【文章內容簡介】 到較強的干擾光線時，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 。 運算放大器 引腳排列由于LM324 四運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，被廣泛應用在各種電路中。 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)按人體心率在運動后跳動次數達200次/分鐘的計算來設計低通放大器。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U3A將信號放大，放大倍數由R22和R24的比值決定。經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一階有源濾波電路的傳遞函數，可得： ()放大倍數為： () () 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化為高低電平信號輸出到單片機系統(tǒng)，可以采用反向滯回電壓比較器進一步提高電路抗干擾能力。經過對強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CR27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U3C的反向輸入端，不會造成很大的觸發(fā)誤差，因此稍微調節(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。當檢測到輸入信號時，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/INTO腳，進行對心率的計算和顯示。 波形整形電路經過比較器U3C產生的輸出波形： 輸出波形經過微分器產生的輸出波形： 比較后的輸出波形單片機接收到的信號： 接收信號 單片機控制電路本設計采用單片機最小系統(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AT89C51的/INTO腳，單片機設為負跳變中斷觸發(fā)模式，每次脈沖下降沿到達時觸發(fā)單片機產生中斷并進行計時，來一個脈沖心跳次數就加一；定時器中斷主要完成一分鐘的定時功能 [13]。 單片機處理電路 LED顯示電路本設計采用LED數碼管動態(tài)掃描來顯示數據。兩個4位的共陽極LED數碼管組成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，7兩位用來顯示上次測量的數據。單片機P0口控制顯示字型，P2口控制顯示字位。 單片機處理電路 LED的結構及工作原理LED數碼管是由發(fā)光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。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。本設計中采用的是4位七段共陽極數碼管顯示器，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位數碼管引腳分布圖 4位共陽極數碼管結構圖 LED數碼管的顯示方式LED數碼管要正常顯示，就要用驅動電路來驅動數碼管的各個段碼，從而顯示出數據，根據數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數碼管顯示器都需要一個8位的輸出口進行控制。靜態(tài)顯示主要的優(yōu)點是顯示穩(wěn)定，缺點在于占用硬件資源較多，每個LED數碼管需要獨占8條輸出線。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)，即每個數碼管的位選被輪流選中，多個數碼管公用一組段選，段選數據僅對位選選中的數碼管有效。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通電流有關，也與點亮時間和間隔時間的比例有關。通過調整電流和時間參數，可以既保證亮度，又保證顯示。若顯示器的位數不大于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)正常運行后在出現(xiàn)生理參數超出正常閾值時，報警電路會嘟嘟嘟的報警到生理參數回到正常閾值內或重啟監(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，經過信號放大，濾波，整流后，由單片機內部進行處理，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)設計 主程序流程系統(tǒng)主程序控制單片機系統(tǒng)按預定的操作方式運行, 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專用寄存器、定時器工作方式及各端口的工作狀態(tài)的設定。系統(tǒng)初始化之后， 進行定時器中斷、外部中斷、顯示數據等工作，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程序由一分鐘計時、有無測試信號判斷等部分組成。當定時器中斷開始執(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。同時可以對按鍵進行檢測，只要復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。外部中斷服務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，當處于測量狀態(tài)的時候，來一個脈沖心跳次數就加一，由單片機內部定時器控制一分鐘，累加得出一分鐘內的心跳次數。 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、本次測量中的時間和心跳次數。從中斷程序中取得結果后，先顯示上次的心跳次數，經過10ms的延時后再顯示測試中的心跳次數，再經過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)干擾分析及處理措施 干擾分析為了提高該監(jiān)測系統(tǒng)的精確度，系統(tǒng)首先要解決的是硬件方面的干擾問題。在光電式心率監(jiān)測系統(tǒng)的測量過程中，前端測量到的心率信號十分微弱，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。 環(huán)境光干擾及處理措施 在光電心率傳感器中，光敏器件接收到的光信號不僅包含心跳信息的透射光信號，還包含測量環(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變化微弱得多，因此在測量過程當中要保持測量背景光恒定，減少背景光干擾[16]。 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)境光對心率信號測量的影響，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影響，在指套式傳感器的內層表面涂一層吸光材料，能有效減少二次反射光的干擾。 加上指套式外殼后的心率傳感器測量到的心率波形比較平滑。這是因為加指套式的心率傳感器中環(huán)境光在測量過程中基本