【文章內容簡介】 阻抗轉入端用。 Pl 口： P1是 —個帶內部上拉電阻的 8位雙向 I／ O口， P1的輸出緩沖級可驅動 (吸收或輸出電流 )4 個 TTL邏輯門電路。對端口寫 “1”，通過內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 是一個帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口， P2 的輸 出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流 )4 個 TTL邏輯門電路。對端口寫 “1”，通過內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 ，因為內部存在上拉電阻，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 /輸出設備。 ② 作為第二功能使用，每一位功能定義如表 所示。 9 表 P3 口的第二功能 RST：復位輸入。當振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。 ALE/PROG： 當訪問外部程序存儲器或數(shù)據存儲器時， 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 AT89C51由外部程序存儲器取指令 (或數(shù)據 )時．每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據存儲器，這兩次有效的 PSEN 信號不出現(xiàn)。 EA／ VPP： EA ＝ 0，單片機只訪問外部程序存儲器。 EA ＝ 1，單片機訪問內部程序存儲器。 ． XTALI： 振蕩器反相放大器的及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。 ． XTAL2： 振蕩器反相放大器的輸出端。 脈搏信號采集 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變式脈搏傳感器。近年來 , 光電檢測技術在臨床醫(yī)學應用中發(fā)展很快 , 這主要是由于光能避開強烈的電磁干擾 , 具有很高的絕緣性 , 且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息 ,具有結構簡單、無損傷、精度高、可重復好等優(yōu)點 [6]。用光電法提取指尖脈 搏光信息受到了從事生物醫(yī)學儀器工作的專家和學者的重視。 10 光電 傳感器的原理 根據朗伯一比爾 (Lamber—Beer)定律，物質在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比。當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 ， 測量到的光強將在一定程度上反映了被照射部位組織的結構特征 [7]。 脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產生的，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， 通過檢測透過手指的光強將可以間接測量到人體的脈搏信號 [7]。 光電 傳感器的結構 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生電 能，它的特性是將光信號轉換為電信號。 在 本設計中 ，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系。因此 本系統(tǒng)采用 了指套式的透射型光電傳感器 , 實現(xiàn)了光電隔離 ,減少了對后級模擬電路的干擾 。 結構如圖 示。 圖 透 射式光電傳感器 11 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：當血液送到人體組織時，組織的半透明度減小，當血液流回心臟，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、耳垂等部位最為明顯 [5]。因此本設計將紅外發(fā)光二極管產生的紅外線照 射到人體的 手指 部位， 經過手指組織的反 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換成脈沖并進行整形、計數(shù)和顯示 [9]，即可實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，產生的發(fā)射強度就越大，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 也不能準確 地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。當手指離開傳感器或檢測到較強的干擾光線 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 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。當有跳動的脈搏時，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 R2 C10 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。 12 圖 信號采集電路 信號 放大 放大器的介紹 LM324 是四運放集成電路，它采用 14 腳雙列直插塑料封裝 .它的內部包含四組 形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。 每一組運算放大器可用圖 ，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 的引腳排列見圖 。 圖 圖 由于 LM324 四運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，因此被廣泛應用在各種電路中。 13 放大電路 按人體脈搏在運動后跳動次數(shù)達 200 次 /分 鐘的 計算來設計低通放大器，如圖 所示 。 R2 C6 組成低通濾波器以進一步濾除殘留的干擾，截止頻率由R2 C6 決定，運放 U2B 將信號放大 ，放大倍數(shù)由 R23 和 R27 的比值決定。 圖 低通 放大電路 根據一 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。 14 經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。 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 調節(jié)在正弦波的幅值范圍內，但是對 R31 的調節(jié)要求 并不嚴格，因為 U2C 的 輸出 信號 （ 波形 如圖 ） 經 C1 R29 的微分后總是將正、負相間的尖脈沖 （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 /INTO 腳，進行對心率的計算和顯示。 輸出 波 形 如圖 所示 。 15 圖 波形整形電路 經過比較器 U2C 的輸出波形： 圖 16 經過微分器的輸出波形： 圖 單片機接收到的信號： 圖 單片機處理電路 如圖 所示， 本部分運用了 ATMEL公司的 89C51 單片機作為核心元件， 17 在這里運用單片機能更快更準確地對數(shù)據進行運算，而且可 以根據實際情況進行編程，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 89C51 的 /INTO 腳，單片機設為負跳變中斷觸發(fā)模式，故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 ， 來一個脈沖脈搏次數(shù)就加一 ； 定時器中斷 主要完成一分鐘的定時功能 。 單片機對 一分鐘內的脈沖 次數(shù) 進行累加 ，通過 P0、 P2 口把測量過程和結果 送到數(shù)碼管顯示出來 [9]。 圖 單片機處理電路 顯示電路 本設計的顯示采用 LED數(shù)碼管 動 態(tài)掃描來顯示。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 脈搏次數(shù)， 7兩位用來 顯示上 次測量的數(shù)據。 單片機的 P0口控制顯示字型， P2口控 制顯 示字位 。 顯示電路如圖 。 18 圖 顯示電路 LED 的綜述 在單片機的應用系統(tǒng)中，為了便于人們觀察和監(jiān)視單片機的運行情況，常常 需要用顯示器顯示運行的中間結果、狀態(tài)等信息，因此顯示器也是不可缺少的外 部設備之一。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， 都可以與微機配接。在單片機應用系統(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、安裝方便、耐振動、壽命長等優(yōu)點。但顯示內容有限，不能顯示圖形，因而其應用有局限性 [11]。 LED 的結構 LED 數(shù)碼管顯示器是由發(fā)光的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(shù)碼管，有共陰極和共陽極兩種。七段 LED 數(shù)碼管顯示器有 8 個發(fā)光二極管，其中從 a~g管腳輸入顯示代碼，可顯示不同的數(shù)字或字符， Dp 顯示小數(shù)點。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，當發(fā)光二極管的陰極為低電平時，發(fā)光二極管點亮。 19 本設計中采用的是 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。圖 中所示， 4 是位選端； a~g、 Dp 是字選端。內部結構如圖 所示。 圖 4 位數(shù)碼管引腳分布圖 圖 4 位共陽極數(shù)碼管結構圖 LED 數(shù)碼管的顯示方法 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 L