【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 光電傳感器 光電傳感器檢測(cè)原理隨著心臟的跳動(dòng)，人體組織半透明度隨之改變：當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明度減小，當(dāng)血液流回心臟，組織半透明度則增大；這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最明顯[9]。因此本設(shè)計(jì)將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體手指部位，經(jīng)過手指組織的反射和衰減由裝在該部位旁邊的光敏三管來接收其透射光并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于手指動(dòng)脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動(dòng)變化，所以它對(duì)光的反射和衰減也是周期性脈動(dòng), 于是紅外接收三極管輸出信號(hào)的變化也就反映了動(dòng)脈血的脈動(dòng)變化。只要把此電信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示[10]，即可實(shí)時(shí)的測(cè)出心臟跳動(dòng)的次數(shù)。 信號(hào)取樣電路硬件電路中，關(guān)鍵部分在于心率信號(hào)的檢測(cè)。系統(tǒng)采用紅色發(fā)光二極管和硫化鎘光敏電阻組成透射遮光指套式光電傳感器。紅色發(fā)光二極管穩(wěn)定性好，遮光指套式的裝置減少了外界光的干擾，只需將待測(cè)手指插入，便可進(jìn)行測(cè)量．測(cè)試時(shí)，被測(cè)手指正好處在發(fā)光二極管和光敏電阻之間，這樣一來，光敏電阻的阻值便將隨著手指的血容量的變化而變化。，U4是紅外發(fā)射和接收裝置，由于紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強(qiáng)度就越大，所以對(duì)R17阻值的選取要求較高。R17選擇270Ω同時(shí)也是基于紅外接收三極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R17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)別有心跳和無心跳時(shí)的信號(hào)。反之，R17過小，通過的電流偏大，紅外接收三極管也不能準(zhǔn)確地辨別有心跳和無心跳時(shí)的信號(hào)。硬件系統(tǒng)是通過檢測(cè)指尖來采取脈搏信號(hào)，從而得到心率信號(hào)。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，為了使它不致泄露到U3A輸入端而造成錯(cuò)誤指示，用CC10串聯(lián)組成的雙極性耦合電容把它隔斷[11]。 信號(hào)采集電路 信號(hào)放大電路 LM324放大器LM324 是四運(yùn)放集成電路，它采用14 ，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi()為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相反；Vi+(+)為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相同。LM324 。 運(yùn)算放大器 引腳排列由于LM324 四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小， 價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各種電路中。 低通放大電路由于通過光電傳感器接收到的信號(hào)極其微弱，容易被其外圍電路所干擾， 因此系統(tǒng)必須為信號(hào)處理電路提供電源。檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過LM324放大器放大后仍存在較大的偏置電壓，因此必須在信號(hào)輸入端加濾波電容，將電路中的直流成份濾掉并保證不影響交流信號(hào)的傳遞。該系統(tǒng)按人體心率在運(yùn)動(dòng)后跳動(dòng)次數(shù)達(dá)200次/分鐘的計(jì)算來設(shè)計(jì)低通放大器。R2C6組成低通濾波器以進(jìn)一步濾除殘留的干擾，截止頻率由R2C6決定，運(yùn)放U3A將信號(hào)放大，放大倍數(shù)由R22和R24的比值決定。經(jīng)過低通放大后輸出的信號(hào)是疊加有噪聲的脈動(dòng)正弦波[12]。 信號(hào)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： ()放大倍數(shù)為： () () 截止頻率為： ()按人體心率跳動(dòng)為200次/ Hz考慮，低頻特性是令人滿意的。經(jīng)過低通放大后輸出的信號(hào)是疊加有噪聲的脈動(dòng)正弦波。 脈動(dòng)正弦波 波形整形電路本電路的功能是將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為高低電平信號(hào)輸出到單片機(jī)系統(tǒng)，可以采用反向滯回電壓比較器進(jìn)一步提高電路抗干擾能力。經(jīng)過對(duì)強(qiáng)弱心率信號(hào)的測(cè)試和統(tǒng)計(jì)分析可以將其閾值確定。，U3B是一個(gè)電壓比較器，CR27構(gòu)成一個(gè)微分器，U3C和C1R31組成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，其脈寬由C1R31決定。U3B的輸出信號(hào)()經(jīng)CR27的微分后總是將正、負(fù)相間的尖脈沖()加到單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器U3C的反向輸入端，不會(huì)造成很大的觸發(fā)誤差，因此稍微調(diào)節(jié)下R28即可將該比較器的閥值電壓控制在正弦波的幅值范圍內(nèi)。當(dāng)檢測(cè)到輸入信號(hào)時(shí)，U3B在比較器輸入信號(hào)的每個(gè)后沿到來時(shí)輸出高電平，使C15通過R31充電。大約持續(xù)20ms之后，因C15充電電流減小而使U3B同相輸入端的電位降低到低于反相輸入端的電位，于是U3B改變狀態(tài)并再次輸出低電平。脈沖高電平與心跳同步，并由紅色發(fā)光二極管DS3的閃亮指示出來，即發(fā)光二極管作心跳狀態(tài)顯示，心臟每跳動(dòng)一次發(fā)光二極管就亮一次。同時(shí)，該脈沖電平通過R29送到單片機(jī)/INTO腳，進(jìn)行對(duì)心率的計(jì)算和顯示。 波形整形電路經(jīng)過比較器U3C產(chǎn)生的輸出波形： 輸出波形經(jīng)過微分器產(chǎn)生的輸出波形： 比較后的輸出波形單片機(jī)接收到的信號(hào)： 接收信號(hào) 單片機(jī)控制電路本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)最小系統(tǒng)作為信號(hào)的處理電路，來自取樣和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機(jī)AT89C51的/INTO腳，單片機(jī)設(shè)為負(fù)跳變中斷觸發(fā)模式，每次脈沖下降沿到達(dá)時(shí)觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行計(jì)時(shí)，來一個(gè)脈沖心跳次數(shù)就加一；定時(shí)器中斷主要完成一分鐘的定時(shí)功能 [13]。 單片機(jī)處理電路 LED顯示電路本設(shè)計(jì)采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描來顯示數(shù)據(jù)。兩個(gè)4位的共陽(yáng)極LED數(shù)碼管組成8位顯示，其中0、1兩位顯示測(cè)量中的時(shí)間，4兩位顯示測(cè)量中的心跳次數(shù)，7兩位用來顯示上次測(cè)量的數(shù)據(jù)。單片機(jī)P0口控制顯示字型，P2口控制顯示字位。 單片機(jī)處理電路 LED的結(jié)構(gòu)及工作原理LED數(shù)碼管是由發(fā)光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(yáng)極兩種。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(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。共陽(yáng)極的LED數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管的陽(yáng)極，通常接+5V電源，當(dāng)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。本設(shè)計(jì)中采用的是4位七段共陽(yáng)極數(shù)碼管顯示器，一共具有12個(gè)引腳，4個(gè)位選端，8個(gè)字選端。，4是位選端；a~g、Dp是字選端。 4位數(shù)碼管引腳分布圖 4位共陽(yáng)極數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 LED數(shù)碼管的顯示方式LED數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)碼管的顯示方式可以分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩類。靜態(tài)顯示方式是指當(dāng)顯示器顯示某一字符時(shí)，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(gè)LED數(shù)碼管顯示器都需要一個(gè)8位的輸出口進(jìn)行控制。靜態(tài)顯示主要的優(yōu)點(diǎn)是顯示穩(wěn)定，缺點(diǎn)在于占用硬件資源較多，每個(gè)LED數(shù)碼管需要獨(dú)占8條輸出線。動(dòng)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(gè)數(shù)碼管的位選被輪流選中，多個(gè)數(shù)碼管公用一組段選，段選數(shù)據(jù)僅對(duì)位選選中的數(shù)碼管有效。對(duì)于每一位顯示器來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。通過調(diào)整電流和時(shí)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(gè)8位I/O口進(jìn)行動(dòng)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(gè)8位口(稱為段碼輸出)。通過比較，我們可以發(fā)現(xiàn)LED動(dòng)態(tài)顯示更加適合本設(shè)計(jì)，所以就采用此方法。 報(bào)警電路，它使用的是一個(gè)蜂鳴器，另外一端接地。，為報(bào)警提示音。在系統(tǒng)初始化完成時(shí)會(huì)“嘟、嘟、嘟”連響三聲，系統(tǒng)正常運(yùn)行后在出現(xiàn)生理參數(shù)超出正常閾值時(shí)，報(bào)警電路會(huì)嘟嘟嘟的報(bào)警到生理參數(shù)回到正常閾值內(nèi)或重啟監(jiān)測(cè)儀才會(huì)解除報(bào)警。 報(bào)警電路 硬件系統(tǒng)原理該硬件系統(tǒng)由信號(hào)取樣，信號(hào)放大，波形整流，數(shù)碼管顯示以及報(bào)警等以上所述幾部分電路組成，心率信號(hào)通過取樣電路的傳感器檢測(cè)，經(jīng)過信號(hào)放大，濾波，整流后，由單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理，最后將檢測(cè)到的信號(hào)通過顯示電路顯示出來。 電路原理圖第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(yùn)行, 它是單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)上電后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化程序主要完成對(duì)單片機(jī)內(nèi)專用寄存器、定時(shí)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(shí)器中斷、外部中斷、顯示數(shù)據(jù)等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序[15]。 主程序流程圖 中斷程序流程定時(shí)器中斷服務(wù)程序由一分鐘計(jì)時(shí)、有無測(cè)試信號(hào)判斷等部分組成。當(dāng)定時(shí)器中斷開始執(zhí)行后，對(duì)一分鐘開始計(jì)時(shí)，到60s到了再停止并保存測(cè)得的心跳次數(shù)。同時(shí)可以對(duì)按鍵進(jìn)行檢測(cè)，只要復(fù)位測(cè)試值就可以重新開始測(cè)試。主要完成一分鐘的定時(shí)功能和保存測(cè)得的心跳次數(shù)。外部中斷服務(wù)程序完成對(duì)外部信號(hào)的測(cè)量和計(jì)算。外部中斷采用邊沿觸發(fā)的方式，當(dāng)處于測(cè)量狀態(tài)的時(shí)候，來一個(gè)脈沖心跳次數(shù)就加一，由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器控制一分鐘，累加得出一分鐘內(nèi)的心跳次數(shù)。 中斷程序流程圖 顯示程序流程顯示程序包括顯示上次的心跳次數(shù)、本次測(cè)量中的時(shí)間和心跳次數(shù)。從中斷程序中取得結(jié)果后，先顯示上次的心跳次數(shù)，經(jīng)過10ms的延時(shí)后再顯示測(cè)試中的心跳次數(shù)，再經(jīng)過10ms的延時(shí)顯示測(cè)試中的時(shí)間。 顯示程序流程圖第5章 系統(tǒng)干擾分析及