【文章內(nèi)容簡介】 光電傳感器 光電傳感器檢測原理隨著心臟的跳動，人體組織半透明度隨之改變：當(dāng)血液送到人體組織時，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。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, 于是紅外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。只要把此電信號轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計數(shù)和顯示[10]，即可實時的測出心臟跳動的次數(shù)。 信號取樣電路硬件電路中，關(guān)鍵部分在于心率信號的檢測。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，只需將待測手指插入，便可進(jìn)行測量．測試時，被測手指正好處在發(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R17阻值的選取要求較高。R17選擇270Ω同時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的信號。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的信號。硬件系統(tǒng)是通過檢測指尖來采取脈搏信號，從而得到心率信號。當(dāng)手指離開傳感器或檢測到較強(qiáng)的干擾光線時，輸入端的直流電壓會出現(xiàn)很大變化，為了使它不致泄露到U3A輸入端而造成錯誤指示，用CC10串聯(lián)組成的雙極性耦合電容把它隔斷[11]。 信號采集電路 信號放大電路 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(yùn)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(yùn)放輸出端Vo 的信號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)必須為信號處理電路提供電源。檢測到的信號經(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的傳遞。該系統(tǒng)按人體心率在運(yùn)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。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是疊加有噪聲的脈動正弦波[12]。 信號低通放大電路根據(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是疊加有噪聲的脈動正弦波。 脈動正弦波 波形整形電路本電路的功能是將模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為高低電平信號輸出到單片機(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)過對強(qiáng)弱心率信號的測試和統(tǒng)計分析可以將其閾值確定。，U3B是一個電壓比較器，CR27構(gòu)成一個微分器，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()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)檢測到輸入信號時，U3B在比較器輸入信號的每個后沿到來時輸出高電平，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，心臟每跳動一次發(fā)光二極管就亮一次。同時，該脈沖電平通過R29送到單片機(jī)/INTO腳，進(jìn)行對心率的計算和顯示。 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： 接收信號 單片機(jī)控制電路本設(shè)計采用單片機(jī)最小系統(tǒng)作為信號的處理電路，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)時觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行計時，來一個脈沖心跳次數(shù)就加一；定時器中斷主要完成一分鐘的定時功能 [13]。 單片機(jī)處理電路 LED顯示電路本設(shè)計采用LED數(shù)碼管動態(tài)掃描來顯示數(shù)據(jù)。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心跳次數(shù)，7兩位用來顯示上次測量的數(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)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點(diǎn)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(diǎn)亮。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。，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)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，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，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。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LED數(shù)碼管需要獨(dú)占8條輸出線。動態(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(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。 報警電路，它使用的是一個蜂鳴器，另外一端接地。，為報警提示音。在系統(tǒng)初始化完成時會“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，報警電路會嘟嘟嘟的報警到生理參數(shù)回到正常閾值內(nèi)或重啟監(jiān)測儀才會解除報警。 報警電路 硬件系統(tǒng)原理該硬件系統(tǒng)由信號取樣，信號放大，波形整流，數(shù)碼管顯示以及報警等以上所述幾部分電路組成，心率信號通過取樣電路的傳感器檢測，經(jīng)過信號放大，濾波，整流后，由單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理，最后將檢測到的信號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 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 中斷程序流程定時器中斷服務(wù)程序由一分鐘計時、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，到60s到了再停止并保存測得的心跳次數(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心跳次數(shù)。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，來一個脈沖心跳次數(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)、本次測量中的時間和心跳次數(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的延時后再顯示測試中的心跳次數(shù)，再經(jīng)過10ms的延時顯示測試中的時間。 顯示程序流程圖第5章 系統(tǒng)干擾分析及