脈搏監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文

《脈搏監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《脈搏監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文（53頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 生物醫(yī)學(xué)工程 題 目： 脈搏監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師： 評(píng)閱教師： 年 月 河北科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表 姓 名學(xué) 號(hào)成 績(jī) 專 業(yè)生物醫(yī)學(xué)工程 題 目脈搏監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師評(píng)語及成績(jī) 指導(dǎo)教師： 年 月 日 評(píng)閱教師評(píng)語及成績(jī) 評(píng)閱教師： 年 月 日 答辯小組評(píng)語及成績(jī) 答辯小組組長(zhǎng)： 年 月 日 答辯委員會(huì)意見 學(xué)院答辯委員會(huì)主任： 年 月 日 注：該表一式兩份，一份歸檔，一份裝入學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書中。 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 中中 文文 摘摘 要要 脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過對(duì)脈搏的實(shí)時(shí)觀測(cè)，可實(shí)現(xiàn)人體健康的狀

2、態(tài)預(yù)警，目前廣 泛應(yīng)用于保健中心和醫(yī)院?；?STC89C52 單片機(jī)設(shè)計(jì)的脈搏監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)可以 實(shí)現(xiàn)對(duì)人體脈搏的即時(shí)可靠檢測(cè)，以及對(duì)脈搏出現(xiàn)異常情況進(jìn)行報(bào)警提示。信號(hào) 采集系統(tǒng)采用光電傳感器，將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。然后對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行濾波、 放大和整形處理。把經(jīng)過調(diào)理后的脈搏信號(hào)輸入到單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)對(duì)脈沖進(jìn) 行相應(yīng)的計(jì)算和處理后，最后將測(cè)量者一分鐘內(nèi)的脈搏次數(shù)顯示在 LCD1602 液晶 屏上。測(cè)量過程中可以觀察指示燈的閃爍情況來判斷系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，若指示 燈均勻閃爍說明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量準(zhǔn)確。脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)能夠顯示測(cè) 量者一分鐘的脈搏次數(shù)，同時(shí)還可以進(jìn)行上下限的設(shè)置，當(dāng)測(cè)得的

3、脈搏數(shù)超過設(shè) 定范圍，則蜂鳴器報(bào)警，表示當(dāng)前健康狀態(tài)存在一定風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)測(cè)試，設(shè)計(jì)的脈搏 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞 脈搏監(jiān)測(cè) STC89C52 光電傳感器 LCD 顯示器 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 外外 文文 摘摘 要要 Title Design of Hardware System for Pulse Monitoring Abstract Pulse monitoring system can realize the health of the human body by real-time observation of the pulse, which is widel

4、y used in health care centers and hospitals. The design of pulse monitoring hardware system is based on STC89C52 microcontroller which can achieve real-time and reliable detection of human pulse, as well as abnormal situation of the pulse of the alarm prompt. Signal acquisition system using photoele

5、ctric sensor, the pulse signal into electrical signals. Then, the pulse signal is filtered, amplified and processed. After conditioning the pulse signal input to the microcontroller, the pulse of the pulse in the corresponding calculation and processing, and finally the measurement of pulse times wi

6、thin one minute of the display on the LCD1602 LCD screen. In the measurement process, it can be observed that the flashing of the indicator light to judge the stability of the system work, if the indicator light flashes evenly, the system is stable and accurate. Pulse monitoring system to stop runni

7、ng to show the measurement of a minute of the pulse of the times, can also set the upper and lower, when the measured pulse number exceeds the set range, the buzzer alarm, said the current state of health, there is a certain risk. After testing, the design of the pulse monitoring system is stable, t

8、he indicators meet the design requirements. Key Words Pulse monitoring STC89C52 Photoelectric sensor LCD display 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) 第 頁 共 頁 目 錄 1 緒論 1 1.1 選題背景和意義1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2 1.3 課題主要研究?jī)?nèi)容3 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 4 2.1 傳感器的選型4 2.2 主控模塊的選型6 2.3 顯示模塊的選型7 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 8 3.1 主控模塊8 3.2 信號(hào)采集與處理電路設(shè)計(jì)13 3.4 按鍵電路的設(shè)計(jì)19 3.5 蜂鳴器電路

9、的設(shè)計(jì)20 3.6 顯示電路設(shè)計(jì)21 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 24 4.1 系統(tǒng)主程序流程24 4.2 按鍵程序流程設(shè)計(jì)25 4.3 蜂鳴器報(bào)警程序流程設(shè)計(jì)26 4.4 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷程序流程的設(shè)計(jì) 27 4.5 顯示程序流程的設(shè)計(jì)27 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) 第 頁 共 頁 5 系統(tǒng)調(diào)試 29 5.1 調(diào)試結(jié)果29 5.2 誤差分析30 6 系統(tǒng)檢驗(yàn) 31 結(jié) 論 33 致 謝 34 參 考 文 獻(xiàn)35 附錄 A：系統(tǒng)整體原理圖37 附錄 B：系統(tǒng)源程序38 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 1 頁 共 47 頁 1 緒論緒論 脈搏是人體基本的生命體征參數(shù)，脈搏的正常與否能夠間接的反映

10、人體的健康狀 態(tài)。在醫(yī)療科技快速發(fā)展的情況下，脈搏監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為人體保健和疾病診斷不可或缺 的環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)一款便攜的脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有一定的實(shí)際意義。 1.1 選題背景和意義選題背景和意義 脈搏是人體正常的生理現(xiàn)象，它能夠直觀的反映心臟和血管的健康狀態(tài)。人體各 個(gè)器官的健康和病變等信息會(huì)通過血液和心臟以某種方式間接地表現(xiàn)在脈象中。通過 觀察脈搏波，分析脈波圖能夠發(fā)現(xiàn)許多具有診斷價(jià)值的信息，用于預(yù)測(cè)人體某些器臟 結(jié)構(gòu)和功能的變化趨勢(shì)，如：血管在力學(xué)性質(zhì)和幾何形態(tài)上的變異會(huì)反映在脈搏波波 形和波速的變化上1。各種心血管病理和生理性變異常常會(huì)引發(fā)脈搏的改變，并先于疾 病臨床癥狀的出現(xiàn)。通過對(duì)脈搏波的檢測(cè)分

11、析可以對(duì)高血壓、心臟病等引起的血管病 變進(jìn)行評(píng)估。同時(shí)脈搏測(cè)量還為血壓、血流及其他某些生理信號(hào)測(cè)量提供了一種生理 參考信號(hào)。 心室周期性的收縮和舒張是心臟跳動(dòng)的原始動(dòng)力，心臟跳動(dòng)直接引起主動(dòng)脈的舒 張和收縮，在血流中產(chǎn)生壓力波循環(huán)的在動(dòng)脈系統(tǒng)中傳播，這就是常說的脈搏波。通 其他機(jī)械波一樣，脈搏波也具有一定的波形、強(qiáng)度、幅值和速率等信息，而這些信息 與人體心血管系統(tǒng)的健康狀態(tài)、病變異常等引起的血流特征息息相關(guān)2。從理論上來說， 通過高科技手段檢測(cè)人體脈搏的微弱變化，能夠直接診斷人體存在的病變前兆以及疾 病情況。因此，對(duì)脈診進(jìn)行研究探索是醫(yī)療工作的必須前提，也是中醫(yī)科學(xué)的延伸和 拓展，對(duì)人類醫(yī)學(xué)的

12、發(fā)展具有重要意義。 在醫(yī)學(xué)和保健學(xué)中，脈搏作為一種最基本的生命特征，受到很大重視。作為我國 傳統(tǒng)中醫(yī)的精髓，脈診在我國已具有 2600 多年的實(shí)踐歷史，但傳統(tǒng)中醫(yī)中的“望、聞、 問、切”病情診斷方法，受經(jīng)驗(yàn)等認(rèn)為因素的影響較大，測(cè)量精度難以保證。在我國 傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中，對(duì)脈搏的檢測(cè)通常是通過人工把脈或者聽診器進(jìn)行測(cè)試，由于經(jīng)驗(yàn)的不 足和器械的局限性，難以準(zhǔn)確測(cè)得脈搏的具體信息。而隨著科技的進(jìn)步和醫(yī)療器械的 發(fā)展，利用新型的電子儀器能夠更加精確的對(duì)脈搏進(jìn)行測(cè)量，為疾病診斷提供更加準(zhǔn) 確的信息依據(jù)?，F(xiàn)在市面上有很多用于日常監(jiān)護(hù)的儀器，最常見的便攜式電子血壓計(jì)， 可以完成對(duì)人體脈搏的測(cè)量。這種便攜式電子

13、血壓計(jì)利用微型氣泵加壓橡膠氣囊，但 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 2 頁 共 47 頁 是每次測(cè)量都需要一個(gè)加壓和減壓的過程，但是也會(huì)有一些缺點(diǎn)比如體積龐大、加減 壓過程造成不適、脈搏檢測(cè)的精確度低等3。因此，采用傳感器對(duì)脈搏進(jìn)行檢測(cè)，具有 準(zhǔn)確度高，信息量大，非侵入性，便攜性等諸多優(yōu)點(diǎn)，將成為今后脈診的趨勢(shì)。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 對(duì)醫(yī)學(xué)參數(shù)的測(cè)試研究已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，作為一個(gè)新興學(xué)科，受到 醫(yī)學(xué)界以及工程技術(shù)界的廣泛關(guān)注。世界上第一臺(tái)杠桿式脈搏描記儀是在 1860 年由 Vierordt 創(chuàng)建的，而我國脈搏儀的研究始于 20 世紀(jì) 50 年代初，著名醫(yī)學(xué)

14、家朱顏首次 將脈搏儀用到中醫(yī)脈診的研究4。此后，機(jī)械及電子技術(shù)的發(fā)展快速帶動(dòng)了脈象儀研制 方面的發(fā)展。在 70 年代中期，上海、天津、江西、貴州等地相繼成立了脈象研究工作 小組，使得中醫(yī)脈象的研究工作在理論和實(shí)踐上踏上了新的臺(tái)階。以下按脈象儀探頭 的形式，傳感器的特點(diǎn)及研制者作一簡(jiǎn)單的歸納5，詳見表 1.1 所示。 表 1.1 脈搏儀的研制情況 研制者探頭形式（單部）探頭形勢(shì)（三部） 北京醫(yī)療器械廠MX-1 型（應(yīng)變片）BYS-14 型（應(yīng)變片） 上海醫(yī)療儀器研究所MX-3 型，MX 型（7 點(diǎn)式）3MX-1 型（應(yīng)變片） 天津醫(yī)療儀器研究所MTY-A（寸部 7 點(diǎn)，應(yīng)變片） 上海中醫(yī)學(xué)院ZM

15、-1 型（子母式，應(yīng)變片）九路型（徑向 7 點(diǎn)，軸向 3 組） 貴州省脈象協(xié)作組ZH-I 型（應(yīng)變片）ZH-II 型，軸向徑向均可調(diào)節(jié) 西安交通大學(xué)圓形氣囊加壓式（7 點(diǎn)） 上海中醫(yī)研究院橫向線列式九道（應(yīng)變片） 浙江大學(xué)63 點(diǎn)（PVDF 壓電薄膜） 西苑醫(yī)院壓電晶體 江西脈圖協(xié)作組MX-811 型（液態(tài)泵） 中科院基礎(chǔ)所硅杯式（單晶硅） 中科院智能機(jī)械所軟接觸式（應(yīng)變片，液態(tài)） 湖南省中醫(yī)學(xué)院血管容積式（光敏元件） 湖南省中醫(yī)研究院阻抗儀 中國臺(tái)灣 汪叔游三部壓力換能器 美國 Dr. Laub（壓電晶體）三部手套力與壓力復(fù)合式 德國 Park. H.S三部綁帶充氣加壓 脈象探頭的樣式諸多，

16、按外在形態(tài)可分為單部、三部或者單點(diǎn)、多點(diǎn)；按照接觸 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 3 頁 共 47 頁 方式可分為剛性接觸式、軟性接觸式；按照材料可分為硅杯式、液態(tài)汞、液水、子母 式，其中應(yīng)用最為廣泛的是單部單點(diǎn)應(yīng)變片式，由于性能更加優(yōu)越，近年來三部多點(diǎn) 式發(fā)展成為主流。 脈搏測(cè)量?jī)x的發(fā)展主要向以下幾個(gè)趨勢(shì)發(fā)展： 1）自動(dòng)化也正在成為脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展方向。為減少人力物力的投入，并降低人 為引入誤差，對(duì)脈搏進(jìn)行機(jī)械化全自動(dòng)監(jiān)測(cè)已成為大勢(shì)所趨，而隨著處理器的發(fā)展， 對(duì)脈搏自動(dòng)診斷分析功能也更強(qiáng)大。 2）將數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)用于脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的集成度、便攜性、 抗干擾性以及精

17、確度。 3）單一功能的脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)不到現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的要求，現(xiàn)在血氧、心電等參數(shù) 也被慢慢融合到脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將逐步實(shí) 現(xiàn)更多的功能。 1.3 課題主要研究?jī)?nèi)容課題主要研究?jī)?nèi)容 人體脈搏的正常范圍是每分鐘 6080 次（嬰兒每分鐘 120140 次；老年人脈搏頻 率較慢，每分鐘約為 5560 次） 。由此可知人體的脈搏信號(hào)屬于低頻信號(hào)。本設(shè)計(jì)所要 設(shè)計(jì)的脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的基本功能包括： 1）通過光電傳感器將脈搏信號(hào)（生物信號(hào)）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并進(jìn)行采集和存儲(chǔ)。 2）對(duì)采集的脈搏信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，使其能夠與控制系統(tǒng)相兼容。 3）設(shè)計(jì)主控系統(tǒng)對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)和

18、顯示。 基于上述功能要求，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案為： 通過光電傳感器拾取脈搏信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為脈沖電信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過濾 波、放大和整形處理后輸入單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)采集到 5 次脈搏信號(hào)后，計(jì)算人體 1min 內(nèi)的脈搏次數(shù)，最終的結(jié)果顯示在液晶顯示器上。同時(shí)，為對(duì)脈搏異常實(shí)現(xiàn)預(yù)警， 系統(tǒng)設(shè)置了報(bào)警功能，當(dāng)脈搏數(shù)超過系統(tǒng)設(shè)置的上下限范圍，則蜂鳴器報(bào)警進(jìn)行提示。 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 4 頁 共 47 頁 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將采用脈搏信號(hào)變化會(huì)引起其他生物信號(hào)變化的特點(diǎn)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)進(jìn)而將該生物信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)測(cè)。 本系統(tǒng)通過傳感

19、器對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行采集，傳感器接收端會(huì)接收到強(qiáng)弱不同信號(hào)， 并將這種信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖電信號(hào)輸出，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大和整形處理，輸入 單片機(jī)的 I/O 口。單片機(jī)利用外部中斷對(duì)經(jīng)過處理的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，判斷是否超出上 下限范圍，若超出范圍，則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，并將一分鐘的脈搏次數(shù)顯示在液晶屏上6， 若未超出范圍，則直接顯示脈搏次數(shù)。本設(shè)計(jì)中的脈搏數(shù)上下限范圍通過對(duì)按鍵的控 制進(jìn)行調(diào)節(jié)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖如圖 2.1 所示。 信號(hào) 采集 濾波放大整形 計(jì)數(shù)顯示 報(bào)警 上下限 范圍調(diào)節(jié) 判斷是否 超出上下 限范圍 超出范圍 未超出范圍 圖 2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖 脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏信號(hào)的有效

20、檢測(cè)、可靠傳輸和處理顯示，因此脈搏 傳感器的選型、主控電路的設(shè)計(jì)以及測(cè)量結(jié)果的顯示是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容。根據(jù)使 用環(huán)境和條件的特殊性，脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要具備輕便、靈活、可靠的特點(diǎn)。 2.1 傳感器的選型傳感器的選型 目前用于檢測(cè)脈搏信號(hào)的傳感器主要有壓電式傳感器、光電傳感器和集成傳感器。 這幾種傳感器的檢測(cè)原理不同，優(yōu)缺點(diǎn)也不一樣7。 1）壓電式傳感器 一次性心電電極采用壓電式原理能夠方便的實(shí)現(xiàn)脈搏檢測(cè)，這種常用的壓電式傳 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 5 頁 共 47 頁 感器采用印刷工藝加工制得。人體運(yùn)動(dòng)會(huì)引起心率脈搏的變化，對(duì)脈搏檢測(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重 的干擾，為此，一次性心電電極將接口與

21、敏感區(qū)分離設(shè)計(jì)以減少干擾。電極需要具備 粘貼性高、導(dǎo)電性好、極化電壓低等特點(diǎn)。在測(cè)量脈搏時(shí)，需要將電極形成導(dǎo)聯(lián)，分 別置于測(cè)量者的兩個(gè)手和左腿上。此傳感器雖然簡(jiǎn)單，但應(yīng)用性比較差。 目前一種新型的壓電傳感器因其靈敏度高，頻帶范圍寬而被廣泛應(yīng)用，這種壓電 傳感器采用高分子壓電材料聚偏氟乙烯研制而成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便8。該傳感 器將手指前端在血壓下的張弛信號(hào)進(jìn)行提取，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。 壓電式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便，帶寬大，性價(jià)比高。但是，其使用時(shí)需要直 接接觸人體，易受肌肉抖動(dòng)產(chǎn)生干擾，并且容易受到外界其他信號(hào)的干擾。 2）光電傳感器 因?yàn)檠焊叨炔煌该鞯奶匦?，光照?duì)血液的穿透性比其他的一般組織

22、要小很多。 根據(jù)血液透光性的特點(diǎn)，可以利用光電效應(yīng)來拾取脈搏信號(hào)9。對(duì)于反向偏壓的光敏二 極管，在一定的光強(qiáng)范圍內(nèi)，其反向電流隨著光強(qiáng)的增大而增大，兩者呈線性關(guān)系。 此特性決定了其能夠用于脈搏檢測(cè)，因?yàn)槭种付搜艿耐腹舛葧?huì)隨著心跳和脈搏而改 變，這樣光電三極管就會(huì)接收到不同的光強(qiáng)，由此產(chǎn)生變化的光電流。 脈搏用光電傳感器分為紅外對(duì)管和紅外放射管兩種。 紅外對(duì)管式光電傳感器在使用時(shí)需要夾在手指尖，當(dāng)心臟跳動(dòng)的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致手指 端部的血液濃度發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器接收的信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。但目前市場(chǎng) 上的心率脈搏計(jì)普遍采用的是紅外放射管。這種光電傳感器接收端和發(fā)射端在手指同 側(cè)，通過采集血液漫反射

23、回來的光來精確測(cè)量血管容積變化情況。在應(yīng)用上更加的方 便。 光電傳感器的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，靈敏度相對(duì)較高，響應(yīng)速度快，使用方便等一 系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。但是由于外部的強(qiáng)光源會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生很大的干擾，導(dǎo)致測(cè)量 的結(jié)果有誤差。 3）集成傳感器 為適應(yīng)市場(chǎng)的需要，很多集成心電傳感器已被開發(fā)出來，這種傳感器集成了濾波、 放大等抗干擾電路，具有很好的靈敏性, 能夠直接快速測(cè)量心率變化情況。但價(jià)格相對(duì) 昂貴。 綜合對(duì)比三種傳感器的特點(diǎn)，光電傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉容易買到，應(yīng)用方 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 6 頁 共 47 頁 便，最適用于本脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。 2.2 主控模塊的選型主

24、控模塊的選型 本課題最終的設(shè)計(jì)目標(biāo)是一個(gè)便攜式脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠檢測(cè)脈搏波動(dòng)頻率。將 單片機(jī)作為信息處理中心，能夠簡(jiǎn)單方便得實(shí)現(xiàn)主控功能。單片機(jī)種類多種多樣，需 要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求來進(jìn)行選型。 1）AVR 單片機(jī) AVR 單片機(jī)是 ATMEL 公司在 1997 年研制出來的，這種單片機(jī)采用的是 Flash 技 術(shù)，擁有 RISC 的精簡(jiǎn)指令集。高速 8 位的 AVR 系列單片機(jī)具有豐富的片內(nèi)資源及強(qiáng) 大的接口，還兼具低功耗等特點(diǎn)。其硬件采用哈佛結(jié)構(gòu)，具備 1MIPS/MHz 的高速運(yùn)行 處理能力。另一特點(diǎn)是其快速的存取寄存器組和單周期指令系統(tǒng)，大大優(yōu)化了目標(biāo)代 碼的大小、執(zhí)行效率，價(jià)格相對(duì)

25、51 單片機(jī)要高，指令集和位操作不如 51 單片機(jī)豐富 10。 2）凌陽單片機(jī) 凌陽單片機(jī)是一種基于 SOC 的一種新型的 D/A 混合系統(tǒng)級(jí)芯片。凌陽單片機(jī)采用 nSPTM 內(nèi)核，結(jié)構(gòu)為積木式，完美結(jié)合了通用結(jié)構(gòu)和可選結(jié)構(gòu)，這使得其能夠衍生 出各種系列的派生產(chǎn)品，以適用不同的場(chǎng)合需求。同時(shí)凌陽單片機(jī)增加了 DSP 的某些 特殊指令；有些系列還嵌入了 LCD 控制/驅(qū)動(dòng)和雙音多頻發(fā)生器功能。該單片機(jī)具有高 集成度、D/A 混合、高速度、低功耗、小體積等特點(diǎn)。但功能復(fù)雜，價(jià)格也相對(duì)較貴， 在脈搏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中會(huì)大材小用。 3）STC 系列單片機(jī) STC 公司生產(chǎn)的 STC89C52 單片機(jī)功耗低、性

26、能高，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。STC89C52 是功能與抗干擾性強(qiáng)的增強(qiáng)型 51 單片機(jī)。STC89C52 的指令代碼 完全兼容 51 單片機(jī)，速度快，加密性好，抗干擾性強(qiáng)。STC 單片機(jī)支持在線編程，使 用很方便，燒寫程序的時(shí)候不用再反復(fù)插拔單片機(jī)，延長(zhǎng)了單片機(jī)的使用壽命。 脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中沒有特別復(fù)雜的計(jì)算和控制程序，因此本設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)的 要求并不是很高，只需要實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏信號(hào)的采集和處理、計(jì)算、顯示和報(bào)警功能。對(duì) 比幾種單片機(jī)，STC 單片機(jī)應(yīng)用方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)要求。所以，本設(shè)計(jì)中選擇 STC89C52 單片機(jī)作為主控模塊，它

27、可以完成本設(shè) 計(jì)的設(shè)計(jì)要求。 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 7 頁 共 47 頁 2.3 顯示模塊的選型顯示模塊的選型 脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要對(duì)人體的脈搏進(jìn)行計(jì)數(shù)和報(bào)警功能，因此不僅要對(duì)人體一分鐘 的脈搏次數(shù)進(jìn)行顯示，還需顯示脈搏的上下限。而脈搏波形對(duì)使用者來說沒有太大的 參考價(jià)值，因此，無需進(jìn)行顯示。而常用的顯示元件有點(diǎn)陣式數(shù)碼管、LED 數(shù)碼管和 LCD 液晶顯示屏。 1）點(diǎn)陣式數(shù)碼管 點(diǎn)陣式數(shù)碼管中的 88 點(diǎn)陣由 64 個(gè)發(fā)光二極管組成，每個(gè)發(fā)光二極管位于行線和 列線的交叉點(diǎn)上。點(diǎn)陣式數(shù)碼管的功能主要顯示文字，但是它的價(jià)格相對(duì)比較高，如 果只是用來顯示數(shù)字就會(huì)造成資源的浪費(fèi)11。因

28、此，不適用于此設(shè)計(jì)。 2）LED 數(shù)碼管 LED 數(shù)碼管是由多個(gè)封裝在一起的發(fā)光二極管組成的“8”字型器件。其通過動(dòng)態(tài) 掃描法與單片機(jī)連接，占用的單片機(jī)口線較少。該數(shù)碼管價(jià)格適中，也適合用于數(shù)字 顯示。由于它工作時(shí)動(dòng)態(tài)掃描的移位需要借助 74LS164 移位寄存器進(jìn)行，在電路調(diào)試 的時(shí)候出現(xiàn)了很多問題，對(duì)其應(yīng)用造成了很多的不便。因此 LED 數(shù)碼管不適用于此設(shè) 計(jì)的顯示元件。 3）LCD 液晶顯示屏 LCD1602 顯示器可以顯示字段或者字符。用作顯示字段時(shí)和 LED 的顯示類似，管 腳上有對(duì)應(yīng)信號(hào)就可以進(jìn)行顯示。字符顯示是根據(jù)需要顯示基本字符。系統(tǒng)中采用 LCD1602 作為顯示器件輸出信息

29、。LCD1602 可以顯示 2 行 16 個(gè)漢字，本設(shè)計(jì)第一行 顯示測(cè)得的脈搏次數(shù)，第二行顯示設(shè)定的報(bào)警范圍。 通過對(duì)比，本設(shè)計(jì)選用 LCD1602 液晶顯示屏作為顯示模塊。 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 8 頁 共 47 頁 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由信號(hào)采集電路，濾波、放大和整形電路，主控模塊，按鍵電 路，報(bào)警電路和顯示電路構(gòu)成。光電傳感器作為信號(hào)采集部分的核心采集人體的脈搏 信號(hào)，并且以電壓信號(hào)的方式輸出。然后對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行濾波，放大和整形處理，將 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后將處理后的脈搏信號(hào)變?yōu)轭l率一致的脈沖輸入到以單 片機(jī)為核心的主控模塊中，

30、對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)12。最后將脈搏數(shù)通過顯示電路顯示在液晶 屏上。系統(tǒng)通過按鍵電路設(shè)置脈搏上下限參數(shù)，通過報(bào)警電路對(duì)脈搏進(jìn)行報(bào)警提示。 系統(tǒng)硬件各部分的關(guān)系如圖 3.1 所示。 濾波、放大與 整形電路 按鍵電路 報(bào)警電路 顯示電路主控模塊信號(hào)采集電路 圖 3.1 脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖 3.1 主控模塊主控模塊 在本設(shè)計(jì)中利用 STC89C52 單片機(jī)作為主控芯片，對(duì)一分鐘內(nèi)的脈搏次數(shù)進(jìn)行采 集和分析，并且完成對(duì) LCD1602 液晶屏的驅(qū)動(dòng)和對(duì)按鍵模塊的控制。 脈搏信號(hào)經(jīng)過采集、濾波、放大和整形后，輸入到單片機(jī)內(nèi)。單片機(jī)的觸發(fā)模式 為負(fù)跳變中斷，所以每次脈沖的下降沿到達(dá)時(shí)就會(huì)觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷并

31、對(duì) T0 進(jìn)行計(jì) 時(shí)，計(jì)算每一個(gè)脈沖的響應(yīng)時(shí)間；定時(shí)器 T0 設(shè)置為定時(shí) 50ms 中斷一次，然后執(zhí)行一 次計(jì)數(shù)。當(dāng)采集到 5 次脈沖信號(hào)后，單片機(jī)經(jīng)過計(jì)算處理，把一分鐘的脈搏次數(shù)輸出 到顯示電路，即在 LCD1602 顯示結(jié)果。 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 9 頁 共 47 頁 主控模塊電路如圖 3.2 所示： 圖 3.2 主控模塊電路 3.1.1 STC89C52 單片機(jī)主要性能 1）一個(gè) 8 位 CPU，由運(yùn)算器、控制器組成； 2）程序存儲(chǔ)器：4KB 片內(nèi) ROM；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：128B 片內(nèi) RAM； 3）三個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，可用作定時(shí)或者計(jì)數(shù)；其中定時(shí)器 T0 還

32、可以當(dāng)成 2 個(gè) 8 位定時(shí)器使用； 4）四個(gè) 8 位并行 I/O 接口 P0P3，作為輸入/輸出用；一個(gè)全雙工串行口 UART，用于串行通信； 5）五個(gè)中斷源，兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)； 6）時(shí)鐘脈沖由片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路 OSC 提供。石英晶體和和微調(diào)電容要 外接頻率范圍為 1.2MHz12MHz。 7）一個(gè)看門狗定時(shí)器； 8）芯片內(nèi)置 EEPROM 功能； 9）低功耗模式有空閑模式和掉電模式，且具有掉電模式下的中斷恢復(fù)模式。 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 10 頁 共 47 頁 3.1.2 STC89C52 單片機(jī)基本組成 STC89C52 單片機(jī)的基本組成框圖見圖 3.3 所示。

33、時(shí)鐘電路 ROM/EPROM/Flash 4KB RAM128B SFR 21個(gè) 定時(shí)個(gè)/計(jì)數(shù)器2 CPU 總線控制 中斷系統(tǒng) 5個(gè)中斷源 2個(gè)優(yōu)先級(jí) 串行口 全雙工1個(gè) 4個(gè)并行口 XTAL2XTAL1 RST EA ALE PSEN P0P1P2P3 Vss Vcc 圖 3.3 STC89C52 單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖 3.1.3 STC89C52 單片機(jī)引腳說明 STC89C52 單片機(jī)的引腳圖見圖 3.4 所示。 圖 3.4 STC89C52 單片機(jī)引腳圖 1）電源和時(shí)鐘引腳 VCC（40 腳）：+5V 電源。 VSS（20 腳）：數(shù)字地。 XTAL2(18 腳)：外接晶振端，片內(nèi)反相放大器的輸

34、出端。當(dāng)使用外部時(shí)鐘源時(shí)， 本腳懸空。 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 11 頁 共 47 頁 XTAL1(19 腳)：外接晶振端，片內(nèi)反相放大器的輸入端。外接時(shí)鐘源時(shí)，該腳接 外部時(shí)鐘振蕩器的信號(hào)。 2）控制信號(hào)引腳 RST，ALE，PSEN 和 EA： RST/VPD(9 腳)：復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。晶振工作時(shí)，RST 引腳保持兩 個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位；第二功能 VPD，備用電源的輸入端。 ALE/PROG(30 腳)：地址鎖存允許信號(hào)輸入端。訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，ALE 作為鎖 存低 8 位地址的控制信號(hào)。不訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，ALE 引腳周期性的以 1/6 振蕩器

35、頻 率向外輸出正脈沖信號(hào)。 PSEN(29 腳)：程序存儲(chǔ)允許輸出端，低電平有效。訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，此端口定 時(shí)輸出負(fù)脈沖作為讀選通信號(hào)。 EA/Vpp(31 腳)：外部程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。當(dāng)引腳接 高電平時(shí)，CPU 只訪問片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，但是當(dāng) PC 值超過 0FFFH 時(shí)，將自動(dòng)訪問片 外程序存儲(chǔ)器。當(dāng) EA 低電平時(shí)，CPU 只訪問片外程序存儲(chǔ)器。 3）輸入/輸出端口 P0/P1/P2/P3： P0 口(P0.0P0.7，3932 腳)：漏極開路 8 位雙向 I/0 口，負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力為每位 8 個(gè) LS 型 TTL。 P1 口(P1.0P1.7，18 腳)：P1

36、 是個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，P1 口可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。 P2 口(P2.0P2.7，2128 腳)：P2 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口。 P2 可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。 P3 口(P3.0P3.7，1017 腳)：P3 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口。 P3 口每個(gè)引腳還具有第二功能，如下： P3.0：(RXD)串行數(shù)據(jù)輸入口； P3.1：(TXD)串行數(shù)據(jù)輸出口； P3.2：(INT0#)外部中斷 0 輸入； P3.3：(INT1#)外部中斷 1 輸入； P3.4：(T0)定時(shí) 0 的外部計(jì)

37、數(shù)輸入； P3.5：(T1)定時(shí) 1 的外部計(jì)數(shù)輸入； P3.6：(WR#)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通輸入； 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 12 頁 共 47 頁 P3.7：(RD#)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通輸入。 3.1.4 復(fù)位電路 當(dāng)單片機(jī) RST 引腳上接收到 2us 以上的電平信號(hào)時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位。單片機(jī)復(fù) 位，使 CPU 及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。如果單片機(jī)的復(fù) 位電路設(shè)計(jì)不可靠就會(huì)引起“死機(jī)”、或“程序走飛”等現(xiàn)象13。我們可以通過對(duì)按 鍵的控制來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作。單片機(jī)復(fù)位電路如圖 3.5 所示。 圖 3.5 單片機(jī)復(fù)位電路圖 3.1.5 時(shí)鐘電路

38、時(shí)鐘電路就是一個(gè)振蕩器，產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)所必需的控制信號(hào)，在時(shí)鐘信號(hào)的 控制下，嚴(yán)格按時(shí)序執(zhí)行指令。STC89C52 內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放 大器，放大器的輸入端為 XTAL1，輸出端為 XTAL2，這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩 器和微調(diào)電容，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。常用的時(shí)鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi) 部時(shí)鐘方式，另一種是外部時(shí)鐘方式。 在內(nèi)部時(shí)鐘電路中，C1 和 C2 選擇了 20pF，晶振頻率為 12MHz。外接時(shí)鐘電路， 常用于多片 STC89C52 同時(shí)工作，以便于多片 STC89C52 單片機(jī)之間的同步。外部時(shí) 鐘源直接接到 XTAL1 端，XTAL2 端懸空。在本設(shè)

39、計(jì)中選用了內(nèi)部時(shí)鐘電路，晶振為 12MHz，單片機(jī)工作的機(jī)器周期為 1s。 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 13 頁 共 47 頁 內(nèi)部時(shí)鐘方式電路如圖 3.6 所示，外部時(shí)鐘電路如圖 3.7 所示。 圖 3.6 內(nèi)部時(shí)鐘方式電路 STC89C52 外部振蕩器信號(hào) 懸空 XTAL1 XTAL2 GND 圖 3.7 外部時(shí)鐘方式電路 3.2 信號(hào)采集與處理電路設(shè)計(jì)信號(hào)采集與處理電路設(shè)計(jì) 信號(hào)采集電路的功能是通過光電傳感器采集脈搏信號(hào)。因?yàn)椴杉降碾娦盘?hào)比較 微弱，一般為毫伏級(jí)別14。所以需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，放大到幾伏左右才能被整形電 路處理，經(jīng)過放大后的脈搏信號(hào)波形還是很不規(guī)則，不利于單

40、片機(jī)處理，輸入到電壓 滯回電路對(duì)其進(jìn)行處理，輸出規(guī)則的脈沖波送到單片機(jī)15。信號(hào)采集與處理的電路結(jié) 構(gòu)框圖如圖 3.8 所示。 濾 波 電 路 光 電 傳 感 器 放 大 電 路 整 形 電 路 圖 3.8 信號(hào)采集與處理 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 14 頁 共 47 頁 3.2.1光電傳感器原理 1）光電傳感器結(jié)構(gòu) 采集裝置采用的是 ST188 光電傳感器，它是由高發(fā)射功率紅外二極管和高靈敏度 光電晶體管組成的16。當(dāng)光從紅外二極管發(fā)射出來時(shí)，基本上可以避免由于呼吸運(yùn)動(dòng) 對(duì)脈搏信號(hào)造成的干擾。在光源的照射下紅外接收三極管就會(huì)有電能產(chǎn)生，光電傳感 器的作用就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)

41、17。在本設(shè)計(jì)中，紅外接收三極管和紅外發(fā)射二 極管要放置到指向特性良好的一個(gè)位置，這樣采集到的信號(hào)比較準(zhǔn)確。結(jié)構(gòu)如圖 3.9 所 示。 底示圖 內(nèi)部電路示意圖 圖 3.9 光電傳感器結(jié)構(gòu)圖 2）光電傳感器檢測(cè)原理 檢測(cè)原理是：當(dāng)心臟收縮和舒張時(shí)，人體組織半透明度就會(huì)發(fā)生改變：當(dāng)血液流 過人體組織的時(shí)候，人體組織的半透明度就會(huì)變??；當(dāng)血液流到心臟，人體組織的半 透明度就會(huì)變大，在人體組織中出現(xiàn)這種現(xiàn)象最明顯的部位一般為手指尖和耳垂尖18。 所以本設(shè)計(jì)通過把手指尖放到光源產(chǎn)生的紅外線上，然后光敏三極管接收從手指組織 中反射和衰減后的透射光，最后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。手指中的動(dòng)脈血在血液流過時(shí)會(huì) 有周期

42、性的變化，因此它對(duì)光的衰減和反射也會(huì)有周期性的變化，所以紅外接收三極 管輸出信號(hào)的變化間接表明了動(dòng)脈的波動(dòng)變化。于是我們只要把輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為 脈沖，在對(duì)其進(jìn)行整形后進(jìn)行顯示，這樣就可以監(jiān)測(cè)脈搏頻率的變化。 光電傳感器采集脈搏信號(hào)的電路如圖 3.10 所示，圖中為光源的發(fā)射管和紅外接收 三極管，考慮到紅外接收管對(duì)光的靈敏度，最終 R4 的阻值選為 33019。如果 R4 的 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 15 頁 共 47 頁 阻值偏大，通過紅外發(fā)射二極管中的電流就會(huì)很小，紅外接收三極管就不能準(zhǔn)確的判 斷是否有脈沖。反之，如果 R4 偏小，通過發(fā)射管的電流就會(huì)非常大，紅外接收三極管

43、 也不能準(zhǔn)確的判斷是否有脈沖信號(hào)。 圖 3.10 傳感器采集脈搏信號(hào) 經(jīng)光電傳感器輸出的脈搏波形如圖 3.11 所示： 圖 3.11 光電傳感器輸出的脈搏波形 由圖中可以看出，光電傳感器采集的信號(hào)存在很多毛刺，波形也不規(guī)整。由于外部 環(huán)境的變化，以及系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的不完善等原因會(huì)對(duì)脈搏信號(hào)的檢測(cè)造成很大干擾， 在信號(hào)中添加大量噪聲，同時(shí)也會(huì)引起波形的畸變，這將直接影響后續(xù)的脈搏檢測(cè)精 度。因此，把傳感器采集到的脈搏信號(hào)進(jìn)行濾波處理，減小噪聲干擾，提高信號(hào)的信 噪比。 3.2.2濾波電路 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 16 頁 共 47 頁 當(dāng)測(cè)量者把手指放到光電傳感器上方時(shí)，會(huì)出現(xiàn)無脈

44、期和有脈期。無脈期的時(shí)候 即使發(fā)射出來的紅外光被手指遮擋了，接收裝置中也會(huì)有暗電流的存在，就會(huì)導(dǎo)致輸 出端的電壓偏低。當(dāng)在有脈期的時(shí)候，手指的透光性由于存在脈搏的波動(dòng)就是變?nèi)酰?導(dǎo)致接收裝置中的暗電流偏小，輸出的電壓就會(huì)比正常時(shí)高20。由于人體的脈搏波信 號(hào)的頻率一般在 0.6 到 6Hz 左右，從傳感器輸出來的信號(hào)存在直流分量，本設(shè)計(jì)采用 了截止頻率為 0.67Hz 的一階無源高通濾波器來濾除。一階高通濾波器如圖 3.12 所示： 圖 3.12 一階高通濾波器 一階高通濾波器的特性指標(biāo)如下： 幅頻特性： 2 1 1 wRC jwH 相頻特性： wRCwarctan 截止頻率：，fc 為截止頻

45、率=0.66Hz。 RC2 1 2 wc fc 通過高通濾波器后再把信號(hào)加到二階 RC 低通濾波器，濾除高頻干擾信號(hào)，然后 加到線性放大輸入端。整體濾波電路如圖 3.13 所示： 圖 3.13 濾波電路 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 17 頁 共 47 頁 二階 RC 低通濾波器特性指標(biāo)如下： 幅頻特性： 222 2 222 w91 1 jw CRCRw H 截止角頻率： RC6724 . 2 1 wc 截止頻率為：=6Hz 2 wc fc 3.2.3放大電路 本設(shè)計(jì)在放大電路部分采用了 LM358 芯片，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)碾p運(yùn)算放大器，適合于

46、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)。它的使用范 圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng) 合 LM358 的封裝形式有塑封 8 引線雙列直插式和貼片式。LM358 的引腳如圖 3.14 所 示。 圖 3.14 LM358 的引腳圖 LM358 各個(gè)引腳功能介紹如表 3.1 所示： 表 3.1 LM358 各引腳功能 OUT1運(yùn)放輸出端IN1（）同相輸入端 IN1（）反相輸入端IN1（）反相輸入端 IN1（）同相輸入端OUT2運(yùn)放輸出端 GND地（單電源） 、負(fù)電源（雙電源）VCC正電源 LM358

47、 的第一個(gè)運(yùn)算放大器在本設(shè)計(jì)中組成了放大電路，放大倍數(shù)由 R12 和 R13 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 18 頁 共 47 頁 的比值決定。放大電路如圖 3.15 所示。 圖 3.15 放大電路 電路的放大倍數(shù)：304 13 1312 Ui Uo =Av R RR 經(jīng)濾波放大后輸出的信號(hào)如圖 3.16。 圖 3.16 濾波放大后輸出的信號(hào) 圖中為脈搏信號(hào)經(jīng)過濾波和放大后的波形，但是從圖中可以看到，經(jīng)過處理得到的 波形依舊不規(guī)則，每個(gè)周期中有一段幅值跌落，作為脈沖信號(hào)進(jìn)行后續(xù)脈搏數(shù)計(jì)算時(shí) 容易造成計(jì)數(shù)錯(cuò)誤，影響計(jì)數(shù)精度。因此，需要對(duì)放大后的波形進(jìn)行整形處理。 3.2.4整形電路 本

48、本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 19 頁 共 47 頁 經(jīng)過放大濾波后的脈搏信號(hào)還不是理想的信號(hào)，并且還存在低頻部分的干擾，不 能很好的被單片機(jī)識(shí)別，所以還要采用整形電路，在本設(shè)計(jì)中 LM358 的第二個(gè)運(yùn)算放 大器和 R6、R10 一起組成了電壓比較器，最終輸出的就是兩種狀態(tài)，即高低電平從而 被單片機(jī)采集。當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，LM358 在比較器輸入信號(hào)的每個(gè)下降沿到來時(shí)輸出 低電平，用發(fā)光二極管作為脈搏信號(hào)測(cè)量狀態(tài)的顯示，脈搏每跳動(dòng)一次發(fā)光二極管就 會(huì)亮一次。同時(shí)，該脈沖電平就會(huì)送到單片機(jī)/INTO 腳，對(duì)脈搏頻率進(jìn)行計(jì)算和顯示。 R6 和 R10 通過分壓提供參考電壓，R9 用來調(diào)節(jié)靈

49、敏度。為了在測(cè)量時(shí)判斷脈搏狀態(tài)， 在 LM358 上接了一個(gè) LED 燈。對(duì)脈搏波形的整形電路部分如圖 3.17 所示。 圖 3.17 波形整形電路 經(jīng)過整形后的脈沖波形如圖 3.18 所示： 圖 3.18 整形后的脈沖波形 從圖中可以看出，經(jīng)過整形后的脈沖波形良好，改善了之前幅值跌落的問題。經(jīng) 過濾波放大和整形之后，脈搏信號(hào)能夠用于下一步的處理計(jì)算。 3.4按鍵電路的設(shè)計(jì)按鍵電路的設(shè)計(jì) 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 20 頁 共 47 頁 本設(shè)計(jì)所使用的按鍵為獨(dú)立按鍵，按鍵的一端接單片機(jī)的 I/O 口，另一端接地。 單片機(jī)的每個(gè) I/O 口都有內(nèi)部上拉電阻，所以當(dāng)沒有按鍵按下的時(shí)候

50、，單片機(jī) I/O 檢測(cè) 到的是高地平。當(dāng)檢測(cè)到有按鍵按下的時(shí)候，單片機(jī) I/O 直接和地相連，單片機(jī)檢測(cè) 的到的是低電平，所以可以通過檢測(cè)單片機(jī) I/O 口的高低電平就可以判斷哪一個(gè)按鍵 按下。 按鍵電路如圖 3.19 所示： 圖 3.19 按鍵電路 3.5蜂鳴器電路的設(shè)計(jì)蜂鳴器電路的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在測(cè)量得到的脈搏次數(shù)不在設(shè)定的范圍內(nèi)，單片機(jī)就會(huì)驅(qū) 動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。因?yàn)榉澍Q器的工作電流比較大，所以單片機(jī)的 I/O 口不能直接驅(qū)動(dòng)蜂 鳴器發(fā)聲，本設(shè)計(jì)利用 PNP 型三極管對(duì)蜂鳴器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，當(dāng)三極管的基極為低電平時(shí)， 三極管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警；當(dāng)三極管的基極為高電平時(shí)，三極管關(guān)閉，蜂鳴

51、器不 發(fā)聲。 蜂鳴器電路如圖 3.20 所示： 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 21 頁 共 47 頁 圖 3.20 蜂鳴器電路 3.6顯示電路設(shè)計(jì)顯示電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)需要對(duì)測(cè)得的脈搏次數(shù)和設(shè)定的脈搏范圍進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，于是采用 LCD1602 作為顯示屏，可以清晰的顯示測(cè)得的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求。 3.6.1液晶模塊簡(jiǎn)介 LCD1602 的含義是它顯示容量 162 個(gè)字符，它可以顯示字符或者數(shù)字，不能顯 示漢字。LCD1602 液晶模塊采用的控制器為 HD44780，控制原理和市面上大多數(shù)字符 液晶是一樣的。LCD1602 的引腳圖如圖 3.21 所示： 圖 3.21 LCD1602

52、引腳圖 LCD1602 液晶也被稱為 LCD1602 字符型液晶，因?yàn)樗淖饔镁褪菍ｉT用來顯示字 母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型的液晶模塊。它的組成是由若干個(gè) 57 或 511 等點(diǎn)陣字 符，每一個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每個(gè)字符位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每 行之間也有間隔，因此起到了字符間距和行間距的作用，但是正因?yàn)槿绱怂荒芎芎?地顯示圖形。 液晶寄存器選擇控制如表 3.2 所示： 表 3.2 寄存器選擇控制 RSR/W操作說明 00寫入指令寄存器（清除屏等） 01 讀 busy flag（DB7），以及讀取位址計(jì)數(shù)器（DB0DB6） 值 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 22 頁 共

53、 47 頁 10寫入數(shù)據(jù)寄存器（顯示各字型等） 11從數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù) LCD1602 采用標(biāo)準(zhǔn)的 16 腳接口，如表 3.3 所示： 表 3.3 LCD1602 的管腳功能 編號(hào)符號(hào)引腳說明編號(hào)符號(hào)引腳說明 1VSS電源地9D2數(shù)據(jù) 2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù) 3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù) 4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù) 5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù) 6E使能信號(hào)14D7數(shù)據(jù) 7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極 8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極 3.6.2液晶顯示部分與 STC89C52 的接口 如圖 3.15 所示。用 STC89C52 的 P0 口作為數(shù)據(jù)線，用 P1.2、P1.1、

54、P1.0 分別作為 LCD1602 的 EN、R/W、RS。其中 EN 的觸發(fā)方式為負(fù)跳變，R/W 是讀寫選擇端，RS 是數(shù)據(jù)命令選擇端。 LCD1602 與 STC89C52 的引腳連接圖如圖 3.22 所示： 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 23 頁 共 47 頁 圖 3.22 LCD1602 與 STC89C52 的引腳連接圖 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 第 24 頁 共 47 頁 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的STC89C52單片機(jī)作為主要芯片，脈搏監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)需要對(duì)其設(shè)計(jì)相應(yīng)的 軟件部分來實(shí)現(xiàn)脈搏監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)的軟件部分主要包括：對(duì)單片機(jī)的控制程序、按鍵程 序、顯

55、示程序和中斷程序21。該系統(tǒng)軟件要可以實(shí)現(xiàn)各模塊之間的聯(lián)系和控制，對(duì)脈 搏信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和結(jié)果計(jì)算，并在液晶屏上顯示被測(cè)者一分鐘的脈搏數(shù)的功能。 4.1 系統(tǒng)主程序流程系統(tǒng)主程序流程 單片機(jī)的運(yùn)行方式由系統(tǒng)主程序進(jìn)行控制。當(dāng)系統(tǒng)開始工作后，要先進(jìn)行初始化 操作，首先對(duì)1602進(jìn)行初始化，然后定時(shí)器T0初始化，對(duì)外部中斷T0初始化。初始化 程序的目的主要是為了對(duì)定時(shí)器的工作方式、單片機(jī)內(nèi)專用寄存器、以及各端口的工 作狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。初始化完成后，需要對(duì)相應(yīng)的硬件電路進(jìn)行操作，將硬件電路 與定時(shí)器T0中斷、外部中斷，還有顯示部分的程序相對(duì)應(yīng)。 系統(tǒng)主程序流程如圖4.1所示。 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)