【正文】 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)無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很小，稱為光敏二極管的暗電流；當(dāng)有光照時，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 小與光照強度成正比，于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。光敏三級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極 —— 發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。工作時集電結(jié)反偏， 發(fā)射結(jié)正偏。 光電傳感器檢測原理 檢測原理是 : 隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變：當(dāng)血液送到人體組織時，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。由于手指動脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動變化，所以它對光的反射和衰減也是周期性脈動的 , 于是光敏接收三極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化。 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 19頁 共 46頁 LED 的綜述 在單片機的應(yīng)用系統(tǒng)中，為了便于人們觀察和監(jiān)視單片機的運行情況，常常需要用顯示器顯示運行的中間結(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。在單片機應(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)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮。 本設(shè)計中采用的是 4位七段共陽 極數(shù)碼管顯示器，一共具有 12個引腳， 4個位選端，8個字選端。 圖 4位數(shù)碼管引腳分布圖 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 20頁 共 46頁 LED 數(shù)碼管的顯示方法 靜態(tài)顯示方式是指當(dāng)顯示器顯示某一字符時，發(fā)光二極管的位選始終被選中。由于單片機本身提供的 I/O口有限，實際使用中，通常通過擴展 I/O 口的形式解決輸出口數(shù)量不足的問題。其不足之處是占用硬件資源較多，每個 LED 數(shù)碼管需要獨占 8條輸出線。 動態(tài)顯示方式是指一位一位地輪流點亮每位顯示器（稱為掃描），即每個數(shù)碼管的位選被輪流選中，多個數(shù)碼管公用一組段選，段選數(shù)據(jù)僅對位選選中的數(shù)碼管有效。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。若顯示器的位數(shù)不大于 8位，則顯示器的公共端只需一個 8 位 I/O 口進行動態(tài)掃描（稱為掃描口），控制每位顯示器所顯示的字形也需一個 8 位口（稱為段碼輸出）。 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 21頁 共 46頁 5 脈搏監(jiān)測系統(tǒng) 基本結(jié)構(gòu)模塊 設(shè)計 脈搏波檢測電路 傳感器由紅外發(fā)光二級管和紅外接收三極管組成。 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。 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。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間關(guān)系。 結(jié)構(gòu)如圖 。R21選擇 270Ω同時也是基于紅外接收三極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。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的信號。 當(dāng)手指處于測量位置時，會出現(xiàn)二種情況：一是無脈期。二是有脈期。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，只有 ， 200次 /分鐘時也只有 ，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。 放大器的介紹 LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，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， 電源圖 信號采集電路 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 23頁 共 46頁 電流與電源電壓無關(guān)。 LM358 的特性： 內(nèi)部頻率補償 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。15V) 低功耗電流，適合于電池供電 低輸入偏流 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 ) 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 24頁 共 46頁 圖 LM358示意圖 每一組運算放大器可用圖 所示的符號來表示，它有 5 個引出腳，其中“ +”、“ ”為兩個信號輸入端，“ V+”、“ V”為正、負(fù)電源端，“ Vo”為輸出端。 圖 運算放大器 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 25頁 共 46頁 一級放大電路設(shè)計 一級放大電路是整個系統(tǒng)設(shè)計的重點 ,脈搏測量儀要求在脈搏信號頻率范圍內(nèi)，不失真的放大所采集的微弱信號 ,這要求所用的放大器必須具有低噪聲 ,低漂移 ,低失調(diào)參數(shù) ,高共模抑制比 ,高輸入阻抗 ,線形度小等特點。所以設(shè)計時考慮兩級放大 ,第一級采用 LM358,放大倍數(shù)由公式大約放大 100 倍左右。如圖 所示： 圖 一級放大電路 二階低通濾波電路 由于脈搏信號的頻率在 左右，正常情況下不會出現(xiàn)高于 2HZ 的信號，因此需要設(shè)計一個低通濾波器，用來濾去高頻信號。 （ 1）方案選擇： 方案一：無源濾波器 采用 RC 低通濾波器。 其幅頻特性如圖 。由于主要的干擾出現(xiàn)在 50HZ 左右，所以在截止頻率較低時，采用二階濾波器即可達到很好的濾波效果。其幅頻特性如圖 所示。 由下列公式 21211 CCRRn ?? （式 ） 212111212 )1()( CCRR RCARRC ????? （式 ） 311 RRA ?? （式 ） 12 kCC? （式 ） ???????? ????? 2021 14112 ??? kAkCR （式 ） 2202111 RkCR ?? （式 ） )( 214 RRAR ?? （式 ） 143 ??ARR （式 ） 當(dāng)截止頻率為 10hz 時， n? =20π。 A為運算放大器閉環(huán)增益，本電路中選擇 A=2。電容的取值參考 表中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 28頁 共 46頁 。 f(Hz) C(uF) f(Hz) C(pF) 110 201 103104 104103 10100 104105 103102 1001000 105106 10210 表 其電路原理圖如圖 。 運放 U2A 將信號放大，放大倍數(shù)由 R1和 R2 的比值決定。這里選擇電壓比較器。 圖 整形電路 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 30頁 共 46頁 定時記數(shù)電路的設(shè)計 在這里，單片機要實現(xiàn)對脈搏信號的處理。 單片機對一分鐘內(nèi)的脈沖次數(shù)進行 。 圖 單片機計數(shù)電路 顯示電路的設(shè)計 脈搏信號經(jīng)過單片機處理，得到脈搏波動頻率之后，需要在顯示電路中直觀地顯示出來。本設(shè)計的顯示采用 LED數(shù)碼管動態(tài)掃描來顯示。 數(shù)碼管顯示電路如圖 。流程如圖 。 T0,T1 中斷請求來自于輸入單片機中頻率為 1Hz 的脈沖信號。 T0 中斷采用邊沿觸發(fā)方式，當(dāng)處于測量狀態(tài)的時候來一個脈沖，脈搏次數(shù)就加一，由 T1定時一分鐘，累加得出一分鐘的脈搏次數(shù)。 圖 中斷程序流程圖 顯示程序的設(shè)計 本次設(shè)計顯示的內(nèi)容是被測量者一分鐘的脈搏次數(shù)。 流程如圖 。 由于在系統(tǒng)設(shè)計中采用模塊化設(shè)計，所以方便了對各電路功能模塊的逐級測試。試著輸入一系列脈沖，觀察 MCU部分能是否能顯示；模擬部分用正弦波加一個直流分量模擬脈搏信號，借助示波器觀察波形效果如何。 圖 脈搏信號仿真 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 36頁 共 46頁 一級放大電路 信號經(jīng)一級放大電路后，反向放大， 輸入電壓幅值為 ，輸出電壓幅值為， 放大倍數(shù)為 100 倍， 和設(shè)置的基本一致。 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 37頁 共 46頁 圖 二階濾波電路輸出信號 整形電路 經(jīng)過整形電路后的信號，波形如圖 所示。 圖 單片機仿真電路 圖 脈搏次數(shù)顯示 本次仿真中，使用了五個不同頻率的脈沖輸入，分別測試一分鐘的脈沖數(shù)，驗中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 39頁 共 46頁 證程序的準(zhǔn)確性，仿真數(shù)據(jù)如表 。另一方面，單片機應(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)計思想和設(shè)計方法。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。 本設(shè)計主要是 51單片機在脈搏測試系統(tǒng)中的應(yīng)用。利用單片機自身的定時中斷、外部中斷、計數(shù)等功能。由于時間比較短，同時本人掌握的知識有限，本次設(shè)計雖已完成，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，同時此次設(shè)計的測量儀功能比較單一，沒有如語音系統(tǒng)實現(xiàn)自動讀出脈搏次數(shù)等人性 化功能，且在設(shè)計過程中使用的運放數(shù)量也較多，加大了電源管理的復(fù)雜度。 為了更好的進行電脈搏測量儀的設(shè)計，在近一個學(xué)期的時間里，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)計做好充分的準(zhǔn)備。（ 2）通過此次的設(shè)計，使我了解了脈搏測量儀在國內(nèi)外發(fā)展之 迅速、應(yīng)用領(lǐng)域之廣、市場前景之大。（ 4）通過次次的設(shè)計，使我體會到堅持不懈的毅力對完成一件事情起著巨大的作用。 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 第 41頁 共 46頁 參考文獻 [1] 高上凱．淺談腦一機接口的發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn) [J]．中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報， 2021，26(6)： 801803． [2] 楊國忠．生物醫(yī)學(xué)工程的過去、現(xiàn)在和未來 [J]．世界醫(yī)療器械， 1995， 1(1). 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