【文章內(nèi)容簡介】 信號(hào)介紹 由于光電傳感器所輸出的信號(hào)波源強(qiáng)度比較弱，且為類似于正弦波波形， 如圖 所示， 所以對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大整形處理，使其以較強(qiáng)方波形式輸出。 圖 脈搏仿真信號(hào)正弦波 放大 整形 電路 11 圖 放大整形電路 圖 為正弦信號(hào)通過放大整 形電路之后得到的方型波。 圖 整形后的方波 圖 為脈搏信號(hào)在放大整形前后的對(duì)比。 圖 脈搏信號(hào)對(duì)比 單片機(jī)處理電路 12 如圖 ，本部分運(yùn)用了 ATMEL 公司的 89C51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) 89C51 的 ，單片機(jī)設(shè)為 下降沿 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)脈沖脈搏次數(shù)就加 一 ； 定時(shí)器中斷 主要完成 十秒鐘 的定時(shí)功能 。 單片機(jī)對(duì) 十秒鐘 內(nèi)的脈沖 次數(shù) 進(jìn)行累加 并進(jìn)行計(jì)算得出所測人一分鐘的脈搏次數(shù) ，通過 P0、 P2 口把測量過程和結(jié)果 送到數(shù)碼管顯示出來。 圖 單片機(jī)處理電路 顯示電路 LED 的綜述 在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，為了便于人們觀察和監(jiān)視單片機(jī)的運(yùn)行情況，常常 需要用顯示器顯示運(yùn)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(jī)配接。在單片機(jī)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、 13 安裝方便、耐振動(dòng)、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。但顯示內(nèi)容有限，不能顯示圖形，因而其應(yīng)用有局限性。 如圖 為共陰極數(shù)碼管結(jié)構(gòu)。 圖 共陰極數(shù)碼管結(jié)構(gòu) 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(shí)，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(gè) LED 數(shù)碼管顯示器都需要一個(gè) 8 位的輸出口進(jìn)行控制。由于單片機(jī)本身提供的 I/O 口有限，實(shí)際使用中，通常通過擴(kuò)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(diǎn)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(yùn)行過程中，在需要更新顯示內(nèi)容時(shí)， CPU 才去執(zhí)行顯示更新子程序，這樣既節(jié)約了 CPU 的時(shí)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(gè) LED 數(shù)碼管需要獨(dú)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(dòng)態(tài)顯示方式是指一位一位地輪流點(diǎn)亮每位顯示器（稱為掃描），即每個(gè)數(shù)碼管的位選被輪流選中，多個(gè)數(shù)碼管公用一組段選，段選數(shù)據(jù)僅對(duì)位選選中的數(shù)碼管有效。對(duì)于每一位顯示器來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯 示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。通過調(diào)整電流和時(shí)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(gè) 8 位 I/O 口進(jìn)行動(dòng)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(gè) 8 位口（稱為段碼輸出）。 通過比較，我們可以發(fā)現(xiàn) LED 動(dòng) 態(tài)顯示更加適合本設(shè)計(jì)，所以就采用此方法。 14 圖 數(shù)碼管顯示電路 74LS246 介紹 74LS245 是我們常用的芯片，用來驅(qū)動(dòng) LED 或者其他的設(shè)備，它是 8 路同向三態(tài)雙向總線收發(fā)器（如圖 ）， 可雙向傳輸數(shù)據(jù)。 15 圖 74LS246 結(jié)構(gòu)圖 74LS245 還具有雙向三態(tài)功能，既可以輸出，也可以輸入數(shù)據(jù)。 當(dāng) 8051 單片機(jī)的 P0 口總線負(fù)載達(dá)到或超過 P0 最大負(fù)載能力時(shí)，必須接入 74LS245 等總線驅(qū)動(dòng)器。 當(dāng)片選端 /CE 低電平有效時(shí)， DIR=“ 0” ,信號(hào)由 B 向 A 傳輸； DIR=“ 1”，信號(hào)由 A 向 B 傳輸；當(dāng) CE 為高電平時(shí)， A、 B 均為高阻態(tài)。 由于 P2 口始終輸出地址的高 8 位，接口時(shí) 74LS245 的三態(tài)控制端 1G 和 2G接地， P2 口與驅(qū)動(dòng)器輸入線對(duì)應(yīng)相連。 P0 口與 74LS245 輸入端相連 ,E 端 接地，保證數(shù)據(jù)線暢通。 8051 的 /RD 和 /PSEN 相與后接 DIR，使得 RD且 PSEN有效時(shí)， 74LS245 輸入（ ←D1 ），其它時(shí)間處于輸出（ →D1 ）。 脈搏測量儀電路原理圖 16 圖 電路原理圖 17 4 軟件系統(tǒng) 主程序流程： 系統(tǒng)主程序控制單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運(yùn)行 , 它是單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)上電后 ,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化程序主要完成對(duì)單片機(jī)內(nèi)專用寄存器、定時(shí)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(jìn)行定時(shí)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。 流程如圖 所示。 圖 主程序流程圖 定時(shí)器中斷程序 流程： 定時(shí)器中斷服務(wù)程序由 十秒鐘 鐘計(jì)時(shí)、按鍵檢測、有無測試信號(hào)判斷等部分組成。當(dāng)定時(shí)器中斷開始執(zhí)行后，對(duì) 十秒 鐘開始計(jì)時(shí)， 50ms 計(jì)時(shí)到之后繼續(xù)檢開始 初始化 外部 中斷 計(jì)數(shù) 顯示程序 18 測下 50ms，直到 10s 到了再停止并保存測得的脈搏次數(shù)。同時(shí)可以對(duì)按鍵進(jìn)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(shí)功能和保存測得的脈搏次數(shù)。 流程如圖 所示。 圖 定時(shí)器中斷程序流程圖 定時(shí)器 0 中斷進(jìn)入 定時(shí)器初始值設(shè)置 到 1S？ 到 10S？ 處于檢測？ 保存脈搏數(shù) 返回 繼續(xù)計(jì)時(shí) 按鍵檢測 N N Y Y Y 19 定時(shí)器中斷子程序 ： IE=0x8A。 TMOD=0x51。 TH0=(6553650000)/256。 TL0=(6553650000)%256。 while (1) { if(K1==0) { Delay(10)。 if (K1==0) { TR1=TR0=1。 } } else { for(i=0。i5。i++) { P2=DSY_BIT[i]。 P0=DSY_CODE[Disp_Buffer[i]]。 Delay(2)。 } } } INT 中斷程序 流程： 外部中斷服務(wù)程序完成對(duì)外部信號(hào)的測量和計(jì)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(shí)候，來一個(gè)脈沖脈搏次數(shù)就加一，由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí) 20 器控制 十秒 鐘， 并通過計(jì)算 得出一分鐘內(nèi)的脈搏次數(shù)。 流程如圖 所示。 圖 INT 中斷程序流程圖 外部下降沿觸發(fā)子程序 ： IE=0x8A。 TMOD=0x51。 TH0=(6553650000)/256。 TL0=(6553650000)%256。 while (1) { if(K1==0) { 外部中斷 0 進(jìn)入 處于檢測？ 脈搏數(shù) +1 返回 等待按鍵按 下 Y 21 Delay(10)。 if (K1==0) { TR1=TR0=1。 } } Tmp=TH1*256+TL1。 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(shí)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(shí)后再顯示測試中的脈搏次數(shù)，再經(jīng)過 10ms 的延時(shí)顯示測試中的時(shí)間。 流 程如圖 所示。 22 圖 顯示程序流程圖 顯示子程序 ： Tmp=TH1*256+TL1。 Disp_Buffer[4]=Tmp*6/10000。 Disp_Buffer[3]=Tmp*6/1000%10。 Disp_Buffer[2]=Tmp*6/100%10。 Disp_Buffer[1]=Tmp*6%100/10。 Disp_Buffer[0]=Tmp*6%10。 顯示子程序 取結(jié)果 延時(shí) 顯示測試中的脈搏次數(shù) 延時(shí) 返回 23 TH1=TL1=0。 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(duì) 前一次測量的脈搏 數(shù)據(jù)進(jìn)行了 自動(dòng)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(jìn)一步減少讀入數(shù)據(jù)的誤差 。 24 5 抗干擾措施及使用方法 抗干擾措施 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(hào)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(yùn)動(dòng)噪聲。 環(huán)境光對(duì)脈搏傳感器測量的影響 在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收 到的光信號(hào)不僅包含脈搏信息的透射光的信號(hào)，而且包含測量環(huán)境下的背景光信號(hào)，由于動(dòng)脈波動(dòng)引起的光強(qiáng)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。 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(duì)脈搏信號(hào)測量的影響，同時(shí)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(gè)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?yàn)榧又柑资降拿}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(hào)較為穩(wěn)定，沒有明顯的重疊雜波信號(hào)，能夠很好的體現(xiàn)出脈搏波形的特征。 電磁干擾對(duì)脈搏傳感器的影響 通過光電轉(zhuǎn)換得到的包含脈搏信息的電信號(hào)一般比較微弱，容易受到外界電磁信號(hào)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(hào)的傳遞過程就很容易受到外界電磁干擾，通常在一級(jí) 放大電路采用電磁屏蔽的方式來消除電磁干擾。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(jí)放大電路，有效地抑制了外界電磁信號(hào)對(duì)原始脈搏信號(hào)的干擾。 工頻干擾是電路中最常見的干擾，脈搏信號(hào)變化緩慢，特別容易受到工頻信號(hào)的干擾，因此對(duì)工頻信號(hào)干擾的抑制是保證脈搏信號(hào)測量精度的主要措施之 25 一。通常脈搏信號(hào)的頻率范圍在 － 30Hz 之間，小于工頻 50Hz，因此通過低通濾波器可以有效濾除工頻干擾，這在信號(hào)調(diào)理電路中容易實(shí)現(xiàn)；同時(shí)可以在控制電路中對(duì)光源進(jìn)行脈沖調(diào)制，這樣不但能夠降低系統(tǒng)的功耗，而且能夠在一定程度 上減小外界的電磁干擾，在脈搏信號(hào)數(shù)據(jù)采集后，可以通過數(shù)據(jù)處理法方法進(jìn)一步濾除工頻信號(hào)的干擾。 測量過程中運(yùn)動(dòng)噪聲 的影響 測量過程當(dāng)中，通常情況下手指和光電式脈搏傳感器可能產(chǎn)生相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，這樣對(duì)脈搏測量產(chǎn)生誤差，可以通過 2 個(gè)方面減少運(yùn)動(dòng)噪聲誤差：一是改善指套式傳感器的機(jī)械抗運(yùn)動(dòng)性，比如說使指套能夠更緊的 套 在手指上，不易松動(dòng)；二是從脈搏信號(hào)處理的角度，通過算法來減小誤差。對(duì)于傳感器的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在采用的主要是第一個(gè)途徑。 測 量 儀 使用方法 測量儀通電后，數(shù)碼管全部顯示 0。把手輕 輕置于右下角的傳感器中，以稍微有壓迫感為宜，這時(shí)很快就可以看到紅色發(fā)光二極管會(huì)伴隨你的脈搏而閃爍，讓你直觀的看到自己脈搏跳動(dòng)的速度，按下復(fù)位鍵后單片機(jī)和顯示部分開始工作，單片機(jī)立刻開始計(jì)數(shù)，同時(shí)數(shù)碼管顯示出你的心率，非常方便 。 如果偶爾出現(xiàn)不穩(wěn)的情況，請(qǐng)按復(fù)位鍵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。 26 6 系統(tǒng)調(diào)試 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)的調(diào)試可分為兩大部分：模擬部分和純 MCU 部分。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用模塊化設(shè)計(jì)，所以方便了對(duì)各電路功能模塊的逐級(jí)測試 。斷開兩部分的連接點(diǎn)，先調(diào)試 MCU 部分。試著輸入一系列脈沖（用適當(dāng)?shù)碾娮杞诱龢O，間 斷性地輸入），觀察 MCU 部分能是否能顯示；模擬部分用不透明的筆在紅外發(fā)射二極管和接收三級(jí)管之間搖擺，借助示波器觀察波形效果如何。單片機(jī)軟件先在最小系統(tǒng)板上調(diào)試，確保工作正常之后，再與硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。最后將各模塊組合后進(jìn)行整體測試，使系統(tǒng)的功能得以實(shí)現(xiàn)。 （ 1） 放大倍數(shù)的增加 傳感器的輸出端經(jīng)示波器觀察有幅度很小的正弦波，但經(jīng)整形輸出后檢測到的脈沖還是很弱，在確定電路沒有問題的情況下，加強(qiáng)信號(hào)的放大倍數(shù)，調(diào)整電阻 R3 和 R5的阻值。 （ 2） 時(shí)鐘的調(diào)試 根據(jù)晶體振蕩頻率計(jì)算出內(nèi)部定時(shí)器的基本參數(shù) ， 通過運(yùn)行一 段時(shí)間可通過秒表來校正后 ,看時(shí)間誤差的量 ,以這個(gè)量為依據(jù)改變程序中的內(nèi)部定時(shí)器基本參數(shù) ,就可使時(shí)鐘調(diào)準(zhǔn)確。 （ 3）