【正文】 為了更好的進(jìn)行電脈搏測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)，在近一個(gè)學(xué)期的時(shí)間里，認(rèn)真收集有關(guān)資料，并做相關(guān)的整理和閱讀，為這次的設(shè)計(jì) 做好充分的準(zhǔn)備。由于時(shí)間比 較短，同時(shí)本人掌握的知識(shí)有限，本次設(shè)計(jì)雖已完成，但其中有很多不足，如程序不夠簡(jiǎn)練，論文說(shuō)明書(shū)不夠好，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(shí)此次設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x功能比較單一，沒(méi)有如語(yǔ)音系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)讀出脈搏次數(shù)等人性化功能，且在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的運(yùn)放數(shù)量也較多，加大了電源管理的復(fù)雜度。利用單片機(jī)自身的定時(shí)中斷、外部中斷、計(jì)數(shù)等功能，不僅能顯示出此次脈搏測(cè)量的次數(shù)，還能自動(dòng)儲(chǔ)存這個(gè)數(shù)據(jù)。重點(diǎn)介紹了單片機(jī)的最 小系統(tǒng)，通過(guò)單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了脈搏的測(cè)量系統(tǒng)，由光電傳感器采集到脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)的放大、濾波和整形電路將輸出的信號(hào)通過(guò)單片機(jī)的外部中斷獲取并最終在數(shù)碼管上顯示。 程序采用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)，可讀性非常好 。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 重 裝 初 值掃 描 數(shù) 碼 管 上 顯 示的 數(shù) 值蜂 鳴 器 標(biāo) 志 位 是 否 置 位 ？拉 響 蜂 鳴 器YN定 時(shí) 器 1 中 斷 輸 入返 回 圖 蜂鳴器報(bào)警流程圖 本章小結(jié) 本章節(jié)主要是程序的編寫(xiě)，要想系統(tǒng)能正常的工作，除了要有合理的硬件之外還要有一個(gè)合理的軟件系統(tǒng)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的端口輸出電流能力低，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)那些器件，故增加三極管加大功率 ，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作。 因此，利用此原理可通過(guò)控制 管腳來(lái)控制蜂鳴器是否響應(yīng)報(bào)警。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 取 結(jié) 果顯 示 上 次 脈 搏 數(shù)延 時(shí)顯 示 測(cè) 試 中 的 時(shí) 間延 時(shí)顯 示 子 程 序返 回 圖 顯示程序流程圖 蜂鳴器報(bào)警流程 根據(jù)對(duì)報(bào)警電路的分析，可通過(guò)對(duì) 的置位來(lái)控制蜂鳴器發(fā)出聲音和關(guān)閉。 單片機(jī)的 P0口控制顯示字型， P2口控制顯示字。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(guò) 10ms的延時(shí)后再顯示測(cè)試中的脈搏次數(shù)，再經(jīng)過(guò) 10ms的延時(shí)顯示測(cè)試中的時(shí)間。 單片機(jī)的 P0口控制顯示字型， P2口控制顯示字 。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(chēng)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。 定 時(shí) 器 中 斷 0 進(jìn) 入處 于 檢 測(cè) ？脈 搏 數(shù) + 1等 待 按 鍵 按 下返 回NY 圖 INT 中斷程序流程 顯示程序流程 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。外部中斷采用邊沿觸發(fā)的方式，當(dāng)處于測(cè)量狀態(tài)的時(shí)候，來(lái)一個(gè)脈沖脈搏次數(shù)就加一，由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器控制一分鐘，累加得出一分鐘內(nèi)的脈搏次數(shù)。 INT 中斷程序流程 INT 中斷程序 流程如圖 所示。同時(shí)可以對(duì)按鍵進(jìn)行檢測(cè)，只要復(fù)位測(cè)試值就可以重新開(kāi)始測(cè)試。 保 存 脈 搏 數(shù)繼 續(xù) 計(jì) 時(shí)YYY到 1 S ?到 6 0 S ?處 于 檢 測(cè) ？返 回NN按 鍵 檢 測(cè)定 時(shí) 器 初 值 設(shè) 定 圖 定時(shí)器中斷程序流程 定時(shí)器中斷服務(wù)程序由一分鐘計(jì)時(shí)、按鍵檢測(cè)、有無(wú)測(cè)試信號(hào)判斷等部分組成。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。系統(tǒng)上電后 ,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。各程序模塊都要完成一個(gè)明確的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)某個(gè)具體的功能，在具體需要時(shí)調(diào)用相應(yīng)的模塊即可。把一個(gè)多功能的復(fù)雜的程序劃分為若干個(gè)簡(jiǎn)單的、功能單一的程序模塊，有利于程序黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 的設(shè)計(jì)和調(diào)試，有利于程序的優(yōu)化和分工，提高了程序的閱讀性和可靠性，使程序的結(jié)構(gòu)層次一目了然。 主程序流程 主 流程如圖 。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 第 4 章 軟件系統(tǒng) 硬件電路 設(shè)計(jì)完成 以后，系統(tǒng)的主要功能將依賴(lài)于系統(tǒng)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這里給出了整體的硬件電路設(shè)計(jì)思路，并且對(duì)電路的各個(gè)部分進(jìn)行分析與解釋。 報(bào)警電路如圖 所示。 報(bào)警電路 根據(jù) 醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，人體脈搏正常在 60 到 120 之間，當(dāng)數(shù)碼管所顯示的示數(shù)大于 120 或小于 60 時(shí) ，蜂鳴器響應(yīng)報(bào)警；示數(shù)小于 120 時(shí)大于 60 時(shí)，蜂鳴器不響。本設(shè)計(jì)采用的 LED 是兩個(gè) 3 位的共陽(yáng)極 LED 數(shù)碼管組成 8 位顯示，其中 0、 1 兩位顯示測(cè)量中的時(shí)間， 4 兩位顯示測(cè)量中的脈搏次數(shù)， 7 兩位用來(lái)顯示上次測(cè)量的數(shù)據(jù)。通過(guò)調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可以既保證亮度，又保證顯示。對(duì)于每一位顯示器來(lái)說(shuō)，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。 R1R2R3R4R5R6R7220R8Q29012Q39012Q49012Q59012Q69012Q19012VCCR12220R13220R15220R16220R18220R19220a11b7c4d2e1f10g5dp39abfcgdW48 6abfcgdW3abfcgdW2abfcgdW112a11b7c4d2e1f10g5dp39abfcgdW48 6abfcgdW3abfcgdW2abfcgdW112 圖 顯示電路 本設(shè)計(jì)的顯示采用 LED 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描來(lái)顯示。 單片機(jī)對(duì)一分鐘內(nèi)的脈沖次數(shù)進(jìn)行累加，通過(guò) P0、 P2 口把測(cè)量過(guò)程和結(jié)果送到數(shù)碼管顯示出來(lái)。時(shí)鐘電路工作后，在 REST 管腳上加兩個(gè)機(jī)器周期（ 12 個(gè)晶振周期）以上的高電平，芯片內(nèi)部開(kāi)始進(jìn)行初始復(fù)位。 如圖 中振蕩電路所示。本設(shè)計(jì)采用自激蕩方式，使內(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率振蕩產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。 C11nfR291MR20220KR2510KR2822KR3110K1094118U2ALM324VCCVCCGND 圖 整形電路 單 片機(jī)處理電路 單片機(jī)處理電路 如圖 所示， 本部分運(yùn)用了 ATMEL 公司的 89S52 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。 波形整形電路 波形整形電路如圖 所示， U2A 是一個(gè)電壓比較器， C1 R29 構(gòu)成一個(gè)微分器， U1A 和 C R32 組成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，其脈寬由 C R32 決定。 R231MR2656KR27564117U3ALM324VCCGNDGNDC647nf 圖 放大電路 根據(jù)一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)，可得： coiOwsAsV sVsA ??? 1)( )()( () 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(dòng)為 200 次 /分鐘時(shí)的頻率是 Hz 考慮，低頻特性是令人黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 滿(mǎn)意的。 按人體 脈搏在運(yùn)動(dòng)后跳動(dòng)次數(shù)達(dá) 200 次/分鐘的計(jì)算來(lái)設(shè)計(jì)低通放大器， 放大電路 如圖 所示。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(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。 VCCU3Optoisolator1R21270R2256KC10220ufGND 圖 信號(hào)采集電路 信號(hào)放大 電路 本設(shè)計(jì)采用的放大器是 LM324。當(dāng)有跳動(dòng)的脈搏時(shí)，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。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(huì)造成輸出電壓略低。反之， R21 過(guò)小，通過(guò)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(wú)脈搏時(shí)的信號(hào)。 R21 選擇 270Ω 同時(shí)也是基于紅外接收三極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。 透射式光電傳感器 結(jié)構(gòu)如圖 所示。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(duì)稱(chēng)布置 ， 接收的是透射光，這種方法可較好地反映出心律的時(shí)間關(guān)系。 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(lái)。 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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 傳感器由紅外發(fā)光二級(jí)管和紅外接收三極管組成。 光電傳感器的結(jié)構(gòu)及原理 近年來(lái) ， 光電檢測(cè)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(kāi)強(qiáng)烈的電磁干擾 ， 具有很高的絕緣性 ， 且可非侵入地檢測(cè)病人各種癥狀信息 。 ② 作為第二功能使用，每一位功能定義如表 。對(duì)端口寫(xiě) ―1‖，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。作輸入口使用時(shí)，因內(nèi)部存在上拉電阻，黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 某個(gè)引腳被外部信號(hào) 拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電 流 。 Pl 口： P1 是 —個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) (吸收或輸出電流 )4 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路。 I/O 口引腳 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開(kāi)路型雙向 I/O 口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。在 PC 值不超出 0FFFH（即不超出片內(nèi) 4KB Flash 存儲(chǔ)器的地址范圍）時(shí)，單片機(jī)讀片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ 4KB）中的程序，但當(dāng) PC 值超出 0FFFH （即超出片內(nèi) 4KB Flash 地址范圍）時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向讀取片外 60KB（ 1000HFFFFH）程序存儲(chǔ)器空間中的程序。只讀取外部的程序存儲(chǔ)器中的內(nèi)容，讀取的地址范圍 為 0000H?FFFFH（ 64KB），片內(nèi)的 8KB Flash 程序存儲(chǔ)器不起作用。 /EAVPP ：（ Enable Address/Voltage Pulse of Programming），訪問(wèn)程序存儲(chǔ)控制信號(hào)。在讀外部程序存儲(chǔ)器時(shí)有效（低電平），以實(shí)現(xiàn)外部程序存儲(chǔ)器單元的讀操作。 /ALE PROG 引腳第二功能，對(duì)片內(nèi) Flash 編程，為編程脈沖輸入端。 /ALE PROG ：地址鎖存使能。 在 VCC 發(fā)生故障、降低到電平規(guī)定值掉電期間，此引腳可接備用電源 VPD（電源范圍 5V177。當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)持續(xù) 2 個(gè)以上機(jī)器周期 (個(gè)晶體振蕩周期）高電平即為有效，用于完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。10pF。當(dāng)外接晶體振蕩器時(shí)，電容可選 30pF177。 AT89S52 晶體振蕩器頻率可在 6MHz?40MHz 之間選擇，常選 6MHz 或12MHz 的石英晶體。 XTAL2：接外部晶體振蕩器的另一端，當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此腳用于外接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容。 (2)外接晶體引腳 XTAL1：接外部晶體振蕩器的一端。 電源 及時(shí)鐘 引腳 (1)電源引腳 VCC： 5V 電壓 。目前多采用 40 只引腳雙列直插，如圖 所示。 DIP 管腳圖 如圖 所示。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。使用 Atmel 公司的高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在檢測(cè)到第一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，開(kāi)啟定時(shí)器，然后在下一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，關(guān)閉計(jì)時(shí)器，如此就可以求得一次心跳所需要的時(shí)間，然后由該周期就可以得到一分鐘的脈搏數(shù)。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì)分析 控制器 經(jīng)過(guò)第 2 章的敘述已經(jīng)確定了完成本設(shè)計(jì)所需要的主要元器件 ， 所以本章開(kāi)始講述基于單片機(jī)的便攜式心