【正文】 向 I/0 引腳。當(dāng)引腳 ～ 用作輸入并被外部拉低時(shí) ,它們將因內(nèi)部的上拉電阻而流出電流 (IIL)。 P1口輸出緩沖器可吸收 20mA 電流并能直接驅(qū)動 LED 顯示。 和 要求外部上拉電阻。 3. P1 口： P1口是一 8位雙向 I/O 口。如表 所示： AT89C2051 芯片的主要引腳功能為： 1. Vcc：電源電壓。 此外 ,從 AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖也可看出 ,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與 8051內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致（除模擬比較器外） ,引腳 RST、 XTAL XTAL2 的特性和外部連接電路也完全與 51系列單片機(jī)相應(yīng)引腳一致 ,但 P1口、 P3 口有其獨(dú)特之處。它采用 ATMEL 的高密非易失存儲技術(shù)制造并和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MCS— 51 指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。低功耗空載和掉電方式 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 14頁 共 46頁 AT89C51 的結(jié)構(gòu)框圖 AT89C2051 是一帶有 2K 字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲體 (EEPROM)的低電壓 ,高性能 8 位 CMOS 微型計(jì)算機(jī)。直接 LED 驅(qū)動輸出 六個(gè)中斷源 15 根可編程 I/O 引線 兩級加密程序存儲器 ～ 6V 的操作范圍 2K 字節(jié)可重編程閃速存儲器 AT89C51 的主要性能 AT89C2051 是 ATMEL 公司生產(chǎn)的帶 2K 字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器 (EEPROM)的 8 位單片機(jī) ,它具有如下主要特性， 本設(shè)計(jì)中，顯示的脈搏波動頻率，同時(shí)顯示脈搏次數(shù)和測試時(shí)間，選用動態(tài)顯示。利用人的視覺暫留功能可以看到整個(gè)顯示，但必需保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。靜態(tài)顯示適用于顯示器位數(shù)較少時(shí)。 （ 1）靜態(tài)顯示：所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的 I/O 接口用于筆劃段字形顯示?？梢赃x擇 LCD 字符液晶屏來對脈搏波動頻率信息進(jìn)行顯示。脈搏波動頻率一般為60～ 80次 /min。所以，需要選用合適的顯示設(shè)備及顯示電路，來實(shí)現(xiàn)對脈搏波動頻率信息的顯示。 本設(shè)計(jì)中，選擇中斷方式。查詢方式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，硬件開銷??；缺點(diǎn)是 CPU 在整個(gè)傳送過程中需要不斷檢測外設(shè)狀態(tài)，由于 CPU 的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外設(shè)，因此通常處于等待狀態(tài)，工作效率很低。所以，本設(shè)計(jì)中選擇周期測量法。充分利用單片機(jī)內(nèi)的兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè)作為定時(shí)器，給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號，另一個(gè)作為計(jì)數(shù)器。其特點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)頻率信號不是用來填充 待測信號的周期，而是與待測信號分別輸入到兩個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行同步計(jì)數(shù)。被測信號的周期作為信號閘門，由程序控制開關(guān)對時(shí)基進(jìn)行計(jì)數(shù)得 nx，因此被測信號周期為 Tx nx Ts??，每分鐘脈搏跳動次數(shù)為中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11頁 共 46頁 60/N Tx? 。 （ 1）周期測量法：適用于低頻信號?？梢钥闯鰷y量 fx 必須將 N 或 t 兩個(gè)量之一作為閘門或基準(zhǔn)，對另一個(gè)量進(jìn)行測量。此外，為了濾去高頻信號和市電的干擾，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器。肌電干擾可能會導(dǎo)致放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)偏移，甚至使放大器達(dá)到飽和，所以第一級放大器的放大倍數(shù)不能太高。 信號調(diào)理電路的選擇 信號調(diào)理電路包括對信號的放大和濾波兩 個(gè)部分 [17][18]。 在 51 系列單片機(jī)中， AT89 系列單片機(jī)是美國 ATMEL 公司推出的一種新型高性能低價(jià)位、低電壓低功耗的 8位 CMOS 微型計(jì)算機(jī)。 本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)只需要對脈搏信號的波動頻率進(jìn)行測量、計(jì)算和顯示，對單片機(jī)的要求不是很高。通用型，有總線擴(kuò)展，有較強(qiáng)的位處理功能，有全雙工異步串行通信 口。 51單片機(jī)是 INTEL 公司生產(chǎn)的。目前很多公司都有 51 系列的兼容機(jī)型推出，中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 10頁 共 46頁 在目前乃至今后很長的一段時(shí)間內(nèi)將占有大量市場。 （ 3） 51單片機(jī) 51單片機(jī)是對目前所有兼容 Intel 8031 指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。高性能價(jià)格比： μ’nS PTM 家族片內(nèi)帶有高尋址能力的 ROM，靜態(tài) RAM 和多功能的 I/O口，另外 μ’nSPTM 的指令系統(tǒng)提供出具有較高運(yùn)算速度的 16位， 16 位的乘法運(yùn)算指令和內(nèi)積運(yùn)算指令，為其應(yīng)用添加了 DSP功能，使得 μ’nSPTM 家族運(yùn)用在復(fù)雜的數(shù)字信號處理方面既很便利又比專用的 DSP 芯片廉價(jià)。具有較強(qiáng)的中斷處理能力?！痭SP 家族把各功能把各功能部件模塊化地集成在一個(gè)芯片里。amp。micro。以及這種結(jié)構(gòu)可大可小可有可無，借助這種通用結(jié)構(gòu)附加可選結(jié)構(gòu)的積木式的構(gòu)成，便可成為各種系列的派生產(chǎn)品，以適合不同場合，這樣做無疑會使每種派生產(chǎn)品具有更強(qiáng)的功能和更低的成本?！痭SP 內(nèi)核是一個(gè)通用的和結(jié)構(gòu)。amp。micro?！痭SP 家族?！痭SP 所形成的 16 位 u’nSP 系列單片機(jī)，以下簡稱 amp。’nSP 。 （ 2）凌陽單片機(jī) 凌陽是臺灣凌陽公司推出的單片機(jī)，具有高速度、低價(jià)、可靠、實(shí)用、體積小、功耗低和簡單易學(xué)等特點(diǎn)， 它的 CPU 內(nèi)核采用凌陽推出 的 Microcontroller and Signal Processor 16 位微機(jī)處理器芯片，以下簡稱 amp。其特點(diǎn)是 高速度 (50ns)、低功耗 ,硬件應(yīng)用 Harward 結(jié)構(gòu)，具有預(yù)取指令功能，使得指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行，而 MSC51要 12個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令。 1997 年 ,由 ATMEL 公司 挪威 設(shè)計(jì)中心的 A先生與 V 先生利用 ATMEL 公司的 Flash 新技術(shù) , 共同研發(fā)出 RISC 精簡指令集的高速 8中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9頁 共 46頁 位單片機(jī)，簡稱 AVR。以單片機(jī)作為信息處理中心，通過對單片機(jī)進(jìn)行編程，完成信號輸入檢測、信息分析處理及信息顯示。該傳感器價(jià)格較低，而且輸出電壓變化較為明顯，可以實(shí)現(xiàn)我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 缺點(diǎn) :降低了本任務(wù)的難度 ,如果采用該傳感器，只需將其直接接上單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)功能，且價(jià)格非常昂貴。并且容易受到外界其他信號的干擾。 缺點(diǎn)：外部光源的變化對測量結(jié)果的影響較 大； （ 2）壓電式： 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)時(shí)性好，工作頻帶寬，應(yīng)用電路簡單，且價(jià)格低廉。 三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較 （ 1）光電式： 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，易于操作 ,響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單。 （ 3）集成傳感器 當(dāng)前 ,市面上有很多類型的集成心電傳感器 ,其靈敏度高 ,集成度高 ,直接就可以反映出心率的變化 ,且已包含了濾波等抗干擾電路 ,波形經(jīng)過放大可以直接處理使用?，F(xiàn)在市場上的心率計(jì)普遍采用這種傳感器來采集信號，因?yàn)榇思t外管接收和發(fā)射都在手指的同一側(cè)，因此便不用考慮每個(gè)人手指情況不同所 造成的中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 8頁 共 46頁 麻煩。將對管夾于手指端部，通過手指的血液濃度會隨著心臟的跳動發(fā)生變化，紅外對管對應(yīng)的信號便會發(fā)生相應(yīng)的變化，采集此信號經(jīng)過放大，濾波，比較等處理便可以得到理想的信號。常用檢測脈搏的光電傳感器分為紅外對管和紅外放射管。反向偏壓的光敏二極管，它的反向電流具有隨光照強(qiáng)度增加而增加的光電效應(yīng)特性，在一定光強(qiáng)范圍內(nèi)，光 敏二極管的反向電流與光強(qiáng)呈線性關(guān)系。當(dāng)手指前端受到輕微的壓力時(shí)，可以感覺到手指前端在血壓的作用下有一張一弛的感覺，將這個(gè)信號用傳感器提取出來，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，通過指脈的波形檢測，就可以獲得人體的脈搏信號。臨床上為了統(tǒng)一和便于比較所獲得的脈搏信號 ,在檢測脈搏信號時(shí) ,對電極的位置 ,引線與放大器的連接方式都有嚴(yán)格的統(tǒng)一規(guī)定。電極的好壞對采集到的心電信號質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用 ,采用的電極應(yīng)有貼力強(qiáng) ,能緊附在人體表面 ,柔軟、吸汗、極化電壓低、導(dǎo)電性良好等特點(diǎn)。 脈搏測量儀硬件框圖如下圖 ： 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 6頁 共 46頁 圖 脈搏測量儀的工作原理 外部中斷信號 脈搏傳感器 一級放大器和低通濾波器 二級放大電路和比較器 單片機(jī) AT89C51 數(shù)碼顯示電路 外部晶振 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 7頁 共 46頁 3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案 傳感器選擇 （ 1）壓電式傳感器 目前常用的是一次性心電電極 ,它是用印刷方法制得的 Ag/ Agcl 傳感器。 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。 （ 3）多功能化越來越明顯 目前的脈搏測量儀，一般都具有測試血氧，心電圖等等功能，單純的脈搏測量儀已經(jīng)很少見。 隨著數(shù)字科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量儀集成度將更高，更便于攜帶。因此，未來脈搏 自動檢測的內(nèi)容將更加詳細(xì)，自動分析診斷功能也更強(qiáng)大。 脈搏測量儀的發(fā)展主要向以下幾個(gè)趨勢發(fā)展： （ 1）自動測量脈搏并且對所得到的脈搏進(jìn)行自動分析。但因耳脈較弱，尤其是當(dāng)季節(jié)變化時(shí)，所測信號受環(huán)境溫度影響明顯，造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確。起初 用于體育測量的脈搏測試 集中在對接觸式傳感器的研究，利用此類傳感器所研制的指脈、耳脈等測量儀各有其優(yōu)缺點(diǎn)。制成的脈搏測量儀器性能良好，結(jié)構(gòu)簡單，有較好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。 5. 電源 即向 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。 3. 單片機(jī)電路 即利用單片機(jī)自身的定時(shí)中斷計(jì)數(shù)功能對輸入的脈沖電平進(jìn)行運(yùn)算得出心率 。 1． 脈搏傳感器 即將非電量轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件。 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 4頁 共 46頁 2 脈搏監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 脈搏監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 脈搏測監(jiān)測系統(tǒng)是利用脈搏傳感器作為變換原件，把采集到的用于檢測脈搏跳動的脈搏信號 轉(zhuǎn)換成電信號， 用電子儀表進(jìn)行測量和顯示的裝置。硬件的設(shè)計(jì)包括了各功能模塊的方案論證和電路設(shè)計(jì)， 各模塊硬件電路調(diào)試和總體調(diào)試。但人體的生物信號多屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻的弱信中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 3頁 共 46頁 號 , 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號 ,因此必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求 [14]。從脈搏波 中提取人體的心理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。通過光電式脈搏傳感器所研制的脈搏測量儀已經(jīng)應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)等各個(gè)方面并收到了理想效果 [11]。 其中光電式脈搏傳感器是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器，通過對手指末端透光度的監(jiān)測，間接檢測出脈搏信號。過去在醫(yī)院臨床監(jiān)護(hù)和日常中老年保健中出現(xiàn)的日常監(jiān)護(hù)儀器，如便攜式電子血壓計(jì)，可以完成脈搏的測量 ,但是這種便攜式電子血壓計(jì)利用微型氣泵加壓橡膠氣囊，每次測量都需要一個(gè)加壓和減壓的過程，存在體積龐大、加減壓過程會有不適、脈搏檢測的精確度低等缺點(diǎn) [9]。 指脈測量比較方便、簡單，但因?yàn)槭种干系暮瓜佥^多，指夾常年 使用，污染可能會使測量靈敏度下降：耳脈測量比較干凈，傳感器使用環(huán)境污染少，容易維護(hù)。 脈搏測量儀的發(fā)展與應(yīng)用 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量技術(shù)也越來越先進(jìn)，對脈搏的測量精度也越來越高，國內(nèi)外先后研制了不同類型的脈搏測量儀，而其中關(guān)鍵是對脈搏傳感器的研究。脈象探頭式樣很多，有單部、三部、單點(diǎn)、多點(diǎn)、剛性接觸式、軟性接觸式、氣壓式、硅杯式、液態(tài)汞、液態(tài)水、子母式等組成 ,脈象探頭的主要原件有應(yīng)變片、壓電晶體、單晶硅、光敏元件、 PVDF壓電薄膜等，其中以單部單點(diǎn)應(yīng)變片式為最廣泛，不中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 2頁 共 46頁 過近年來正在向三部多點(diǎn)式方向設(shè)計(jì) [6]。 早在 1860年 Vierordt 創(chuàng)建了第一臺杠桿式脈搏描記儀，國內(nèi) 20世紀(jì) 50年代初朱顏將脈搏儀引用到中醫(yī)脈診的客觀化研究方面。為了節(jié)省時(shí)間 ，一般不會作 1分鐘的測量，通常是測量 10 秒鐘時(shí)間內(nèi)心跳的數(shù)，再把結(jié)果乘以 6 即得到每分鐘的心跳數(shù)，即使這樣做還是比較費(fèi)時(shí)，而且精度也不高。為了將傳統(tǒng)的中醫(yī)藥學(xué)發(fā)揚(yáng)光大，促進(jìn)脈診的應(yīng)用和發(fā)展，必須與現(xiàn)代科技相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更科學(xué)、客觀的診斷 [3]。首先，切脈單憑醫(yī)生手指感覺辨別脈象 的特征，受到感覺、經(jīng)驗(yàn)和表述的限制，并且難免存在許多主觀臆斷因素，影響了對脈象判斷的規(guī)范化；其次，這種用手指切脈的技巧很難掌握；再則，感知的脈象無法記錄和保存影響了對脈象機(jī)理的研究 [2]。脈診作為“綠色無創(chuàng)”診斷的手段和方法，得到了中外人士的關(guān)注。在中醫(yī)四診（望、聞、問、切）中，脈診占有非常重要的位置 [1]。 photoelectric sensor。 關(guān)鍵詞： 脈搏 ，光電式傳感器，單片機(jī)。系統(tǒng)運(yùn)行中每分鐘顯示一次測得脈搏次數(shù)。為了提高脈搏測量儀的簡便性和精確度，本課題設(shè)計(jì)了一種基于 51 單片機(jī)的脈搏測量儀。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 基于單片機(jī)的 的 脈搏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 劉光權(quán) 學(xué)號： 1005084146 學(xué) 院： 信息與通信工程