【文章內(nèi)容簡介】 號采集電路 信號放大 放大器的介紹 LM324 是四運放集成電路，它采用 14 腳雙列直插塑料封裝 .它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。 每一組運算放大器可用圖 ，它有 5個引出腳，其中 “+”、 “”為兩個信號輸入端， “V+”、 “V”為正、負(fù)電源端， “Vo”為輸出端。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。 LM324 的引腳排列見圖 。 圖 圖 由于 LM324 四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用， 價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。 13 放大電路 按人體脈搏在運動后跳動次數(shù)達(dá) 200 次 /分鐘的計算來設(shè)計低通放大器，如圖 所示。 R2 C6 組成低通濾波器以進(jìn)一步濾除殘留的干擾，截止頻率由 R2 C6 決定，運放 U2B 將信號放大，放大倍數(shù)由 R23 和 R27 的比值決定。 圖 低通放大電路 根據(jù)一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)，可得： 00()() ()1icV s AAs sVs w??? 放大倍數(shù)為： 230 27 11 1 2 1 44 .7R MA RK? ? ? ? ? 截止頻率為：0 2 3 61 3 .3 92f H zRC??? 按人體的脈搏跳動為 200 次 /分鐘時的頻率是 Hz考慮，低頻特 性是令人滿意的。 14 經(jīng)過低通放大后輸出的信號是疊加有噪聲的脈動正弦波。波形如圖 所示。 圖 波形整形電路 波形整形電路如圖 所示， U2C 是一個電壓比較器， C1 R29 構(gòu)成一個微分器， U2A 和 C R32 組成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，其脈寬由 C R32 決定。 該比較器的閥值電壓可用 R31 調(diào)節(jié)在正弦波的幅值范圍內(nèi)，但是對 R31 的調(diào)節(jié)要求并不嚴(yán)格，因為 U2C 的輸出信號（波形如圖 ）經(jīng) C1 R29 的微分后總是將正、負(fù)相間的尖脈沖（波形如圖 ）加到單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器 U2A 的反向輸入端，不會造成很大的觸發(fā)誤差。 當(dāng)有輸入信號時， U2A 在比較器輸入信號的每個后沿到來時輸出高電平，使 C7通過 R32 充電。大約持續(xù) 20ms 之后，因 C7 充電電流減小而使 U2A 同相輸入端的電位降低到低于反相輸入端的電位（尖脈沖已過去很久），于是 U2A 改變狀態(tài)并再次輸出低電平。這長的脈沖是與脈搏同步的，并由紅色發(fā)光二極管 DS3 的閃亮指示出來。即發(fā)光二極管作脈搏測量狀態(tài)顯示，脈搏每跳動一次發(fā)光二極管就亮一次。同時，該脈沖電平通過 R24 送到單片機(jī) /INTO 腳，進(jìn)行對心率的計算和顯示。輸出 波形如圖 所示。 15 圖 波形整形電路 經(jīng)過比較器 U2C 的輸出波形： 圖 16 經(jīng)過微分器的輸出波形： 圖 單片機(jī)接收到的信號： 圖 17 單片機(jī)處理電路 如圖 所示， 本部分運用了 ATMEL 公司的 89C51 單片機(jī)作為核心元件，在這里運用單片機(jī)能更快更準(zhǔn)確地對數(shù)據(jù)進(jìn)行運算，而且可以根據(jù)實際情況進(jìn)行編程，所用外圍元件少，輕巧省電，故障率低。 來自傳感和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機(jī) 89C51 的 /INTO 腳，單片機(jī)設(shè)為負(fù)跳變中斷觸發(fā)模式，故每次脈沖下降沿到達(dá)時觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行 計時， 來一個脈沖脈搏次數(shù)就加一 ；定時器中斷 主要完成一分鐘的定時功能。 單片機(jī)對一分鐘內(nèi)的脈沖次數(shù)進(jìn)行累加，通過 P0、 P2 口把測量過程和結(jié)果送到數(shù)碼管顯示出來。 圖 單片機(jī)處理電路 顯示電路 本設(shè)計的顯示采用 LED數(shù)碼管動態(tài)掃描來顯示。兩個 4位的共陽極 LED數(shù)碼管組成8位顯示，其中 0、 1兩位顯示測量中的時間， 4兩位顯示測量中的脈搏次數(shù)， 7兩位用來顯示上次測量的數(shù)據(jù)。單片機(jī)的 P0口控制顯示字型， P2口控 制顯示字位。顯示電路如圖 。 18 圖 顯示電路 LED 的綜述 在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，為了便于人們觀察和監(jiān)視單片機(jī)的運行情況，常常 需要用顯示器顯示運行的中間結(jié)果、狀態(tài)等信息，因此顯示器也是不可缺少的外 部設(shè)備之一。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。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。 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。但顯示內(nèi)容有限，不能顯示圖形，因而其應(yīng)用有局限性。 LED 的結(jié)構(gòu) LED 數(shù)碼管顯示器是由發(fā)光的 二極管顯示字段組成的。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用最多的就是七段 LED 數(shù)碼管，有共陰極和共陽極兩種。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。共陰極 LED 數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管陰極，通常接地，當(dāng)發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮。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。 19 本設(shè)計中采用的是 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。圖 中所示， 4 是位選端； a~g、 Dp 是字選端。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 4 位數(shù)碼管引腳分布圖 圖 4 位共陽極數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 LED 數(shù)碼管的顯示方法 靜態(tài)顯示方式是指當(dāng)顯示器顯示某一字符時，發(fā)光二極管的位選始終被選中。在這種顯示方式下，每一個 LED 數(shù)碼管顯示器都需要一個 8 位的輸出口進(jìn)行控制。由于單片機(jī)本身提供的 I/O 口有限，實際使用中，通常通過擴(kuò)展 I/O 口的形式解決輸出口數(shù)量不足的問題。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。其不足之處是占用硬件資源較多，每個 LED 數(shù)碼管需要獨占 8 條輸出線。隨著顯示器位數(shù)的增加，需要的 I/O 口線也將增加。 20 動態(tài)顯示方式是指一位一位地輪流點亮每位顯示器（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。對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。 通過調(diào)整電流和時間參數(shù)，可以既保證亮度，又保證顯示。若顯示器的位數(shù)不大于 8 位，則顯示器的公共端只需一個 8 位 I/O 口進(jìn)行動態(tài)掃描（稱為掃描口），控制每位顯示器所顯示的字形也需一個 8 位口（稱為段碼輸出）。 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。 脈搏測量儀電路原理圖 圖 電路原理圖 第 4 章 軟件系統(tǒng) 21 主程序流程： 系統(tǒng)主程序控制單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運行 , 它是單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)上電后 ,對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化程序主要完成對單片機(jī)內(nèi)專 用寄存器、定時器工作方式及各端口的工作狀態(tài)的設(shè)定。系統(tǒng)初始化之后 , 進(jìn)行定時器中斷、外部中斷、顯示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序 [12]。流程如圖 。 開始初始化開中斷顯示程序 圖 主程序流程圖 定時器中斷程序流程： 定時器中斷服務(wù)程序由一分鐘計時、按鍵檢測、有無測試信號判斷等部分組成。當(dāng)定時器中斷開始執(zhí)行后，對一分鐘開始計時， 1s 計時到之后繼續(xù)檢測下 1s，直到60s 到了再停止并保存測得的脈搏次數(shù)。同時可以對按鍵進(jìn)行檢測，只要復(fù)位測試值就可以 重新開始測試。主要完成一分鐘的定時功能和保存測得的脈搏次數(shù)。流程如圖 所示。 22 圖 定時器中斷程序流程圖 INT 中斷程序流程： 外部中斷服務(wù)程序完成對外部信號的測量和計算。外部中斷采用邊沿觸發(fā)的方式，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，由單片機(jī)內(nèi)部定時器控制一分鐘，累加得出一分鐘內(nèi)的脈搏次數(shù)。流程如圖 。 圖 INT中斷程序流程圖 23 顯示程序流程： 顯示程序包括顯示上次的脈搏次數(shù)、本次測量中的時間和脈搏的次數(shù)。從中斷程序中取得結(jié)果后，先顯示上次 的脈搏次數(shù)，經(jīng)過 10ms的延時后再顯示測試中的脈搏次數(shù)，再經(jīng)過 10ms的延時顯示測試中的時間。流程如圖 。 圖 顯示程序流程圖 軟件說明 本程序采用 C語言，程序的可讀性非常好。 程序中對前一次測量的脈搏數(shù)據(jù)進(jìn)行了自動保存，并且用數(shù)碼顯示。 程序在執(zhí)行過程若發(fā)現(xiàn)有干擾則忽略該干擾而不顯示，進(jìn)一步減少讀入數(shù)據(jù) 的誤差。 24 第五章 抗干擾措施及使用方法 抗干擾措施 為了提高測量儀的精確度，系統(tǒng)首先要解決的是硬件方面的干擾問題。光電式脈搏測量儀的測量過程中，前端測量到的脈搏信號 十分微弱，容易受到外界環(huán)境干擾，其中主要的干擾源有測量環(huán)境光干擾、電磁干擾、測量運動噪聲。 環(huán)境光對脈搏傳感器測量的影響 在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號不僅包含脈搏信息的透射光的信號，而且包含測量環(huán)境下的背景光信號，由于動脈波動引起的光強(qiáng)變化比背景光的變化微弱得多，因此在測量過程當(dāng)中要保持測量背景光的恒定，減少背景光的干擾。 測量環(huán)境下的背景光包含環(huán)境光和在測量過程中引起的二次反射光。為了減少環(huán)境光對脈搏信號測量的影響，同時考慮到傳感器使用的方便性，采用密封的指套式包裝方式，整 個外殼采用不透光的介質(zhì)和顏色，盡量減小外界環(huán)境光的影響，為了避免測量過程中的二次反射光的影響，在指套式傳感器的內(nèi)層表面涂上一層吸光材料，這樣能有效減少二次反射光的干擾。 加上指套式外殼后的脈搏傳感器測量到的脈搏波形比較平滑。這是因為加指套式的脈搏傳感器中環(huán)境光在測量過程中基本不受外界環(huán)境光的影響，而且能夠有效減少二次反射光，使照射到手指上的光波長單一，所以得到的脈搏信號較為穩(wěn)定，沒有明顯的重疊雜波信號，能夠很好的體現(xiàn)出脈搏波形的特征。 電磁干擾對脈搏傳感器的影響 通過光電轉(zhuǎn)換得到的包含脈搏信息 的電信號一般比較微弱，容易受到外界電磁信號的干擾，在傳統(tǒng)的光電式脈搏傳感器電路中，由于光敏器件和放大電路是分離的，那么在信號的傳遞過程就很容易受到外界電磁干擾，通常在一級放大電路采用電磁屏蔽的方式來消除電磁干擾。本系統(tǒng)采用了新型的光敏器件，在芯片內(nèi)部集成光敏器和一級放大電路，有效地抑制了外界電磁信號對原始脈搏信號的干擾。 工頻干擾是電路中最常見的干擾，脈搏信號變化緩慢，特別容易受到工頻信號的干擾，因此對工頻信號干擾的抑制是保證脈搏信號測量精度的主要措施之一。通常脈搏信號的頻率范圍在 － 30Hz 之間，小 于工頻 50Hz，因此通過低通濾波器可以有效濾除工頻干擾，這在信號調(diào)理電路中容易實現(xiàn)；同時可以在控制電路中對光源進(jìn)行 25 脈沖調(diào)制，這樣不但能夠降低系統(tǒng)的功耗，而且能夠在一定程度上減小外界的電磁干擾，在脈搏信號數(shù)據(jù)采集后，可以通過數(shù)據(jù)處理法方法進(jìn)一步濾除工頻信號的干擾。 測量過程中運動噪聲的影響 測量過程當(dāng)中，通常情況下手指和光電式脈搏傳感器可能產(chǎn)生相對的運動，這樣對脈搏測量產(chǎn)生誤差，可以通過 2 個方面減少運動噪聲誤差：一是改善指套式傳感器的機(jī)械抗運動性，比如說使指套能夠更緊的套在手指上，不易松動；二是 從脈搏信號處理的角度，通過算法來減小誤差。對于傳感器的設(shè)計，現(xiàn)在采用的主要是第一個途徑。 測量儀使用方法 測量儀通電后，數(shù)碼管全部顯示 0。把手輕輕置于右下角的傳感器中，以稍微有壓迫感為宜，這時很快就可以看到紅色發(fā)光二極管會伴隨你的脈搏而閃爍，讓你直觀的看到自己脈搏跳動的速度，按下復(fù)位鍵后單片機(jī)和顯示部分開始工作，單片機(jī)立刻開始計數(shù)，同時數(shù)碼管顯示出你的心率和測試的時間，非常方便。如果偶爾出現(xiàn)不穩(wěn)的情況，請按復(fù)位鍵對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。 26 第 6 章 系統(tǒng)調(diào)試 系統(tǒng)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 。 由于在系統(tǒng)設(shè)計中采用模塊化設(shè)計，所以方便了對各電路功能模塊的逐級測試。 斷開兩部分的連接點，先調(diào)試 MCU部分。試著輸入一系列脈沖（用適當(dāng)?shù)碾娮杞诱龢O，間斷性地輸入），觀察 MCU部分能是否能顯示；模擬部分用不透明的筆在紅外發(fā)射二極管和接收三級管之間搖擺，借助示波器觀察波形效果如何。單片機(jī)軟件先在最小系統(tǒng)板上調(diào)試，確保工作正常之后，再與硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。 最后將各模塊組合后進(jìn)行整體測試，使系統(tǒng)的功能得以實現(xiàn)。 傳感器的輸出端經(jīng)示波器觀察有幅度很小的正弦波，但 經(jīng)整形輸出后檢測到的脈沖還是很弱，在確定電路沒有問題的情況下，加強(qiáng)信號