【文章內(nèi)容簡介】 4． 數(shù)碼顯示 即把單片機(jī)計(jì) 算得出的結(jié)果用 8位 LED數(shù)碼管靜態(tài)掃描來顯示，便于直接準(zhǔn)確無誤的讀出數(shù)據(jù)。 5. 電源 即向 光電 傳感器 、信號處理、 單片機(jī)提供的 電源，可以是 5V9V的交流或直流的穩(wěn)壓電源。 7 本設(shè)計(jì)采用單片機(jī) AT89C51為控制核心，實(shí)現(xiàn)脈搏測量儀的基本測量功能。 脈搏測量儀硬件框圖 如下 圖 所示： 圖 脈搏測量儀的工作原理 當(dāng)手指放在紅外線發(fā)射二極管和接收三極管中間，隨著心臟的跳動，血管中血液的流量將發(fā)生變換。由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液飽和程度的變化將引起光的強(qiáng)度發(fā)生變化，因此和心跳的節(jié)拍相對應(yīng)，紅外接收三極管的電流也跟著改變，這就導(dǎo)致紅外接收三極管輸出脈沖信號。該信號經(jīng)放大 、 濾波 、 整形后輸出，輸出的脈沖信號作為單片機(jī)的外部中斷信號。單片機(jī)電路對輸入的脈沖信號進(jìn)行 計(jì)算處理后把結(jié)果送到數(shù)碼管顯示。 外部中斷信號 光電傳感器 低通放大器 比較器和振蕩器 單片機(jī) AT89C51 數(shù)碼顯示電路 外部晶振 8 脈搏測量儀 的特點(diǎn) 與傳統(tǒng)的 脈搏測量儀 相比， 光電式脈搏測量儀 具有以下特點(diǎn) ： 1. 測量的探測部分不侵入機(jī)體，不造成機(jī)體創(chuàng)傷，通常在體外。 2. 傳感器可重復(fù)使用且速度快 ，精度高。 3. 測試的適用電壓為 5V9V的直流電壓 。 4. 穩(wěn)定性好、磨損小、壽命長、維修方便。 5. 由于結(jié)構(gòu)簡單，因此體積小、重量輕 、性價比優(yōu)越 。 6. 測量的 有效范圍為 50次 199次 /分鐘。 9 第 3 章 硬件系統(tǒng) 控制器 本系統(tǒng)基于 51系列單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橄到y(tǒng)沒 有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們最終選擇了 AT89C51通用的比較普通單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 10 AT89C51 簡介 AT89C5l 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器 (PEROM)和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲單元，功能強(qiáng)大 AT89CSl 單片機(jī)可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場 合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 AT89C51 的特點(diǎn) 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲器 1000 次擦寫周期 全靜態(tài)操作： OHz24MHz 三級加密程序存儲器 128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM 32 個可編程 I／ O 口線 2 個 16 位定時／計(jì)數(shù)器 6 個中斷源 可編程串行 UART 通道 低功耗空閑和掉電模式 AT89C51 的結(jié)構(gòu) 此次設(shè)計(jì)所使用的 AT89C51 的封裝形式是 DIP40。如圖 所示 。 11 圖 AT89C51 的封裝形式 引腳功能： Vcc：電源電壓 GND： 接 地 P0口： P0口是一組 8位漏極開路型雙向 I／ 0口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫 “1”可作為高阻抗轉(zhuǎn)入端用。 Pl口： P1 是 —個帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I／ O 口， P1的輸出緩沖級可驅(qū)動 (吸收或輸出電流 )4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫 “1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電萌 。 P2口： P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O口， P2 的輸 出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流 )4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫 “1”，通 12 過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時 ，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流 。 P3口： ： ① 可以作為輸入 /輸出口，外接輸入 /輸出設(shè)備。 ② 作為第二功能使用，每一位功能定義如表 所示。 表 P3 口的第二功能 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時， RST引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG： 當(dāng)訪 問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE(地址鎖存允許 )輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器， ALE仍以時鐘振器頻率的 1／ 6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。 PSEN：程序存儲允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng) AT89C51 由外部程序存儲器取指令 (或數(shù)據(jù) )時．每個機(jī)器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的 PSEN 信號不出現(xiàn)。 EA／ VPP： EA ＝ 0，單片機(jī)只訪問外部程序存儲器。 EA ＝ 1，單片機(jī)訪問 內(nèi)部程序存儲器。 ． XTALI： 振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 ． XTAL2： 振蕩器反相放大器的輸出端。 14 目前脈搏波檢測系統(tǒng)有以下幾種檢測方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應(yīng)變式脈搏傳感器。近年來 , 光電檢測技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很快 , 這主要是由于光能避開強(qiáng)烈的電磁干擾 , 具有很高的絕緣性 , 且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息 ,具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、精度高、可重復(fù)好等優(yōu)點(diǎn) [6]。用光電法提取指尖脈 搏光信息受到了從事生物醫(yī)學(xué)儀器工作的專家和學(xué) 者的重視。 光電 傳感器的原理 根據(jù)朗伯一比爾 (Lamber—Beer)定律，物質(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，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]。 脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生的，在人體指尖 組織中的動脈成分含量高，而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測到的光強(qiáng)相對較大，因此光電式脈搏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，靜脈血的搏動相對于動脈血是十分微弱的，可以忽略。 因此可以認(rèn)為光 透過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起的，那么在恒定波長的光源 照射下，通 15 過檢測透過手指的光強(qiáng)將可以間接測量到人體的脈搏信號 [7]。 光電 傳感器的結(jié)構(gòu) 傳感器由紅外發(fā)光二級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，可基本抑制由呼吸運(yùn)動造成的脈搏波曲線的漂移。 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轉(zhuǎn)換為電信號。 在 本設(shè)計(jì)中 ，紅外接收三 極管和紅外發(fā)射二極管相對擺放以 獲得最佳的指向特性。 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稱布置，接收的是透射光，這種方法可較好地反映出心律的時間關(guān)系。因此 本系統(tǒng)采用 了指套式的透射型光電傳感器 , 實(shí)現(xiàn)了光電隔離 ,減少了對后級模擬電路的干擾 。 結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 透 射式光電傳感器 光電傳感器檢測原理 檢測 原理是 : 隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變：當(dāng)血液 送到人體組織時，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 16 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 。由于手指動脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動變化，所以它對光的反射和衰減也是周期性脈動的 , 于是紅外接收 三極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化。故只要把此電信號轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示 [9]，即可實(shí)時的測出脈搏的次數(shù)。 信號采集 電路 圖 是脈搏信號的 采集 電路， U3 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 R21阻值的選取要求較高 。 R21 選擇 270Ω同時也是基于 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)別有脈搏和無脈搏時的信號。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 地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。當(dāng)手指離開傳感器或檢測到較強(qiáng)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 U2B輸入端而造成錯誤指示，用 C C9串聯(lián)組成的雙極性耦合電容把它隔斷 [10]。 當(dāng)手指處于測量位置時，會出現(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，會造成 輸出電壓 略低 。二是有脈期。當(dāng)有跳動的脈搏時， 17 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 該傳感器輸出信號的頻率很低，如當(dāng)脈搏只有為 50 次 /分鐘時， 只 有 ， 200 次 /分鐘時也只有 ， 因此信號首先經(jīng) R2C10濾波以濾除高頻干擾 ，再由耦合電容 C C9加到線性放大輸入端。 圖 信號采集電路 放大 放大器的介紹 LM324 是四運(yùn)放集成電路，它采用 14 腳雙列直插塑料封裝 .它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。 每一組運(yùn)算放大器可用圖 ，它有 5個引出腳，其中 “+”、 “”為兩個信號輸入端， “V+”、 “V”為正、負(fù)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(yùn)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(yùn)放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相同。 LM324 的引腳排列見圖 18 。 圖 圖 由于 LM324 四運(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， 價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。 放大電路 按人體脈搏在運(yùn)動后跳動次數(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 。 R2 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 R2 C6決定，運(yùn)放 U2B 將信號放大 ，放大倍數(shù)由 R23和 R27 的比值決定。 19 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： 230 27 11 1 2 1 44 .7R MA RK? ? ? ? ? 截止頻率為：0 2 3 61 3 .3 92f H zRC??? 按人體的脈搏跳動為 200 次 /分鐘時的頻率是 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是疊加有噪聲的脈動正弦波。波形如圖 所示。 20 圖 波形整形 電路 波形 整形電路如圖 所示， U2C 是一個電壓 比較器， C1 R29構(gòu)成一個微分器， U2A 和 C R32 組成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器 ，其脈寬 由C R32 決定。 該比較器的閥值電壓可用 R31 調(diào)節(jié)在正弦波的幅值范圍內(nèi)，但是對 R31的調(diào)節(jié)要求 并不嚴(yán)格，因?yàn)?U2C的 輸出 信號 （ 波形 如圖 ） 經(jīng)C1 R29 的微分后總是將正、負(fù)相間的尖脈沖 （波形如圖 ） 加到單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器 U2A的 反 向輸入端，不會造成很大的觸發(fā)誤差。 當(dāng)有輸入信號時， U2A在比較器輸入信號的每個后沿到來時輸出高電平，使 C7 通過 R32充電。大約持續(xù) 20ms之 后，因 C7 充電電流減小而使 U2A 同相輸入端的電位降低到低于反相輸入端的電位（尖脈沖已過去很久），于是 U2A改變狀態(tài)并再次輸出低電平。這長的脈沖是與脈搏同步的，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 21 作脈搏測量狀態(tài)顯示，脈搏每跳動一次發(fā)光二極管就亮 一次。 同時，該脈沖電平通過 R24送到單片機(jī) /INTO腳，進(jìn)行對心率的計(jì)算和顯示。輸出 波 形 如圖 。 圖 波形整形電路 經(jīng)過比較器 U2C的