【導讀】健康意識也隨之提高,希望能隨時的對自身某些參數(shù)進行健康監(jiān)護。電子脈搏儀的出現(xiàn)，使脈搏測量變得非常簡單。為了提高脈搏測量儀的簡便性和精確度，本課題設計了一種。系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心，以紅外發(fā)光管和光敏三。極管為傳感器，由光敏三極管感應產(chǎn)生脈沖，經(jīng)信號處理電路放大濾波后輸入到單片機，間由定時器定時而得。系統(tǒng)運行中每分鐘顯示一次測得脈搏次數(shù)。經(jīng)測試，系統(tǒng)工作正。常，達到設計要求。

　　

【正文】 （式 ） ???????? ????? 2021 14112 ??? kAkCR （式 ） 2202111 RkCR ?? （式 ） )( 214 RRAR ?? （式 ） 143 ??ARR （式 ） 當截止頻率為 10hz 時， n? =20π。選擇α =√2，為 Butterworth 逼近方式。 A為運算放大器閉環(huán)增益，本電路中選擇 A=2。 在確定了 n? ，α，以及 A 后，另 R1=R2， C1=C2，以簡化設計。電容的取值參考 表中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 28頁 共 46頁 。由截止頻率初步確定 C1 ， C2的數(shù)值。 f(Hz) C(uF) f(Hz) C(pF) 110 201 103104 104103 10100 104105 103102 1001000 105106 10210 表 其電路原理圖如圖 。 圖 二階濾波器 第二級 放大電路 經(jīng)過第一級放大電路，二階低通濾波電路后，放大倍數(shù)為 160 倍左右，考慮到整形電路輸入電壓不能高于 5V，第二級放大電路放大倍數(shù)選擇 50 倍，輸出電壓在 左右，符合要求。 運放 U2A 將信號放大，放大倍數(shù)由 R1和 R2 的比值決定。如圖 所示： 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 29頁 共 46頁 圖 二級放大電路 整形電路 由于單片機只能檢測到數(shù)字信號，因此，經(jīng)過信號調(diào)理電路后得到的模擬信號必須轉換為數(shù)字信號。這里選擇電壓比較器。 其電路原理圖如圖 。 圖 整形電路 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 30頁 共 46頁 定時記數(shù)電路的設計 在這里，單片機要實現(xiàn)對脈搏信號的處理。 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(chǎn)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(nèi)的脈沖次數(shù)進行 。 單片機定時計數(shù)電路如圖 所示。 圖 單片機計數(shù)電路 顯示電路的設計 脈搏信號經(jīng)過單片機處理，得到脈搏波動頻率之后，需要在顯示電路中直觀地顯示出來。所以，需要選用合 適的顯示設備及顯示電路，來實現(xiàn)對脈搏波動頻率信息的顯示。本設計的顯示采用 LED數(shù)碼管動態(tài)掃描來顯示。使用 4位的共陰極 LED數(shù)碼管顯示脈搏次數(shù)。 數(shù)碼管顯示電路如圖 。 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 31頁 共 46頁 圖 數(shù)碼管顯示電路 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 32頁 共 46頁 6 軟件系統(tǒng) 設計 主程序流程的設計 本程序的主要思路是，利用單片機的兩個定時器 /計數(shù)器，得出一分鐘的脈搏數(shù)，最后送 LCD 顯示。流程如圖 。 圖 主程序流程圖 Y N 開始 初始化 設置 T0、 T1值為 0 按鍵按下 開 T0,T1中斷 計數(shù)結束標志=1？ 算出脈搏頻率 送顯示 結束 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 33頁 共 46頁 定時器 /計數(shù)器中斷程序流程的設計 T0是 計數(shù)器 ， T1 是 定時器 。 T0,T1 中斷請求來自于輸入單片機中頻率為 1Hz 的脈沖信號。 T0 中斷開始執(zhí)行后 ， T1 檢測 代表的時間是否大于 60S，沒有大于 60S 則繼續(xù)檢測，大于 60S 則關 T1,T0 中斷， 取出脈搏次數(shù)， 然后設計數(shù)結束的標志為 1。 T0 中斷采用邊沿觸發(fā)方式，當處于測量狀態(tài)的時候來一個脈沖，脈搏次數(shù)就加一，由 T1定時一分鐘，累加得出一分鐘的脈搏次數(shù)。 T0， T1 流程 如圖 所示。 圖 中斷程序流程圖 顯示程序的設計 本次設計顯示的內(nèi)容是被測量者一分鐘的脈搏次數(shù)。從中斷程序中取得結果后，在數(shù)碼管上顯示測試中的脈搏次數(shù)。 流程如圖 。 N Y T0中斷入口 T1代表的時間≥關 T T0中斷 設計數(shù)結束的標志為 1 結束 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 34頁 共 46頁 圖 顯示程序流程圖 顯示子程序 取結果 顯示測試中的脈搏數(shù) 延時 返回 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 35頁 共 46頁 7 系統(tǒng)仿真調(diào)試 根據(jù)系統(tǒng)設計方案，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)設計中采用模塊化設計，所以方便了對各電路功能模塊的逐級測試。 斷開兩部分的連接點，先調(diào)試 MCU部分。試著輸入一系列脈沖，觀察 MCU部分能是否能顯示；模擬部分用正弦波加一個直流分量模擬脈搏信號，借助示波器觀察波形效果如何。 信號采集與調(diào)理電路仿真 脈搏信號 仿真 在仿真中使用正弦波加一個直流分量模擬脈搏信號， 本次 脈搏信號 仿真使用的是頻率為 幅值為 的正弦信號加上 的直流分量，根據(jù)頻率換算成脈搏為 78（次 /分） ，脈搏信號 波形如圖 所示 。 圖 脈搏信號仿真 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 36頁 共 46頁 一級放大電路 信號經(jīng)一級放大電路后，反向放大， 輸入電壓幅值為 ，輸出電壓幅值為， 放大倍數(shù)為 100 倍， 和設置的基本一致。 波形如圖 所示 圖 一級放大電路輸出信號 二階低通濾波電路 經(jīng)過一級放大電路放大后的信號，由二階低通濾波電路 ， 為了檢驗濾波電路的效果，把信號源用 脈搏信號仿真 加上一個 頻率為 50Hz，幅值為 的噪聲， 經(jīng)過濾波器后， 50Hz 頻率的信號基本濾掉了， 濾波后 波形如圖 所示。 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 37頁 共 46頁 圖 二階濾波電路輸出信號 整形電路 經(jīng)過整形電路后的信號，波形如圖 所示。 圖 整形電路輸出信號 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 38頁 共 46頁 單片機電路仿真 在單片機部分仿真時， INT0 腳 接一個脈沖信號發(fā)生器，設置頻率為 ， 單片機仿真電路如圖 ， 測試顯示脈沖次數(shù)如圖 。 圖 單片機仿真電路 圖 脈搏次數(shù)顯示 本次仿真中，使用了五個不同頻率的脈沖輸入，分別測試一分鐘的脈沖數(shù)，驗中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 39頁 共 46頁 證程序的準確性，仿真數(shù)據(jù)如表 。 表 仿真的數(shù)據(jù) 輸入脈沖頻率 實際脈沖次數(shù) /分 測得脈沖次數(shù) /分 相對 誤差 78 78 0 5Hz 300 300 0 10Hz 600 600 0 12Hz 720 720 0 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 40頁 共 46頁 8 總結和展望 單片機近 20年的飛速發(fā)展，儼然已成為計算機發(fā)展和應用的一個重要方面。另一方面，單片機應用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計思想和設計方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機通過軟件方法來實現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術也稱為微控制技術，是傳統(tǒng)控制技術的一次革命。而 51單片機作為單片機的主流，隨著集成技術的發(fā)展， 51系列單片機繼承和發(fā)展了 MCS51系列的技術特色，有逐漸取而代之之勢。 本設計主要是 51單片機在脈搏測試系統(tǒng)中的應用。重點介紹了單片機的最小系統(tǒng)，通 過單片機最小系統(tǒng)實現(xiàn)了脈搏的測量系統(tǒng)，由光電傳感器采集到脈沖信號，經(jīng)過信號的放大、濾波和整形電路將輸出的信號通過單片機的外部中斷獲取并最終在數(shù)碼管上顯示。利用單片機自身的定時中斷、外部中斷、計數(shù)等功能。 本次所設計的測量儀系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、功能穩(wěn)定、使用方便，應用廣泛，具有實際意義。由于時間比較短，同時本人掌握的知識有限，本次設計雖已完成，但其中有很多不足，如程序不夠簡練，電路板不夠美觀，光電傳感器靈敏度不夠高，數(shù)碼管顯示部分不夠完美等，同時此次設計的測量儀功能比較單一，沒有如語音系統(tǒng)實現(xiàn)自動讀出脈搏次數(shù)等人性 化功能，且在設計過程中使用的運放數(shù)量也較多，加大了電源管理的復雜度。然而科技的進步勢必會使測量儀的功能日益強大和完善，其應用領域?qū)⒉粩鄶U大，將會給我們的生活帶來更多的方便和精彩。 為了更好的進行電脈搏測量儀的設計，在近一個學期的時間里，認真收集有關資料，并做相關的整理和閱讀，為這次的設計做好充分的準備。經(jīng)過這次畢設，我收獲了很多，具體總結如下：（ 1）通過此次的設計，使我知道了無論做什么事都應該事先做好充分的準備，不應該盲目的只為了完成任務而被動的學習。（ 2）通過此次的設計，使我了解了脈搏測量儀在國內(nèi)外發(fā)展之 迅速、應用領域之廣、市場前景之大。（ 3）通過此次的設計，使我對硬件設計和各模塊的功能有了更深的了解，同時提高了動手能力。（ 4）通過次次的設計，使我體會到堅持不懈的毅力對完成一件事情起著巨大的作用。（ 5）通過此次的設計，使我深刻的體會到團隊合作精神的重要性及相互討論過程中的樂趣。 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 41頁 共 46頁 參考文獻 [1] 高上凱．淺談腦一機接口的發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn) [J]．中國生物醫(yī)學工程學報， 2021，26(6)： 801803． [2] 楊國忠．生物醫(yī)學工程的過去、現(xiàn)在和未來 [J]．世界醫(yī)療器械， 1995， 1(1). 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