【正文】 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(shí)此次設(shè)計(jì)的測量儀功能比較單一，沒有如語音系統(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） 開機(jī)后顯示不正?；虬存I失靈 可查手指擺放的位置或按鍵電路，若無故障則是硬件損壞。 （ 4） 顯示正常但經(jīng)適當(dāng)運(yùn)動(dòng)后測量，脈搏次數(shù)沒有增加 可能是前置放大級有問題，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)，通過運(yùn)行一段時(shí)間可通過秒表來校正后 ,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)，所以方便了對各電路功能模塊的逐級測試。如果偶爾出現(xiàn)不穩(wěn)的情況，請按復(fù)位鍵對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。 測量儀使用方法 測量儀通電后，數(shù)碼管全部顯示 0。 測量過程中運(yùn)動(dòng)噪聲的影響 測量過程當(dāng)中，通常情況下手指和光電式脈搏傳感器可能產(chǎn)生相對的運(yùn)動(dòng)，這樣對脈搏測量產(chǎn)生誤差，可以通過 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)；二是從脈搏信號處理的角度，通過算法來減小誤差。 工頻干擾是電路中最常見的干擾，脈搏信號變化緩慢，特別容易受到工頻信號的干擾，因此對工頻信號干擾的抑制是保證脈搏信號測量精度的主要措施之一。 電磁干擾對脈搏傳感器的影響 通過光電轉(zhuǎn)換得到的包含 脈搏信息的電信號一般比較微弱，容易受到外界電磁信號的干擾，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，那么在信號的傳遞過程就很容易受到外界電磁干擾，通常在一級放大電路采用電磁屏蔽的方式來消除電磁干擾。 加上指套式外殼后的脈搏傳感器測量到的脈搏波形比較平滑。 測量環(huán)境下的背景光包含環(huán)境光和在測量過程中引起的二次反射光。光電式脈搏測量儀的測量過程中，前端測量到的 脈搏信號十分微弱，容易受到外界環(huán)境干擾，其中主要的干擾源有測量環(huán)境光干擾、電磁干擾、測量運(yùn)動(dòng)噪聲。 程序在執(zhí)行過程若發(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？ 脈搏數(shù) +1 返回 等待按鍵按下 Y 20 圖 顯示程序流程圖 軟件說明 本程序采用 C 語言，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 10ms 的延時(shí)后再顯示測試中的脈搏次數(shù)，再經(jīng)過 10ms 的延時(shí) 顯示測試中的時(shí)間。流程如圖 所示。 開始 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)程序完成對外部信號的測量和計(jì)算。主要完成一分鐘的定時(shí)功能和保存測得的脈搏次數(shù)。當(dāng)定時(shí)器中斷開始執(zhí)行后，對 十秒 鐘開始計(jì)時(shí)， 50ms 計(jì)時(shí)到之后繼續(xù)檢測下 50ms，直到 10s 到了再停止并保存測得的脈搏次數(shù)。流程如 17 圖 所示。初始化程序主要完成對單片機(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 ) 脈搏測量儀電路原理圖 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：單電源 (3— 30V) 雙電源 (177。 表 3 液晶屏接口信號說明 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關(guān)。單片機(jī)對 十秒鐘 內(nèi)的脈沖次數(shù)進(jìn)行累加 并進(jìn)行計(jì)算得出所測人一分鐘的脈搏次數(shù) ，通過 P0、 P1 口把測量過程和結(jié)果送到 液晶 顯示出來。 圖 脈搏信號對比 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 脈搏仿真信號正弦波 放大整形電路 11 圖 放大整形電路 圖 為正弦信號通過放大整形電路之后得到的方型波。但該傳感器輸出信號的頻率很低，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 測量位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)二種情況：一是無脈期。反之， R21 過小，通過的電流偏大，紅外接收三極管也不能準(zhǔn)確地辨別有脈搏和無脈搏時(shí)的信號。 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)過手指組織的反射和衰減由裝在該部位旁邊的光敏三管來接收其透射光并把它轉(zhuǎn)換成電信號。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。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轉(zhuǎn)換為電信號。 光電傳感器的結(jié)構(gòu) 傳感器由紅外發(fā)光二級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)相對于動(dòng)脈血 是十分微弱的，可以忽略。當(dāng)恒定波長的光照射到人體組織上時(shí)，通過人體組織吸收、反射衰減后，測量到的光強(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。 脈搏信號采集 目前脈搏波檢測系統(tǒng)有以下幾種檢測方法：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，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 的輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流 )4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對端口寫 “ 1” ，通過內(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 邏輯門電路，對端口寫 “ 1” 可作為高阻抗轉(zhuǎn)入端用。如圖 所示。 AT89C51 簡介 AT89C5l 是美國 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)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 （ 6） 測量的有效范圍為 50 次 300 次 /分鐘。 （ 4） 穩(wěn)定性好、磨損小、壽命長、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)電路對輸入的脈沖信號進(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。 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)脈搏測量儀的基本測量功能。 （ 4） 液晶 顯示 即把單片機(jī)計(jì)算得出的結(jié)果用 1602LCD 來顯示，便于直接準(zhǔn)確無誤的讀出數(shù)據(jù)。 （ 2） 信號 處理 即處理光電傳感器采集到的低頻信號的模擬電路 (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，本課題就此開始實(shí)施。但人體的生物信號多屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻的弱信號 , 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。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。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