【文章內(nèi)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(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(jīng)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(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/INTO腳，進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接收到的信號： 接收信號 單片機控制電路本設(shè)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(shè)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(chǎn)生中斷并進行計時，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(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(shù)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(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。 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(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，由單片機內(nèi)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(shè)計 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(dāng)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(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影響，在指套式傳感器的內(nèi)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