【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 生物醫(yī)學(xué)儀器工作的專家和學(xué)者的重視。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)后級(jí)模擬電路的干擾。 考慮到各種脈搏傳感器的特點(diǎn)，本文采用的是光電脈搏傳感器。 信號(hào)采集系統(tǒng) 由于光電脈搏波屬于緩慢變化的微弱生理信號(hào)，信噪比低，極易受到環(huán)境噪聲和 肢體運(yùn)動(dòng)的干擾。傳統(tǒng)的光電脈搏波信號(hào)檢測(cè)電路都采用高增益放大器，以獲得較高的檢測(cè)靈敏度，這種設(shè)計(jì)思路導(dǎo)致了檢測(cè)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍縮小，在受到運(yùn)動(dòng)干擾時(shí)，將導(dǎo)致由于干擾信號(hào)而帶來的光電脈搏波信號(hào)檢測(cè)的飽和失真。本系統(tǒng)采用過采樣技術(shù)，通過對(duì)信號(hào)的高速采樣來提高采樣精度，相當(dāng)于用高分辨率的 ADC 對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，達(dá)到了提高信噪比并改善動(dòng)態(tài)范圍的效果。因此本系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換而不需要任何信號(hào)調(diào)理 (放大和濾波 )電路。 放大電路 脈搏信號(hào)的基本特征是：穩(wěn)定性不高并且具有隨機(jī)性，還是一種典型 的極微弱生理信號(hào)。凡是生理信號(hào)大都具有強(qiáng)干擾與的噪聲強(qiáng)的特點(diǎn)，因此，要想感測(cè)到信號(hào)就必須對(duì)噪聲進(jìn)行抑制，還要求所采用的放大電路必須具有高增益、高輸入阻抗和低噪聲等特點(diǎn)。脈搏傳感器的輸出信號(hào)大致在 05mV 的毫伏級(jí)電壓信號(hào)，所以需要放大的倍率在1000 以上。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了前置放大電路和主放大電路組成的多級(jí)放大電路對(duì)其進(jìn)行放大處理，可以使得放大后的信號(hào)滿足系統(tǒng)分析的要求。 濾波電路 濾波電路就是對(duì)信號(hào)波形進(jìn)行一種類似過濾處理的電路，具體來說是讓某些頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過，而其它頻率信號(hào)不能通過的電路單 元。即對(duì)有些頻率信號(hào)波形具有抑制功能。信號(hào)處理系統(tǒng)中濾波電路得到了非常廣泛的應(yīng)用，其種類繁多。具體分類如下：既可以分為低通濾波電路 (LPF)，高通濾波電路 (HPF)，帶通濾波電路 (BPF)和帶阻濾波電路 (BEF)等；也可看其內(nèi)部是否含有有源器件 (通常是運(yùn)放 )分為無源濾波電路和有源濾波電路，除此之外，濾波電路還可分為一階、二階和高階濾波電路，而高階濾波電路基于單片機(jī)的指脈檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 可通過低階濾波電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)而組成。 數(shù)據(jù)采集電路 由光電傳感器感測(cè)的脈搏信號(hào)經(jīng)前電路一系列處理后，還需要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換后才可以送到單片機(jī)進(jìn)行邏輯 與數(shù)據(jù)傳輸控制等處理。 AT89S51 單片機(jī) AT89S51 單片機(jī)是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP 的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8位中央處理器和 ISP Flash 存儲(chǔ)單元， AT89S51 在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 顯示電路 本文設(shè)計(jì)的顯示電路是將脈搏信息顯示在 LCD 屏上，以助于更加生動(dòng)形象的觀察 脈搏信息的變化。 基于單片機(jī)的指脈檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 3 指脈檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 指脈傳感器的基本原理 本研究所用的傳感器是光電傳感器，其基本原理是 血液的流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致血管內(nèi)的血容量的發(fā)生改變，而血容量的多少會(huì)影響血液對(duì)光線的吸收量，從而導(dǎo)致透過組織的光線強(qiáng)度也將隨血流的變化而發(fā)生變化，光電傳感器就是將接收透射后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而來獲取脈搏信息的。 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)以 AT89S51 單片機(jī)為核心，由光電脈搏傳感器采集脈搏信號(hào)，經(jīng)濾波、放大、積分、比較后得到與脈搏相關(guān)的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)交由單片機(jī)進(jìn)行脈沖周期的計(jì) 算，然后得出每分鐘的脈搏搏動(dòng)次數(shù)，并在顯示屏上顯示。 利用一個(gè)運(yùn)放作為恒流源電路向發(fā)光二極管提供穩(wěn)定的工作電流，此外，電容 C12能濾除高頻信號(hào)，使發(fā)光二極管的工作更為穩(wěn)定。電阻 R2 為光敏電阻提供工作電壓，電阻 R5 和電容 C2 組成無緣低通濾波器，能對(duì)進(jìn)入檢測(cè)電路的高頻噪聲進(jìn)行濾波。 由于經(jīng)過濾波后的脈搏信號(hào)幅度較小，且脈搏信號(hào)并不是標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)，不能直接作為單片機(jī)的中斷信號(hào)，于是通過放大和積分將每一個(gè)脈搏搏動(dòng)信號(hào)變換成脈沖信號(hào)。我們可以使用一個(gè)有源積分器，這樣同時(shí)完成了放大與積分的處理。最后再用一個(gè)電壓比較器 ，生成標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào) . 圖 脈搏信號(hào)的交換 脈搏脈沖 脈搏波 基于單片機(jī)的指脈檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 圖 脈搏信號(hào)變換電路 基于單片機(jī)的指脈檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 4 單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)有很多種，我們的設(shè)計(jì)采用的是 AT89S51. 單片機(jī)其他還有以下幾種類型： ① Motorola 單片機(jī) : Motorola 是世界上最大的單片機(jī)廠商。從 M6800 開始 ,開發(fā)了廣泛的品種 ,4 位 ,8 位 ,16 位 32 位的單片機(jī)都能生產(chǎn) ,其中典型的代表有 :8 位機(jī)M6805,M68HC05 系列 ,8 位增強(qiáng)型 M68HC11,M68HC12 , 16 位機(jī) M68HC16, 32 位機(jī) M683XX. Motorola 單片機(jī)的特點(diǎn)之一是在同樣的速度下所用的時(shí)鐘頻率較 Intel 類單片機(jī)低得多 ,因而使得高頻噪聲低 ,抗干擾能力強(qiáng) ,更適合于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境。 ② MicroChip 單片機(jī) : MicroChip 單片機(jī)的主要產(chǎn)品是 PIC 16C 系列和 17C 系列 8位單片機(jī) ,CPU 采用 RISC 結(jié)構(gòu) ,分別僅有 33,35,58 條指令 ,采用 Harvard 雙總線結(jié)構(gòu) ,運(yùn)行速度快 ,低工作電壓 ,低功耗 ,較大的輸入輸出直接驅(qū)動(dòng)能力 ,價(jià)格低 ,一次性編程 ,小體積。適用于用量大 ,檔次低 ,價(jià)格敏感的產(chǎn)品 .在辦公自動(dòng)化設(shè)備 ,消費(fèi)電子產(chǎn)品 ,電訊通信 ,智能儀器儀表 ,汽車電子 ,金融電子 ,工業(yè)控制不同領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用 ,PIC 系列單片機(jī)在世界單片機(jī)市場(chǎng)份額排名中逐年提高 .發(fā)展非常迅速。 ③ MDT20XX系列單片機(jī) : 工業(yè)級(jí) OTP單片機(jī) ,Micon公司生產(chǎn) ,與 PIC單片機(jī)管腳完全一致 ,海爾集團(tuán)的電冰箱控制器 ,TCL 通信產(chǎn)品 ,長(zhǎng)安奧拓鈴木小轎車功率分配器就采用這種單片機(jī)。 ④ EM78系列 OTP型單片機(jī) : 臺(tái)灣義隆電子股份有限公司 ,直接替代 PIC16CXX,管腳兼容 ,軟件可轉(zhuǎn)換。 ⑤ cenix 單片機(jī) : Scenix 公司推出的 8 位 RISC 結(jié)構(gòu) SX 系列單片機(jī)與 Intel 的Pentium II 等一起被 Electronic Industry Yearbook 1998評(píng)選為 1998 年世界十大處理器。在技術(shù)上有其獨(dú)到之處 : SX 系列雙時(shí)鐘設(shè)置 ,指令運(yùn)行速度可達(dá)50/75/100MIPS(每秒執(zhí)行百萬條指令 ,XXX M Instruction Per Second) 。具有虛擬外設(shè)功能 ,柔性化 I/O端口 ,所有的 I/O端口都可單獨(dú)編程設(shè)定 ,公司提供各種 I/O的庫函數(shù) ,用于實(shí)現(xiàn)各種 I/O 模塊 的功能 ,如多路 UART,多路 A/D,PWM,SPI,DTMF,FS,LCD 驅(qū)動(dòng)等等。 采用 EEPROM/FLASH 程序存儲(chǔ)器 ,可以實(shí)現(xiàn)在線系統(tǒng)編程。通過計(jì)算機(jī) RS232C 接口 ,采用專用串行電纜即可對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)仿真。 ⑥ 8051 單片機(jī)最早由 Intel 公司推出 ,其后 ,多家公司購買了 8051 的內(nèi)核 ,使得以8051 為內(nèi)核的 MCU 系列單片機(jī)在世界上產(chǎn)量最大 ,應(yīng)用也最廣泛 ,有人推測(cè) 8051 可能最終形成事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn) MCU 芯片。 ⑦ LG 公司生產(chǎn)的 GMS90 系 列 單 片 機(jī) , 與 Intel MCS51 系列 ,Atmel 基于單片機(jī)的指脈檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 89C51/52,89C2051等單片機(jī)兼容 ,CMOS技術(shù) ,高達(dá) 40MHZ的時(shí)鐘頻率 ,應(yīng)用于 : 多功能電話 ,智能傳感器 ,電度表 ,工業(yè)控制 ,防盜報(bào)警裝置 ,各種計(jì)費(fèi)器 ,各種 IC 卡裝置 ,DVD,VCD,CDROM。 ⑧ 華邦單片機(jī) : 華邦公司的 W77,W78系列 8位單片機(jī)的腳位和指令集與 8051兼容 , 但每個(gè)指令周期只需要 4 個(gè)時(shí)鐘周期 ,速度提高了三倍 ,工作頻率最高可達(dá) 增加了 WatchDog Timer,6 組外部中斷源 ,2 組 UART,2 組 Data pointer 及 Wait state control pin. W741 系列的 4 位單片機(jī)帶液晶驅(qū)動(dòng) ,在線燒錄 ,保密性高 ,低操作電壓(~)。 ⑨ Zilog單片機(jī) : Z8單片機(jī)是 Zilog公司的產(chǎn)品 ,采用多累加器結(jié)構(gòu) ,有較強(qiáng)的中斷處理能力 ,開發(fā)工具價(jià)廉物美 .Z8 單片機(jī)以低價(jià)位面向低端應(yīng)用。我想很多人都知道Z80 單板機(jī) ,直到 90 年代后期 ,很多大學(xué)的微機(jī)原理還是講述 Z80。 ⑩ NS 單片機(jī) : COP8 單片機(jī)是 NS(美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司 )的產(chǎn)品 ,內(nèi)部集成了 16 位A/D,這是不多見的 ,在看門狗多路及 STOP 方式下單片機(jī)的喚醒方式上都有獨(dú)到之處