【文章內(nèi)容簡介】 質(zhì)在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比。當(dāng)恒定波長的光照射到人體組織上時(shí)，通過人體組織吸收、反射衰減后，測量到的光強(qiáng)將在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征 [7]。 脈搏心率主要由人體動(dòng)脈舒張和收縮產(chǎn)生的，在人體指尖組織中的動(dòng)脈成分含量高，而且指尖厚度相對(duì)其他人體組織而言比較薄， 透過手指后檢測到的光強(qiáng)相對(duì)較大，因此光電式脈搏心率傳感器的測量部位通常在人體指尖。 手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織，其中非血液組織的光吸收量是恒定的，而在血液中，靜脈血的搏動(dòng)相對(duì)于動(dòng)脈血是十分微弱的，可以忽略。因此可以認(rèn)為光透過手指后的變化僅由動(dòng)脈血的充盈而引起的，那么在恒定波長的光源照射下，通過檢測透過手指的光強(qiáng)將可以間接測量到人體的脈搏心率信號(hào) [7]。 光電傳感器的結(jié)構(gòu) 傳感器由紅外發(fā)光二級(jí)管和紅外接收三極管組成。 采用 GaAs 紅外發(fā)光二極管作為光源時(shí)，可基本抑制由呼吸運(yùn) 動(dòng)造成的脈搏心率波曲線的漂移。 紅外接收三極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能，它的特性是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 從光源發(fā)出的光除被手指組織吸收以外，一部分由血液漫反射返回，其余部分透射出來。光電式脈搏心率傳感器按照光的接收方式可分為透射式和反射式 2種 [8]。其中透射式的發(fā)射光源與光敏接收器件的距離相等并且對(duì)稱布置，接收的是透射光。 反射式的發(fā)射光源與光敏接收器件。 因此 本系統(tǒng)采用了 反射式 光電傳感器。 結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 反射式 光電傳感器 12 光電傳感器檢測原理 檢測原理是 : 隨著心臟的搏動(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、耳垂等部位最為明顯 [5]。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的手指部位，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把它轉(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)的 , 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。故只要把此電信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示 [9]，即 可實(shí)時(shí)的測出脈搏心率的次數(shù)。 信號(hào)采集電路 圖 是脈搏心率信號(hào)的采集電路， U2 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) R10阻值的選取要求較高。 R10 選擇 470Ω 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。 R21 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)別有脈搏心率和無脈搏心率時(shí)的信號(hào)。反之， R21 過小，通過的電流偏大，紅外接收三極管也不能準(zhǔn)確地辨別有脈搏心率和無脈搏心率時(shí)的信號(hào)。當(dāng)手指離開傳感器或檢測到較強(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 LM358 輸入端而造成錯(cuò)誤指示，用 C4 耦合電容把它隔斷 [10]。 當(dāng)手指處于測量位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)二種情況：一是無脈期。雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是由于紅外接收三極管中存在暗電流，會(huì)造成輸出電壓略低。二是有脈期。當(dāng)有跳動(dòng)的脈搏心率時(shí)，血脈使手指透光性變差，紅外接收三極管中的暗電流減小，輸出電壓上升。但該傳感器輸出信號(hào)的頻率很低，如當(dāng)脈搏心率只有為 50 次 /分鐘時(shí)，只有 ， 200 次 /分鐘時(shí)也只有 ，因此信號(hào)首先經(jīng)耦合電容 C4 耦合 ， 再由 R C5 濾波以濾除高頻干擾 后 ， 加到線性放大輸入端。 13 圖 信號(hào)采集電路 信號(hào)放大 放大器的介紹 LM358 是由兩個(gè)獨(dú)立的高增益運(yùn)算放大器組成。可以是單電源工作，也可以是雙電源工作，電源的電流消耗與電源電壓大小無關(guān)。應(yīng)用范圍包括變頻放大器、 DC 增益部件和所有常規(guī)運(yùn)算放大電路。采用 DIP8 或 SOP8 封裝形式。 每一組運(yùn)算放大器可用圖 ，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。 LM358 的引腳排列見圖 。 圖 圖 由于 LM358 二 運(yùn)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(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。 14 放大電路 按人體脈搏心率在運(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，如圖 所示。 R 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R C6 決定，運(yùn)放 LM358 將信號(hào)放大，放大倍數(shù)由 R12 和 R13 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： 200。 截止頻率為： 。 按人體的脈搏心率跳動(dòng)為 200 次 /分鐘時(shí)的頻率是 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。波形如圖 所示。 15 圖 波形整形電路 波形整形電路如圖 所示， LM358 是一個(gè)電壓比較器。 當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)， LM358 在比較器輸入信號(hào)的每個(gè)后沿到來時(shí)輸出 低 電平，用 發(fā)光二極管 D1 作脈搏心率測量狀態(tài)顯示，脈搏心率每跳動(dòng)一次發(fā)光二極管就亮一次。同時(shí)，該脈沖電平送到單片機(jī) /INTO 腳，進(jìn)行對(duì)心率的計(jì)算和顯示。輸出 波形如圖 所示。 16 圖 波形整形電路 經(jīng)過比較器 LM358 的輸出波形： 圖 17 單片機(jī)處理電路 如圖 所示， 本部分運(yùn)用了 STC 公司的 89C52 單片機(jī)作為核心元件 ，在這里運(yùn)用單片機(jī)能更快更準(zhǔn)確地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，而且可以根據(jù)實(shí)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) 89C52 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(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)脈沖脈搏心率次數(shù)就加一 ；定時(shí)器中斷 主要完成一分鐘的定時(shí)功能。單片機(jī)對(duì)一分鐘內(nèi)的脈沖次數(shù)進(jìn)行累加，通過 P0、 P1 口把測量過程和結(jié)果送到LCD1602 顯示出來 [9]。 圖 單片機(jī)處理電路 顯示電路 本設(shè)計(jì)的顯示采用 LCD1602來顯示。單片機(jī)的 P0口 ， P1口控 制 顯示器 。顯示電路如圖 。 18 圖 顯示電路 19 LCD1602 的綜述 1602LCD 是指顯示的內(nèi)容為 16X2,即可以顯示兩行，每行 16 個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于 HD44780 液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于 HD44780 寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。 LCD1602 的結(jié)構(gòu) 工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示 16x02 即 32 個(gè)字符。（ 16 列 2 行） 注：為了表示的方 便 ，后文皆以 1 表示高電平， 0 表示 低電平 。 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型 液晶模塊 。它由若干個(gè) 5X7 或者 5X11 等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有 間隔，起到了字符間距和 行間距 的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形（用自定義 CGRAM，顯示效果也不好）。 1602LCD 是指顯示的內(nèi)容為 16X2,即可以顯示兩行，每行 16 個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。 目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于 HD44780 液晶芯片的， 控制原理 是完全相同的，因此基于 HD44780 寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。 ⑵ 管腳功能 1602 采用標(biāo)準(zhǔn)的 16 腳接口，其中： 第 1 腳： VSS 為電源地 第 2 腳： VCC 接 5V 電源正極 第 3 腳： V0 為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生 “鬼影 ”，使用時(shí)可以通過一個(gè) 10K 的電位器調(diào)整對(duì)比度）。 20 第 4 腳： RS 為寄存器選擇，高電平 1 時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平 0 時(shí)選擇指令寄存器。 第 5 腳： RW 為讀寫信號(hào)線，高電平 (1)時(shí)進(jìn)行讀操作 ，低電平 (0)時(shí)進(jìn)行寫操作。 第 6 腳： E(或 EN)端為使能 (enable)端 ,高電平（ 1）時(shí)讀取信息，負(fù)跳變時(shí)執(zhí)行指令。 第 7～ 14 腳： D0～ D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)端。 第 15～ 16 腳：空腳或背燈電源。 15 腳背光正極， 16 腳背光負(fù)極。 ⑶ 特性 或 5V 工作電壓，對(duì)比度可調(diào) 內(nèi)含復(fù)位電路 提供各種控制命令 ,如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能 有 80 字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 DDRAM 內(nèi)建有 192 個(gè) 5X7 點(diǎn)陣的字型的字符發(fā)生器 CGROM 8 個(gè)可由用戶自定義的 5X7 的字符發(fā)生器 CGRAM 管腳功能 1602 采用標(biāo)準(zhǔn)的 16 腳接口，其中： 第 1 腳： VSS 為電源地 第 2 腳： VCC 接 5V 電源正極 第 3 腳： V0 為 液晶顯示器 對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過高時(shí)會(huì) 產(chǎn)生 “鬼影 ”，使用時(shí)可以通過一個(gè) 10K 的電位器調(diào)整對(duì)比度）。 21 第 4 腳： RS 為 寄存器 選擇，高電平 1 時(shí)選擇 數(shù)據(jù)寄存器 、低電平 0 時(shí)選擇指令寄存器 。 第 5 腳： RW 為讀寫信號(hào)線，高電平 (1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平 (0)時(shí)進(jìn)行寫操作。 第 6 腳： E(或 EN)端為使能 (enable)端。 第 7～ 14 腳： D0～ D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)端。 第 15～ 16 腳： 空腳 或背燈電源。 15 腳背光正極， 16 腳背光負(fù)極。 特性應(yīng)用 + 電壓，對(duì)比度可調(diào) 內(nèi)含 復(fù)位電路 提供各種控制命令 ,如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能 有 80 字節(jié) 顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 DDRAM 內(nèi)建有 192 個(gè) 5X7 點(diǎn)陣的字型的字符發(fā)生器 CGROM 8 個(gè)可由用戶自定義的 5X7 的字符發(fā)生器 CGRAM 微 功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。 LCD1602 指令集 1602 通過 D0~D7 的 8 位數(shù)據(jù)端傳輸數(shù)據(jù)和指令。 顯示模式設(shè)置： (初始化 ) 0011 0000 [0x38] 設(shè)置 162 顯示， 57 點(diǎn)陣， 8 位數(shù)據(jù)接口； 顯示開關(guān)及光標(biāo)設(shè)置： (初始化 ) 0000 1DCB D 顯示 (1 有效 )、 C 光標(biāo)顯示 (1 有效 )、 B 光標(biāo)閃爍 (1 有效 ) 0000 01NS N=1(讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地址 指針 加 1 amp。光標(biāo)加 1)， N=0(讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地址指針減 1 amp。光標(biāo)減 1)， S=1 且