【正文】 光電轉(zhuǎn)換電路 光敏二極管的特性是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流，而隨后的 A/D 轉(zhuǎn)換電路是以電壓為檢測(cè)對(duì)象。運(yùn)算放大器與電阻 R形成電流電壓變換電路，如圖 22 所示。）電路 輸出電壓 RIAout ?? 。傳統(tǒng)的光電脈搏波信號(hào)檢測(cè)電路都采用高增益放大器，以獲得較高的檢測(cè)靈敏度，這種設(shè)計(jì)思路導(dǎo)致了檢測(cè)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍縮小，在受到運(yùn)動(dòng)干擾時(shí)，將導(dǎo)致由于干擾信號(hào)而帶來(lái)的光 電脈搏波信號(hào)檢測(cè)的飽和失真。因此本系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換而不需要任何信號(hào)調(diào)理（放大和濾波）電路。 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。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 。 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、濾波、整形等 )。 4．?dāng)?shù)碼顯示 即把單片機(jī)計(jì)算得出的結(jié)果用 8 位 LED 數(shù)碼管靜態(tài)掃描來(lái)顯示，便于直接準(zhǔn)確無(wú)誤的讀出數(shù)據(jù)。 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。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)。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。 2. 傳感器可重復(fù)使用且速度快，精度高。 4. 穩(wěn)定性好、磨損小、壽命長(zhǎng)、維修方便。 6. 測(cè)量的有效范圍為 50 次 199 次 /分鐘。 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(chǔ)器(EEPROM)的 8位單片機(jī) ,它具有如下主 要特性，如圖 41所示： （ 1）和 MCS51 產(chǎn)品的兼容 （ 2） 2K 字節(jié)可重編程閃速存儲(chǔ)器 （ 3）耐久性： 1,000 寫／擦除周期 （ 4） ～ 6V的操作范圍 （ 5）全靜態(tài) 操作： 0Hz～ 24MHz 128 8位內(nèi)部 RAM 圖 41 AT89C2051的結(jié)構(gòu)框圖 兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 可編程串行 UART 通道 片內(nèi)模擬比較器 和 MCS51 產(chǎn)品的兼容 耐久性： 1,000 寫／擦除周期 全靜態(tài)操作： 0Hz～ 24MHz 128 8位內(nèi)部 RAM 兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 可編程串行 UART 通道 片內(nèi)模擬比較器 和 MCS51 產(chǎn)品的兼容 耐久性： 1,000 寫／擦除周期 全靜態(tài)操作： 0Hz～ 24MHz 128 8位內(nèi)部 RAM 兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 可編程串行 UART 通道 片內(nèi)模擬比較器 AT89C2051的引腳說(shuō)明 AT89C2051 是一個(gè)有 20 個(gè)引腳的芯片 ,與 8051 內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn) ,AT89C2051 減少了兩個(gè)對(duì)外端口（即 P0、 P2 口） ,使它最大可能地減少了對(duì)外引腳 ,因而芯片尺寸有所減少。 2. GND：地。口引腳 ～ 提供內(nèi)部上拉電阻。 和 還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入 (AIN0)和反相輸入（ AIN1)。當(dāng) P1 口引腳寫入“ 1”時(shí) ,其可用作輸入端。 P1口 還在閃速編程和程序校驗(yàn)期間接收代碼數(shù)據(jù)。 用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號(hào)并且它作為一通用 I/O 引腳而不可訪問(wèn)。當(dāng) P3 口引腳寫入“ 1”時(shí) ,它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。 P3 口還用于實(shí)現(xiàn) AT89C2051 的各種功能 ,如下表 101 所示。 5. RST： 復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器正在運(yùn)行時(shí) ,持續(xù)給出 RST 引腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平便可完成復(fù)位。 6. XTAL1：作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。 表 41 P3口的功能 端 口引腳 功能 RXD(串行輸入端口 ) TXD(串行輸出端口 ) INT0(外中斷 0) INT1(外中斷 1) TO(定時(shí)器 0外部輸入 ) T1(定時(shí)器 1外部輸入 ) 從上述引腳說(shuō)明可看出， AT89C2051 沒(méi)有提供外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器與 I/O 設(shè)備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號(hào) ,因此利用 AT89C2051 構(gòu)成的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不能在AT89C2051 之外擴(kuò)展存儲(chǔ)器或 I/O設(shè)備，也即 AT89C2051 本身即構(gòu)成了最小單片機(jī)系統(tǒng)。經(jīng)計(jì)算得單片機(jī)工作胡機(jī)器周期為： 12（ 1247。 光電傳感器 簡(jiǎn)介 光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此 ,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。 光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。 在此次設(shè)計(jì)中我們采用的是光電傳感器中最常見(jiàn)普遍的光敏二極管做紅外接收二極管和光面三極管做紅外發(fā)送三極管。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開(kāi)有一個(gè)嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積， PN圖 44振蕩電路圖 C13 0 p FC23 0 p FX T A LX T A L21X L A L 1X T A L 2結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負(fù)載電阻相串聯(lián)，當(dāng)無(wú)光照時(shí)，它與普通二極管一樣，反向電流很?。?amp。A），稱為光敏二極管的暗電流；當(dāng)有光照時(shí)，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子 空穴，稱為光電載流子。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光 照強(qiáng)度變化而變化的電信號(hào)。光敏三級(jí)管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個(gè)極 —— 發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開(kāi)窗口，以便光線射入。工作時(shí)集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。 光電傳感器檢測(cè)原理 檢測(cè)原理是 : 隨著心臟的搏動(dòng)，人體組織半透明度隨之改變：當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明度減小，當(dāng)血液流回心臟，組織半透明度則增大；這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯 [5]。由于手指動(dòng)脈血在血液循環(huán)過(guò)程中呈周期性的脈動(dòng)變化，所以它 對(duì)光的反射和衰減也是周期性脈動(dòng)的 , 于是 光敏 接收三極管輸出信號(hào)的變化也就反映了動(dòng)脈血的脈動(dòng)變化。 LED 的綜述 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。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的顯示器主要有發(fā)光二極管數(shù)碼顯 示器，簡(jiǎn)稱 LED 顯 示器。但顯示內(nèi)容有限，不能顯示圖形，因而其應(yīng)用有局限性 [11]。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用最多的就是七段 LED 數(shù)碼管，有共陰極和共陽(yáng)極兩種。共陰極 LED 數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管陰極，通常接地，當(dāng)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。 本設(shè)計(jì)中采用的是 4 位七段共陽(yáng)極數(shù)碼管顯示器，一共具有 12 個(gè)引腳， 4 個(gè)位選端， 8個(gè)字選端。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 45所示。在這種顯示方式下，每一個(gè) LED 數(shù)碼管顯示器都需要一個(gè) 8位的輸出口進(jìn)行控制。靜態(tài)顯示主要的優(yōu)點(diǎn)是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導(dǎo)通電流一定的情況下顯示器的亮度大，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，在需要更新顯示內(nèi)容時(shí)，CPU 才去執(zhí)行顯示更新子程序，這樣既節(jié)約了 CPU 的時(shí)間，又提高了 CPU 的工作效率。隨著顯示器位數(shù)的增加，需要的 I/O 口線也將增加。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。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。 通過(guò)比較，我們可以發(fā)現(xiàn) LED動(dòng)態(tài)顯示更加適合本設(shè)計(jì)，所以就采用此方法。采用 發(fā)光 二極管作為光源時(shí)，可基本抑制由呼吸運(yùn)動(dòng)造成的脈搏波曲線的漂移。在本設(shè)計(jì)中， 紅外 接收三極管和 紅外 發(fā)射二極管相對(duì)擺放以獲得最佳的指向特性。光電式脈搏傳感器按照