯片穩(wěn)壓后輸出的 5V直流穩(wěn)壓 電源?？梢韵蚬怆妭鞲衅鳌⑿盘?hào)整形、放大、單片機(jī) Vcc提供的電源 。 工作原理 本設(shè)計(jì) 控制器 采用 AT89S52單片機(jī)， 實(shí)現(xiàn) 心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本測(cè)量和顯示功能。 心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 框圖如圖 所示： 本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁 共 33 頁 光 電 傳 感 器放 大 器比 較 器A T 8 9 S 5 25 V 電 源報(bào) 警 電 路液 晶 顯 示 電 路 圖 心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)框圖 手指放在傳感器中間，隨著心臟的跳動(dòng)，血管中組織液的濃度和流量也隨著改變。當(dāng)光線照射到手指組織上時(shí)，血管中血液飽和度的改變將引起接收管接收光強(qiáng)度發(fā)生變化，因此光接收脈沖和心跳的節(jié)拍相一致，當(dāng) 接收管接收的波長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，紅外接收管的電流也跟著波動(dòng)，這 時(shí) 紅外接收管就能檢測(cè)到電壓的變化，從而轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)濾波、放大、整形后輸出給單片機(jī)的端口，單片機(jī)接收到外部中斷信號(hào)后執(zhí)行相應(yīng)指令。 CPU對(duì)輸入的脈沖信號(hào)通過一系列的算法計(jì)算后，得出的心率 數(shù)值 在液晶上面顯示。 光電心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 相比較于傳統(tǒng)的心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 本 設(shè)計(jì)光電式心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有下列優(yōu)點(diǎn)： 1. 可測(cè)量并顯示實(shí)時(shí)心率值。 2. 對(duì)人體 無 創(chuàng)傷，安全可靠。 3. 心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以重復(fù)使用且使用簡(jiǎn)單，精度高。 4. 電源電壓 為 5V直流電壓，容易獲得。 5. 工作穩(wěn)定、磨損小、使用時(shí)間長(zhǎng)、維護(hù)方便。 6. 由于硬件簡(jiǎn)單，因此外形小巧、質(zhì)量輕、性價(jià)比優(yōu)越。 7. 測(cè)量的有效范圍為 50次 199次 /分鐘。 光電心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的適用范圍 1. 臨床心率監(jiān)護(hù)。 2. 體力勞動(dòng)者勞動(dòng)強(qiáng)度測(cè)定。 3. 運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度測(cè)定。 本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 共 33 頁 4. 士兵訓(xùn)練強(qiáng)度測(cè)定。 5. 各種環(huán)境狀態(tài)下的生理實(shí)驗(yàn)分析研究。 6. 心理緊張狀態(tài)實(shí)驗(yàn)分析研究。 本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁 共 33 頁 第 3 章 硬件系統(tǒng) 控制器 本 心率監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)的 CPU選擇的是 AT89S52單片機(jī) 。 因?yàn)榇诵穆时O(jiān)測(cè)系統(tǒng)沒有其他特殊的功能實(shí)現(xiàn)，所需要的端口也很少， 所以 沒有選擇功能復(fù)雜的 Freescale單片機(jī)。 AT89S52 簡(jiǎn)介 AT89C51 是 8 位的 CPU，片內(nèi)有振蕩器和時(shí)鐘電路 ， 工作頻率為 0～24MHz。片內(nèi)有 256 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM，有 8K 字節(jié)程序存儲(chǔ)器 ROM， 4個(gè) 8 位的并行 I/O 口（ P0、 P P P3）， 1 個(gè)全雙工串行通訊口， 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器（ T0、 T T2），可處理 6 個(gè)中斷源，兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)。低功耗的閑置和掉電 模式。 AT89S52 的結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)所使用的單片機(jī)的封裝形式是 DIP40， 如圖 ： 圖 AT89S52 的封裝形式 AT89S52單片機(jī) 40腳。如表 ： 表 單片機(jī)引腳 引腳名稱 引腳個(gè)數(shù) Vcc, GND 2 XTAL1, XTAL2 2 RESET 1 本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 共 33 頁 EA/Vpp 1 ALE/PROG 1 PSEN 1 — 8 — 8 — 8 — 8 P3口也可作為特殊的功能口，如下列所示： 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0外部輸入） T1（記時(shí)器 1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào) RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 Vcc， GND： 正電源端與接地端 （ +5V) XTAL1, XTAL2：片內(nèi)振蕩電路輸入、輸出端 CPU 按照一定的時(shí)鐘節(jié)拍與時(shí)序進(jìn)行工作： 時(shí)鐘周期： Tc = 晶振頻率 fosc 的倒數(shù) 機(jī)器周期： Tm = 12 個(gè)時(shí)鐘周期 (Tc) 指令周期 ： Ti： 執(zhí)行一條指令所需的機(jī)器周期 (Tm)數(shù) 例 ： 晶振頻率是 12M 時(shí) ， 一個(gè)機(jī)器周期需要多長(zhǎng)時(shí)間？ Tc = 1/fosc = 1/12Mhz Tm = 12XTc = 12X1/12Mhz = 1us 信號(hào)采集 光電傳感器的原理 依據(jù)朗伯一 比爾 (Lamber— Beer)定律，物質(zhì)在一定波長(zhǎng)處吸收光的強(qiáng)度和它本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁 共 33 頁 的濃度成正比。當(dāng)波長(zhǎng)不變的光線照射到機(jī)體上時(shí)，通過人體組織的吸收、反射、衰減后，測(cè)得的光強(qiáng)可以反映組織的結(jié)構(gòu)特征。 心率主要由機(jī)體心臟節(jié)奏性波動(dòng)產(chǎn)生的，而動(dòng)脈也會(huì)跟隨著節(jié)奏型的跳動(dòng) 。在人體指尖和耳垂的部位動(dòng)脈分布比較密集，光線通過手指后可檢測(cè)到的幾率相對(duì)其他部位 更為 明顯，因此本次設(shè)計(jì)的傳感器 應(yīng) 用在人體的手指尖部是最理想的位置。 光電傳感器的結(jié)構(gòu) 應(yīng) 用在采集部分的傳感器是由紅外接收管和紅外發(fā)射管組成。 采用 GaAs 紅外發(fā)光二極管作為光源時(shí)，可以大大減少因?yàn)楹粑a(chǎn)生的心率漂移。 紅外接收管在紅外光線的照射下能產(chǎn)生微弱的電壓，它的特點(diǎn)是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。此課程設(shè)計(jì)中，傳感器的發(fā)射管和接收管相向擺放，這樣就能得到最好的的光線接收效果。 當(dāng)光線從發(fā)射管發(fā)出后，手指的血液組織吸收掉一部分的光線外，也有一部分的光線會(huì)被紅外接收管感應(yīng)到。光電心率傳感器可以分為透射式和反射式兩種原理制作而成 [8]。綜合上述考慮本設(shè)計(jì) 采用了透射型光電傳感器 , 這樣不僅檢測(cè)的時(shí)候方便快捷，在抗干擾上也很出色。因此，光電式傳感器的結(jié)構(gòu)圖就 如 圖 所示。 圖 透射式光電傳感器 信號(hào)采集電路 圖 是 脈搏 信號(hào)的采集電路， D1， Q3 分別是紅外發(fā)射二極管和紅外接收管，當(dāng)紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小時(shí)，產(chǎn)生光線的強(qiáng)度就越大，所以對(duì) R6 電阻的阻值選取精度較高。 R6 選擇 330Ω， 是基于紅外接收管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。 R6 過大，分得的電流就偏大，通過紅外發(fā)射管的電流就會(huì)偏小，紅外接收管就不能區(qū)別出電流信號(hào)是心率引起的還是非心率 振 動(dòng)引起的。反之， R6 選取的過小，通過的電流就會(huì)偏大，原因和 R6 選取過小相同。當(dāng)手指離開傳感器 或檢測(cè)到較強(qiáng)的干擾光線時(shí)，輸入端的直流電壓會(huì)出現(xiàn)很大變化，為了防止信號(hào)不致泄露到 LM358 輸入端而造成錯(cuò)誤指示，用 C6 耦合電容把它隔斷 [10]。傳感器電路圖如圖 所示： 本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁 共 33 頁 圖 信號(hào)采集電路 信號(hào)放大 正常情況下人體的心率為 50~200次 /分鐘，對(duì)應(yīng)的頻率范圍在 ~之間，所以紅外傳感器采集到的紅外頻率就會(huì)很低。為了防止傳感器受到外部高頻信號(hào)以及光線干擾，設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠地濾波、放大電路成為必然 。 要考慮到強(qiáng)光對(duì)其測(cè)量的干擾以及噪聲等不可預(yù)知的干擾以外，低頻信號(hào)需要經(jīng)過 多倍放大和整形，處理完的信號(hào)才能傳送給單片機(jī)的處理模塊。 運(yùn)算放大器選用的是具有兩級(jí)放大功能的 LM358，使用單電源供電。主要參數(shù)和特性如下： LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，該芯片采用單電源供電，這樣就節(jié)省了制作雙電源的麻煩，但同時(shí)也適用于雙電源工作模式。 表 LM358 引腳功能說明 [5] 引腳序號(hào) 英文 縮寫 集成電路 引腳功能 電阻參數(shù)（ KΩ） 直流電壓參數(shù)（ V） 正筆接地 負(fù)筆接地 有信號(hào) 無信號(hào) ① AMPout1 放大信號(hào)（ 1）輸出 17 7 本科 生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁 共 33 頁 ② IN1 反向信號(hào)（ 1）輸入 19 ③ IN1+ 同向信號(hào)（ 1）輸入 ④ GND 接地 0 0 0 0 ⑤ IN2 反向信號(hào)（ 2）輸入 ⑥ IN2+ 同向信號(hào)（ 2）輸入 58 8 ⑦ AMPout2 放大信號(hào)（ 2）輸出 18 ⑧ Vcc 電源電壓 +12V 12 12 放大電路 在正常情況下，人體最大心 跳頻率可以達(dá)到 200 次 /分鐘，基于這種前提我們可以設(shè)計(jì)出想要的低通濾波電路，如圖 所示。可調(diào)電位器 RW C2， C3，C4 組成低通濾波器濾除大部分干擾，截止頻率由 R C3， C2， C4 決定，運(yùn)放LM328 將信號(hào)進(jìn)行兩次放大，放大倍數(shù)由 R4 和 RW1 的比值決定。 低通放大電路圖。如圖 所示： 圖 低通放