【文章內容簡介】 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 3目前的脈搏測量儀，一般都具有測試血氧，心電圖等等功能，單純的脈搏測量儀已經很少見。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。 本設計的主要內容本設計以單片機為核心，由脈搏檢測傳感器采集脈搏信號。經過前置放大電路、濾波電路、整形電路后得到與脈搏相關的脈沖信號。該脈沖信號作為中斷信號交由單片機進行脈長周期的計算。然后得到每分鐘的脈搏搏動次數（即心率） ，并在數碼管上顯示心率，同時還設置了脈搏測量儀的上下限報警電路。 本設計的工作是圍繞著脈搏檢測傳感器檢測脈搏波而單片機進行控制進行的。本設計的設計內容安排如下： 第一章為引言。簡要介紹了心率測試儀設計的目的和意義，并對基于單機的便攜式心率測試儀的現狀和應用以及未來的發(fā)轉走勢做了簡單的闡述，指出了本設計的主要技術內容，即心率的測試。 第二章為整體方案的分析。顧名思義第二章是對整個方案的詳細的對比與選擇并確定最終方案。在確定方案之前我必須先明確本設計的任務與要求，之后是各個部分的對比選擇。 第三章是本設計的核心。在這里給出了整體的硬件電路設計思路，并且對電路的各個部分進行分析與解釋。 第四章敘述程序的編程方案，給出程序的框架結構圖并對整個設計進行總結，而且對以后的設計工作進行了展望。黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 4第 2 章 整體方案分析 任務基于單片機的便攜式心率測試儀的設計。本設計以單片機為核心，由光電傳感器采集脈搏信號。經過前置放大電路、濾波電路、積分和比較電路后得到與脈搏相關的脈沖信號。該脈沖信號作為中斷信號交由單片機進行脈長周期的計算。然后得到每分鐘的脈搏搏動次數（即心率） ，并在數碼管上顯示，并且在超出設定的正常脈搏跳動范圍時，驅動蜂鳴器報警。 要求(1)通過脈搏傳感器采樣脈搏信號，設計脈搏波檢測電路，通過譯碼管來顯數脈搏次數。(2)將脈沖波送入單片機，采用單片機構成脈搏波檢測儀，要求實現脈搏波次數超出設定時限時驅動蜂鳴器報警。 系統(tǒng)的整體方案本設計的系統(tǒng)模塊可以基本劃分為：脈搏傳感器部分、單片機處理電路部分、顯示電路部分和報警電路部分。本設計所設計的基于單片機的便攜式脈搏測量儀將利用脈搏檢測傳感器采集脈搏信號，再對其進行整形、計數和顯示，就能實現實時檢測脈搏次數的目的，再通過報警電路可實現報警功能。本設計結構硬件框圖如圖 所示。脈搏檢測傳感器 低通放大器 整形電路單片機數碼顯示電路 報警電路 圖 硬件框圖 方案的對比和論證 脈搏檢測傳感器的選擇傳感器又稱為換能器、變換器等。脈搏傳感器是脈搏檢測系統(tǒng)中重要的組黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 5成部分。光電式傳感器血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比血液中大幾十倍，據此特點，采用光電效應手指脈搏傳感器來拾取脈搏信號。反向偏壓的光敏二極管，它的反向電流具有隨光照強度增加而增加的光電效應特性，在一定光強范圍內，光敏二極管的反向電流與光強呈線性關系。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，并由此產生的光電流均隨之作相應變化。常用檢測脈搏的光電傳感器一般是紅外對管。紅外對管將對管夾于手指端部，通過手指的血液濃度會隨著心臟的跳動發(fā)生變化，紅外對管對應的信號便會發(fā)生相應的變化，采集此信號經過放大，濾波，比較等處理便可以得到理想的信號。紅外對管對脈搏的檢測的基本原理：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，組織的半透明度增大。這種現象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。光電式傳感器具有靈敏度高，易于操作，響應速度快，結構簡單等優(yōu)點。雖然外部光源的變化對測量結果的影響較大，但我們進行測量的地方一般都是在室內，有穩(wěn)定的光源，所以在正常的操作過程中只要稍微注意下光源的問題就可以了。壓電式傳感器目前常用的是一次性心電電極，它是用印刷方法制得的 Ag/ Agcl 傳感器。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動產生的干擾。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。當選用電極傳感器時，需要 3 個電極分別置于左右手和左腿，構成標準導聯。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。目前市場上有一種采用新型高分子壓電材料聚偏氟乙烯研制的壓電傳感器，其靈敏度高,頻帶范圍好，結構簡單，便于使用。當手指前端受到輕微的壓力時，可以感覺到手指前端在血壓的作用下有一張一弛的感覺，將這個信號用傳感器提取出來，轉變?yōu)殡娦盘?，通過指脈的波形檢測，就可以獲得人體的脈搏信號。壓電式傳感器有著結構簡單，實時性好，工作頻帶寬，應用電路簡單等諸多優(yōu)點，并且價格低廉。但壓電式傳感器直接與人體相接觸，容易因為人體肌黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 6肉的顫動等而產生干擾。而肌肉的顫動不是人能主動控制的，所以說這部分的誤差很難控制。并且使用壓電式傳感器測脈搏還容易受到外界其他信號的干擾。集成傳感器當前，市面上有很多類型的集成心電傳感器，其靈敏度高，集成度高，直接就可以反映出心率的變化，且已包含了濾波等抗干擾電路，波形經過放大可以直接處理使用。缺點是價格非常昂貴，一般均在五百元以上，就本次設計來說，考慮到經費以及鍛煉自己的目的，不選擇使用該型傳感器。綜合考慮種種情況，結合本系統(tǒng)的設計要求以及經費的考慮，本設計采用光電式傳感器。 單片機的選擇單片機的選擇主要是在 AT89C2051 和 AT89S52 之間做選擇。AT89S52 單片機AT89S52 是一種低功耗、高性能的 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 的系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司的高密度非易失性存儲技術制造，與工業(yè) 80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上的 Flash 允許程序存儲在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得 AT89S52 在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。AT89C2051 單片機AT89C2051 是一種低電壓、高性能的 CMOS 8 位微控制器，片內含 2K 字節(jié)可反復擦除的 Flash 只讀程序存儲器和 128B 的隨機數據存儲器，器件采用Atmel 公司的高密度非易失性存儲技術制造，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)。芯片置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，AT89C2051 在電子類產品中有廣泛的應用。經過比較，本設計采用 AT89S52 單片機。 顯示部分的選擇根據題目要求，設計出來的系統(tǒng)是可以設定報警的范圍的。在單片機的應用系統(tǒng)中，為了便于人們觀察和監(jiān)視單片機的運行情況，常常需要用顯示器顯示運行的中間結果、狀態(tài)等信息，因此顯示器也是不可缺少的外部設備之一。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，都可以與微機配接。在單片機應用系統(tǒng)中常用的顯示器主要有發(fā)光二極管數碼顯示器，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。但與 LCD 相比顯示內容有限，不能顯示圖形，黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 7因而其應用有局限性。LED 數碼管顯示器是由發(fā)光的二極管顯示字段組成的。在單片機應用系統(tǒng)中使用最多的就是七段 LED 數碼管，有共陰極和共陽極兩種。七段 LED 數碼管顯示器有 8 個發(fā)光二極管，其中從 a~g 管腳輸入顯示代碼，可顯示不同的數字或字符，Dp 顯示小數點。共陰極 LED 數碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管陰極，通常接地，當發(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，當發(fā)光二極管的陰極為低電平時，發(fā)光二極管點亮。通過比較，我們可以發(fā)現 LED 動態(tài)顯示更加適合本設計，所以就采用此方法。 設計時要考慮的問題 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變化比背景光的變化微弱得多，因此在測量過程當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黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 8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，這在信號調理電路中容易實現；同時可以在控制電路中對光源進行脈沖調制，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，在脈搏信號數據采集后，可以通過數據處理法方法進一步濾除工頻信號的干擾。 測量過程中運動噪聲的影響 測量過程中，通常情況下手指和光電式脈搏傳感器可能產生相對的運動，這樣會使脈搏的測量產生誤差，可以通過兩個方面減少運動噪聲誤差：一是改善指套式傳感器的機械運動性，比如說使指套能夠更緊的套在手指上，不易松動；二是從脈搏處理的角度，通過算法來減少誤差。對于本設計的傳感器的設計來說，采用的是第一個途徑。 本章小結本章主要介紹了常見的用于脈搏檢測的三種傳感器，并對這三種感器的優(yōu)缺點進行了比較。本設計采用的單片機芯片的型號是 AT89S52，在本章主要介紹了它的一些特點。最后，給出了最終的設計方案和硬件框圖。黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 9第 3 章 硬件電路設計分析 控制器經過第 2 章的敘述已經確定了完成本設計所需要的主要元器件，所以本章開始講述基于單片機的便攜式心率測試儀的設計的硬件電路的設計。在這里，單片機要實現對脈搏信號的處理。在檢測到第一個脈沖到達時，開啟定時器，然后在下一個脈沖到達時，關閉計時器，如此就可以求得一次心跳所需要的時間，然后由該周期就可以得到一分鐘的脈搏數。 。 AT89S52AT89S52 是一種低功耗、高性能的 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 的系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司的高密度非易失性存儲技術制造，與工業(yè) 80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上的 Flash 允許程序存儲在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得 AT89S52 在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。 AT89S52 的特點兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結構8k 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲器 128 bytes 的 隨 機 存 取 數 據 存 儲 器 (RAM) 32 個 外 部 雙 向 輸 入 /輸 出 (I/O)口 5 個 中 斷 優(yōu) 先 級 、 2 層 中 斷 嵌 套 中 斷 2 個 全 雙 工 串 行 通 信 口 片 內 振 蕩 器 和 時 鐘 電 路2 個 16 位定時/ 計數器6 個中斷源 看 門 狗 (WDT)電 路1 全 靜 態(tài) 工 作 ： 0Hz?33MHz1 三 級 程 序 存 儲 器 保 密 鎖 定1 可 編 程 串 行 通 道1低功耗空閑和掉電模式 AT89S52 的結構此次設計所使用的 AT89S52 的封裝形式是 PDIP。DIP 管腳圖如圖 所黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計