【文章內(nèi)容簡介】 10濾波以濾除高頻干擾，再由耦合電容CC9加到線性放大輸入端。 信號采集電路LM324 是四運放集成電路，它采用14 ，除電源共用外，四組運放相互獨立。，它有5個引出腳，其中“+”、“”為兩個信號輸入端，“V+”、“V”為正、負電源端，“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 。 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。 放大電路按人體脈搏在運動后跳動次數(shù)達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一步濾除殘留的干擾，截止頻率由R2C6決定，運放U2B將信號放大，放大倍數(shù)由R23和R27的比值決定。 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：按人體的脈搏跳動為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。 波形整形電路，U2C是一個電壓比較器，C1R29構(gòu)成一個微分器，U2A和CR32組成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，其脈寬由CR32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（）經(jīng)C1R29的微分后總是將正、負相間的尖脈沖（）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(90度到0度上升沿)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/INTO腳，進行對心率的計算和顯示。j 波形整形電路經(jīng)過比較器U2C的輸出波形：經(jīng)過微分器的輸出波形：單片機接收到的信號： ，本部分運用了ATMEL公司的89C51單片機作為核心元件，在這里運用單片機能更快更準(zhǔn)確地對數(shù)據(jù)進行運算，而且可以根據(jù)實際情況進行編程，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89C51的/INTO腳，單片機設(shè)為負跳變中斷觸發(fā)模式，故每次脈沖下降沿到達時觸發(fā)單片機產(chǎn)生中斷并進行計時，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。單片機對一分鐘內(nèi)的脈沖次數(shù)進行累加，通過P0、P2口把測量過程和結(jié)果送到數(shù)碼管顯示出來[9]。 單片機處理電路 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)。單片機的P0口控制顯示字型，P2口控制顯示字位。 顯示電路 LED 的綜述在單片機的應(yīng)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(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，都可以與微機配接。在單片機應(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[11]。 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。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位的輸出口進行控制。由于單片機本身提供的I/O口有限，實際使用中，通常通過擴展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。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) 主程序流程：系統(tǒng)主程序控制單片機系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運行, 它是單片機系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)上電后,對系統(tǒng)進行初始化。初始化程序主要完成對單片機內(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]。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)。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)。圖 INT中斷程序流程圖 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。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，進一步減少讀入數(shù)據(jù)的誤差。第五章 抗干擾措施及使用方法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。 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(dāng)中要保持測量背景光的恒定，減少背景光的干擾[13]。 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。 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[14]。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