【正文】 成，但其中有很多不足，如程序不夠簡(jiǎn)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(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)。 本設(shè)計(jì)主要是 51 單片機(jī)在脈搏測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。另一方面，單片機(jī)應(yīng)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(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。 （ 6） 開(kāi)機(jī)后顯示不正常或按鍵失靈 可查手指擺放的位置或按鍵電路，若無(wú)故障則是硬件損壞。 （ 4） 顯示正常但經(jīng)適當(dāng)運(yùn)動(dòng)后測(cè)量，脈搏次數(shù)沒(méi)有增加 可能是前置放大級(jí)有問(wèn)題，可采用更換的辦法判斷并排除。 （ 2） 時(shí)鐘的調(diào)試 根據(jù)晶體振蕩頻率計(jì)算出內(nèi)部定時(shí)器的基本參數(shù)，通過(guò)運(yùn)行一段時(shí)間可通過(guò)秒表來(lái)校正后 ,看時(shí)間誤差的量 ,以這個(gè)量為依據(jù)改變程序中的內(nèi)部定時(shí)器基本參數(shù) ,就可使時(shí)鐘調(diào)準(zhǔn)確。最后將各模塊組合后進(jìn)行整體測(cè)試，使系統(tǒng)的功能得以實(shí)現(xiàn)。試著輸入一系列脈沖（用適當(dāng)?shù)碾娮杞诱龢O，間斷性地輸入），觀察 MCU 部分能是否能顯示；模擬部分用不透明的筆在紅外發(fā)射二極管和接收三級(jí)管之間搖擺，借助示波器觀察波形效果如何。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用模塊化設(shè)計(jì)，所以方便了對(duì)各電路功能模塊的逐級(jí)測(cè)試。如果偶爾出現(xiàn)不穩(wěn)的情況，請(qǐng)按復(fù)位鍵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。 測(cè)量?jī)x使用方法 測(cè)量?jī)x通電后，數(shù)碼管全部顯示 0。 測(cè)量過(guò)程中運(yùn)動(dòng)噪聲的影響 測(cè)量過(guò)程當(dāng)中，通常情況下手指和光電式脈搏傳感器可能產(chǎn)生相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，這樣對(duì)脈搏測(cè)量產(chǎn)生誤差，可以通過(guò) 2 個(gè)方面減少運(yùn)動(dòng)噪聲誤差：一是改善指套式傳感器的機(jī)械抗運(yùn)動(dòng)性，比如說(shuō)使指套能夠更緊的套在手指上，不易松 動(dòng)；二是從脈搏信號(hào)處理的角度，通過(guò)算法來(lái)減小誤差。 工頻干擾是電路中最常見(jiàn)的干擾，脈搏信號(hào)變化緩慢，特別容易受到工頻信號(hào)的干擾，因此對(duì)工頻信號(hào)干擾的抑制是保證脈搏信號(hào)測(cè)量精度的主要措施之一。 電磁干擾對(duì)脈搏傳感器的影響 通過(guò)光電轉(zhuǎn)換得到的包含 脈搏信息的電信號(hào)一般比較微弱，容易受到外界電磁信號(hào)的干擾，在傳統(tǒng)的光電式脈搏傳感器電路中，由于光敏器件和放大電路是分離的，那么在信號(hào)的傳遞過(guò)程就很容易受到外界電磁干擾，通常在一級(jí)放大電路采用電磁屏蔽的方式來(lái)消除電磁干擾。 加上指套式外殼后的脈搏傳感器測(cè)量到的脈搏波形比較平滑。 測(cè)量環(huán)境下的背景光包含環(huán)境光和在測(cè)量過(guò)程中引起的二次反射光。光電式脈搏測(cè)量?jī)x的測(cè)量過(guò)程中，前端測(cè)量到的 脈搏信號(hào)十分微弱，容易受到外界環(huán)境干擾，其中主要的干擾源有測(cè)量環(huán)境光干擾、電磁干擾、測(cè)量運(yùn)動(dòng)噪聲。 程序在執(zhí)行過(guò)程若發(fā)現(xiàn)有干擾則忽略該干擾而不顯示，進(jìn)一步減少讀入數(shù)據(jù)的誤差。 外部中斷 0 進(jìn)入 處于檢測(cè)？ 脈搏數(shù) +1 返回 等待按鍵按下 Y 20 圖 顯示程序流程圖 軟件說(shuō)明 本程序采用 C 語(yǔ)言，程序的可讀性非常好。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。流程如圖 所示。 開(kāi)始 初始化 外部中斷計(jì)數(shù) 顯示程序 18 圖 定時(shí)器中斷程序流程圖 INT 中斷 程序流程： 外部中斷服務(wù)程序完成對(duì)外部信號(hào)的測(cè)量和計(jì)算。主要完成一分鐘的定時(shí)功能和保存測(cè)得的脈搏次數(shù)。當(dāng)定時(shí)器中斷開(kāi)始執(zhí)行后，對(duì) 十秒 鐘開(kāi)始計(jì)時(shí)， 50ms 計(jì)時(shí)到之后繼續(xù)檢測(cè)下 50ms，直到 10s 到了再停止并保存測(cè)得的脈搏次數(shù)。流程如 17 圖 所示。初始化程序主要完成對(duì)單片機(jī)內(nèi)專用寄存器、定時(shí)器工作方式及各端口的工作狀態(tài)的設(shè)定。 15V) 低功耗電流，適合于 電池 供電 低輸入偏流 15 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流 共模輸入電壓范圍寬，包括接地 差模輸入電壓范圍寬，等于 電源 電 壓范圍 輸出電壓擺幅大 (0 至 ) 脈搏測(cè)量?jī)x電路原理圖 16 圖 電路原理圖 4 軟件系統(tǒng) 主程序流程： 系統(tǒng)主程序控制單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運(yùn)行 , 它是單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架。 內(nèi)部頻率補(bǔ)償 直流電壓增益高 (約 100dB) 單位增益頻帶寬 (約 1MHz) 電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫?(3— 30V) 雙電源 (177。 表 3 液晶屏接口信號(hào)說(shuō)明 14 圖 數(shù)碼管顯示電路 LM358 介紹 LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)?雙運(yùn)算放大器 ，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。單片機(jī)對(duì) 十秒鐘 內(nèi)的脈沖次數(shù)進(jìn)行累加 并進(jìn)行計(jì)算得出所測(cè)人一分鐘的脈搏次數(shù) ，通過(guò) P0、 P1 口把測(cè)量過(guò)程和結(jié)果送到 液晶 顯示出來(lái)。 圖 脈搏信號(hào)對(duì)比 12 單片機(jī)處理電路 如圖 ，本部分運(yùn)用了 ATMEL公司的 89C51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。 圖 脈搏仿真信號(hào)正弦波 放大整形電路 11 圖 放大整形電路 圖 為正弦信號(hào)通過(guò)放大整形電路之后得到的方型波。但該傳感器輸出信號(hào)的頻率很低，如當(dāng)脈搏只有為 50 次 /分鐘時(shí)，只有 ， 200 次 /分鐘時(shí)也只有 ，因此信號(hào)首先經(jīng) 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。二是有脈期。當(dāng)手指處于 測(cè)量位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)二種情況：一是無(wú)脈期。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。故只要把此電信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，即可實(shí)時(shí)的測(cè)出脈搏的次數(shù)。因此本設(shè)計(jì)將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的手指部位，經(jīng)過(guò)手指組織的反射和衰減由裝在該部位旁邊的光敏三管來(lái)接收其透射光并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。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)。 光電傳感器的結(jié)構(gòu) 傳感器由紅外發(fā)光二級(jí)管和紅外接收三極管組成。 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(dòng)相對(duì)于動(dòng)脈血 是十分微弱的，可以忽略。當(dāng)恒定波長(zhǎng)的光照射到人體組織上時(shí)，通過(guò)人體組織吸收、反射衰減后，測(cè)量到的光強(qiáng)將在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學(xué)儀器工作的專家和學(xué)者的重視。 脈搏信號(hào)采集 目前脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)有以下幾種檢測(cè)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(yīng)變式脈搏傳感器。 XTALI： 振蕩器反相放大器 的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 EA／ VPP： EA ＝ 0，單片機(jī)只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。 PSEN：程序存儲(chǔ)允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C51 由外部程序存儲(chǔ)器取指令 (或數(shù)據(jù) )時(shí)．每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE(地 址鎖存允許 )輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。 7 表 P3 口的第二功能 RST：復(fù)位輸入。 P3 口： ① 可以作為輸入 /輸出口，外接輸入 /輸出設(shè)備。 P2 口： P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口， P2 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。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。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路，對(duì)端口寫(xiě) “ 1” 可作為高阻抗轉(zhuǎn)入端用。如圖 所示。 AT89C51 簡(jiǎn)介 AT89C5l 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器 (PEROM)和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大 AT89CSl單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 （ 6） 測(cè)量的有效范圍為 50 次 300 次 /分鐘。 （ 4） 穩(wěn)定性好、磨損小、壽命長(zhǎng)、維修方便。 （ 2） 傳感器可重復(fù)使用且速度快，精度高。單片機(jī)電路對(duì)輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理后把結(jié)果送到數(shù)碼管顯示。由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液飽和程度的變化將引起光的強(qiáng)度發(fā)生變化，因此和心跳的節(jié)拍相對(duì)應(yīng)，紅外接收三極管的電流也跟著改變，這就導(dǎo)致紅外接收三極管輸出脈沖信號(hào)。 工作原理 本設(shè)計(jì)采用單片機(jī) AT89C51 為控制核心，實(shí)現(xiàn)脈搏測(cè)量?jī)x的基本測(cè)量功能。 （ 4） 液晶 顯示 即把單片機(jī)計(jì)算得出的結(jié)果用 1602LCD 來(lái)顯示，便于直接準(zhǔn)確無(wú)誤的讀出數(shù)據(jù)。 （ 2） 信號(hào) 處理 即處理光電傳感器采集到的低頻信號(hào)的模擬電路 (包括放大、整形等 )。本系統(tǒng)的組成包括光電傳感器、信號(hào)處理、單片機(jī)電路、數(shù)碼顯示、電源等部分。在硬件設(shè)計(jì)中一般的 物理信號(hào)就是電壓變化，有了這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，本課題就此開(kāi)始實(shí)施。但人體的生物信號(hào)多屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻的弱信號(hào) , 脈搏波信號(hào)更是低頻微弱的非電生理信號(hào) ,因此必需經(jīng)過(guò)放大和后級(jí)濾波以滿足采集的要求。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(lái)都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。通過(guò)光電式脈搏傳感器所研制的脈搏測(cè)量?jī)x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。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(guò)對(duì)手指末端透光度的監(jiān)測(cè)，間接檢測(cè)出脈搏信號(hào)。 過(guò)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(cè)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(cè)量都需要一個(gè)加壓和減