【文章內(nèi)容簡介】 件檢測到，血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比在血液中的穿透性高出幾十倍，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，光電式脈搏傳感器采用的是透射式光電效應(yīng)對(duì)手指進(jìn)行脈搏信號(hào)的拾取，這里使用的光敏器件是加了反向偏壓的光敏二極管，這種光敏二極管的反向電流具有隨光照強(qiáng)度增加而增加的光電效應(yīng)特性，在一定的光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，光敏二極管的反向電流與光照強(qiáng)度呈線性關(guān)系，人體的皮膚、肌肉、骨骼對(duì)光的吸收頻率是恒定不變的，而人體血管中的血液濃度會(huì)隨著心臟的跳動(dòng)而呈周期性的變化，光源和光敏二極管分別放置在手指尖端的兩側(cè)，光源發(fā)出的光照射 到指端，當(dāng)指端血管的血液容積和透光度隨心搏的改變而改變時(shí)，另一端的光敏二極管接收到的光照強(qiáng)度也會(huì)隨之發(fā)生改變，使得光敏二極管產(chǎn)生的光電流也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，由于心臟跳動(dòng)是呈周期性的，因此血管中的血液濃度也會(huì)呈周期性的變化，由此光敏二極管接收到得光照強(qiáng)度也呈周期性變化，光敏二極管將會(huì)產(chǎn)生脈沖電信號(hào)，這種脈沖電信號(hào)信號(hào)通過信號(hào)的放大、檢波、濾波最后通過傳輸設(shè)備傳入單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)處理和 A/D 轉(zhuǎn)換，最后通過傳輸設(shè)備傳入數(shù)碼管和播報(bào)器顯示出測量結(jié)果。 方案確定 壓電式脈搏傳感器功能比較全面，技術(shù)也比較成熟，應(yīng) 用比較廣泛，目前已經(jīng)被應(yīng)用于很多領(lǐng)域，但就其操作復(fù)雜，一個(gè)人很難實(shí)現(xiàn)對(duì)自己的脈搏進(jìn)行測量，而且輸出波形只有專業(yè)醫(yī)師通過分析之后才能對(duì)人體健康狀況作出判斷，所以很少用在家用電器中，只有在體育器材或是醫(yī)院的大型專業(yè)醫(yī)療器械才能用到。而且這種傳感器的體溫檢測功能在本次設(shè)計(jì)中沒有得到體現(xiàn)，且它的價(jià)格比較昂貴。 光電式脈搏傳感器是當(dāng)今世界比較先進(jìn)的脈搏傳感器，由于剛被人們使用，技術(shù)不是很成熟，是一項(xiàng)新興的光電技術(shù)，還有很多方面需要完善，目前被應(yīng)用的并不是很多，但其結(jié)構(gòu)比較簡單，只需一個(gè)光源和一個(gè)光敏器件就能實(shí)現(xiàn)，操作 簡單，只需將手指放于光源和光敏器件之間就能實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏的測量，可以用于個(gè)人使用和家庭使用，這種傳感器可以自己完成制作且容易實(shí)現(xiàn)，不需要花太多的錢去買，精確度高。 考慮到以上諸多因素，本課題采用光電式脈搏傳感器。光電式脈搏傳感器結(jié)構(gòu)比較簡單，制作工藝容易實(shí)現(xiàn)，所以本文自行設(shè)計(jì)的光電傳感器我來進(jìn)行脈搏的測量。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 元器件介紹 AT89C2051 單片機(jī) AT89C2051 是一個(gè) CMOS 8 位單片機(jī)，具有高性能、低電壓的特點(diǎn)，其片內(nèi)含 2Kbt的可反復(fù)擦寫的只讀 Flash 程序存儲(chǔ)器 （ ROM） 和 128 bt 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）。美國ATMEL 公司采用了高密度、非易失真性存儲(chǔ)技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)而成，它兼容標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51單片機(jī)指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中 央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元。 AT89C2051 單片機(jī)技術(shù)比較先進(jìn)，功能也比較全面，其采用了 20 引腳封裝技術(shù)，15 個(gè)雙向 I/O 口線，其中 P1 口是一個(gè)完整的 8 位雙向 I/O 口，此外還有兩個(gè)外中斷口、一個(gè)模擬比較放大器、兩個(gè)全雙向串行通信口、兩個(gè) 16 位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器 。 AT89C2051 與其它單片機(jī)相比有一個(gè)特殊點(diǎn)就是它的時(shí) 鐘頻率可以為零，可以通過軟件設(shè)置睡眠系統(tǒng)，能有效的節(jié)省電能，當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)，可以通過 RAM、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、串行口和外中斷口等系統(tǒng)喚醒方式將其喚醒，系統(tǒng)被喚醒后就會(huì)進(jìn)入繼續(xù)工作狀態(tài)，接著睡眠前得工作狀態(tài)繼續(xù)工作。在省電模式中，單片機(jī)所有將會(huì)功能停止工作，直至系統(tǒng)被硬件復(fù)位喚醒后方可繼續(xù)運(yùn)行。 （ 1） AT89C2051 引腳簡介，引腳圖如圖 31 所示。 圖 31 AT89C2051 引腳圖 ① VCC：電源端口。 ② GND：接地端口。 ③ P1 口： P1 口是一個(gè)完整的 8位雙向 I/O 口。引腳 和 在接外圍元件時(shí) 必須設(shè)置外部上拉電阻，引腳 ~ 上拉電阻由單片機(jī)內(nèi)部提供。 和 還可以分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入端 (ANI0)和反相輸入端 (AIN1)。 P1 口輸出緩沖器哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 可吸收 20mA 電流并能直接驅(qū)動(dòng) LED 進(jìn)行數(shù)碼 顯示。當(dāng) P1 口引腳寫入“ 1” 時(shí)，就可用作輸入端，當(dāng)引腳 ~ 用作輸入并被外部設(shè)備拉低時(shí)，它們將因內(nèi)部的上拉電阻作用而輸出電流。 ④ P3 口： P3 口的引腳 ~ 和 是七個(gè)雙向 I/O 口，它們都帶有內(nèi)部上拉電阻。 作為一通用 I/O 引腳，不但可以訪問還可以用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號(hào)。 P3 口緩沖器可吸收 20mA 的電流。當(dāng) P3 口寫入“ 1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時(shí)， P3 口被外部拉低時(shí)將被上拉電阻作用而輸出電流。P3 口還用于實(shí)現(xiàn) AT89C2051 的其他功能，其第二功能如表 31 所列： 表 31 P3 口第二功能表 引 腳 功 能 RXD 串行輸入端口 TXD 串行輸入端口 INT0 外中斷 0 INT1 外中斷 1 T0 定時(shí)器 0 外部輸入 T1 定時(shí)器 1 外部輸入 （注： P3口還接收一些用于閃速記憶體編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 ） ⑤ RST： 復(fù)位輸入 引腳 。 當(dāng) RST 變成高電平 時(shí)，單片機(jī) 所有的 I/O 口 引腳就 被 復(fù)位到“ 1” 。振蕩器正在運(yùn)行時(shí)，持續(xù)給 RST 引腳兩個(gè)機(jī)器 周期 的高電平便可完成復(fù)位。每一個(gè)機(jī)器周期需 12個(gè)時(shí)鐘周期。 ⑥ XTAL1： 用 作反相器 、 振蕩器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器 的輸入端口 。 ⑦ XTAL2：反相放大器 和 振蕩器 的輸出端口 。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 （ 2） AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 32 AT89C205 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 AT89C2051是帶有 2K 字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ EEPROM）微處理器。它采用 ATMEL 的 高密 非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造 ， 并 能 和標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼 RAM 地址寄存器 PEROM RAM 程序地址寄存器 VCC GND 堆棧指示器 ACC B 寄存器 緩沖器 TM2 TM1 PC 增量器 程 序計(jì)數(shù)器 ALU 中斷、串行端口與定時(shí)器單元 PSW RST 指令寄存器 同步與控制 DPTR 端口 2儲(chǔ)存 端口 1儲(chǔ)存 振蕩器 端口 3 驅(qū)動(dòng) 端口 1 驅(qū)動(dòng) 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 容。通過在單塊芯片上組合通用的 CPLI 和閃速記憶體， ATMEL 的 AT89C2051是強(qiáng)勁的微型處理器，它對(duì)許多嵌入式控制應(yīng)用提供一定高度靈活和成本低的解決辦法。 AT89C2051具有 以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 2K 字節(jié)閃速記憶體， 128字節(jié) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM，15個(gè)雙向 I/O 口，兩個(gè) 16位定時(shí)器，一個(gè) 兩級(jí) 五矢量中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行 接 口，一個(gè)精密模擬比較器以及兩種可選的軟件節(jié)電工作方式?？臻e方 可以 停止 CPU 工作但允許定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、 程序存儲(chǔ)器 RAM、中斷系統(tǒng) 和 串行工作口繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 內(nèi)容但振蕩器停止工作并禁止 所 有其他部件的 工作直 到下一個(gè)硬件復(fù)位 [15， 16]。 LM324 簡介 LM324 系列器件 是 帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。 其價(jià)格便宜， 與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大 器相比， 具有很多 優(yōu)點(diǎn)。該四 運(yùn)算 放大器 工作電壓跨度較大， 可以在低到 伏或者高到 32 伏的電源 電壓 下 正常工作 ，靜態(tài)電流為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算 放大器 可用圖 33 所示的符號(hào)來表示，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 輸入 端， “ Vo” 為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中， Vi為反相 信號(hào) 輸入端，表示該輸入端 與 運(yùn)放輸出端 Vo 的信號(hào)的位相反； Vi+為同相 信號(hào) 輸入端，表示該輸入端 與 運(yùn)放輸出端 Vo 的信號(hào)的相位相同。LM324 采用 14 腳雙列直插塑膠封裝 ， 引腳排列如圖 34 所示： 圖 33 運(yùn)算放大器 圖 34 LM324 引腳圖 由于 LM324 四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，可單電源使用，靜態(tài)功耗小， 價(jià)格便宜 等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種 放大 電路中。 參數(shù)描述： 運(yùn)放類型 低功率；放大器數(shù)目 4；帶寬 ；針腳數(shù) 14； 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 工作溫度范圍 0℃ 70℃ ；封裝類型 SOIC； 3dB 帶寬增益乘積 ；變化斜率；增益帶寬 ；電源電壓范圍 V32V；運(yùn)放特點(diǎn) 高增益頻率補(bǔ)償運(yùn)算。 LM324 的特點(diǎn) ： （ 1）短路保護(hù)輸出； （ 2）真差動(dòng)輸入級(jí)； （ 3）可單電源工作： 3V32V； （ 4）低偏置電流：最大 100nA； （ 5）每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器； （ 6）具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ埽? （ 7） 共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源； （ 8）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列； （ 9）輸入端具有靜電保護(hù)功能。 7809 和 7805 簡介 （ 1） 7089簡介 7809系 列為 3端正穩(wěn)壓電路 元器件 ,采用 TO220封裝 技術(shù) ， 可以為不同的元器件 提供 不同的 固定輸出電壓 ，從而在電路設(shè)計(jì)方面得到了廣泛的應(yīng)用 。 芯片內(nèi)部 內(nèi)含 有 過 熱 、超載 和 過流 保護(hù)電路。 當(dāng) 帶 有 散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá) 1A 左右 。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但外接元件 的不同 ，可獲得不同的 輸出 電 流 和電 壓。 7809外 形引腳圖如圖 35所示，三個(gè)引腳從左到右依次是輸入引腳 （ INPUT） 、接地引腳 （ GND） 、輸出引腳 （ OUTPUT） 。 圖 35 7809 外形引腳圖 7809 主要特點(diǎn)：輸出電流為 1A；輸出電壓為 9V；具有過熱保護(hù)、短路保護(hù)、輸出晶體管 SOA 保護(hù)等功能。 7089 各參數(shù)極限值： VI—— 輸入電壓 (VO=5~18V) 35V RθJC—— 熱阻（結(jié)到殼） 5℃ /W RθJA—— 熱阻（結(jié)到空氣） 65℃ /W 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 TOPR—— 工作結(jié)溫范圍 0~125℃ TSTG—— 貯存溫度范圍 65~150℃ （ 2） 7805簡介 7805是一個(gè)輸出正 5V 直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。 IC 采用集成穩(wěn)壓器 7805， C C2分別為輸入端和輸出端濾波電容， RL 為負(fù)載電阻。當(dāng)輸出電流較大時(shí)， 7805應(yīng)配上散熱板。 7805外形引腳圖如圖 36所示，其引腳從左到右依次為輸入引腳 （ INPUT） 、接地引腳 （ GND） 、輸出引腳 （ OUTPUT） [22， 23]。 圖 36 7805 外形引腳圖 7805電參數(shù) 如表 32所示： 表 32 7085電參數(shù)表 參數(shù) 符號(hào) 測試條件 最小值 典型值 最大值 單位 輸出電壓 Vo Tj=25℃ V 1o Po15W ， Vi= V 線性調(diào)整率 △ Vo Tj=25℃ ， Vi= 100 mV Tj=25℃ ， Vi=8V12V 50 mV 負(fù)載調(diào)整率 △ Vo Tj=25℃ lo= 9 100 mV Tj=25℃ lo=250mA750mA 4 50 mV 靜態(tài)電流 IQ Tj=25℃ 8 mA 靜態(tài)電流變化率 △ IQ lo= mA Vi=8V25V mA 輸出電壓溫漂 △ Vo/△ T lo=5mA mV/℃ 輸出噪音電壓 VN f=10Hz100KHz， Ta=25℃ 42 μV 紋波抑制比 RR f=120Hz， Vi=8V18V 62 73 dB 輸入輸出電壓差 Vo lo=， Tj=25℃ 2 V 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 輸出 阻抗 Ro f=1KHz 15 mΩ 短路電流 1SC Vi=35V， Ta=25℃ 230 mA 峰值電流 1PK Tj=25℃ A 整體電路分析 本次設(shè)計(jì)為單片機(jī)控制數(shù)碼管顯示型便捷式脈搏測量儀，硬件整體電路如圖 37 所示。整個(gè)電路圖可以分為脈搏信號(hào)采集電路、脈搏信號(hào)處理電路和單片機(jī)控制顯示電路三部分組成。 圖 37 硬件整體電路圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1