1、簡易脈搏測試儀（高職高專組）摘要：本系統(tǒng)以STC89C52單片機作為控制器，通過鍵盤設置脈搏的上下界限。并 可再次通過鍵盤查詢保存的測試過的記錄。本設計通過LCD12864液晶顯示每 秒鐘脈搏信號所形成的波形圖。將測得的實際脈搏數(shù)通過透射式紅外線發(fā)射管和 控制AD芯片轉換為相應的數(shù)據反饋給主控芯片，使脈搏次數(shù)在液晶屏上的顯 示。通過STC89C52單片機自身實現(xiàn)了脈搏的測量，當測量結束蜂鳴器鳴叫提醒; 也實現(xiàn)了當脈搏次數(shù)超過了上限值或低于下限值時蜂鳴器報警。關鍵詞：STC89C52單片機；LCD12864液晶顯示；A/D轉換Abstract： This system by STC89C52 m

2、icro control as the controller, through the keyboard set upper and lower bounds of the pulse. And may be retained by keyboard query again tested the record. This design through LCD12864 LCD pulse signal waveform figure formed by every second. The actual pulse number of measured by transmission type

3、infrared transmitting tube and control AD chip is converted to the corresponding data back to the main control chip, the pulse number displayed on the LCD panel. Through STC89C52 micro controller itself to realize the measurement of the pulse, when measured over a buzzer sing remind; Also realize wh

4、en the pulse of The Times more than the upper limit or below the lower limit value when the buzzer alarm.Key Words： STC89C52 micro control; LCD12864 LCD display; A/D conversion目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 1系統(tǒng)方案4 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.1控制模塊的論證與選擇4 HY

5、PERLINK l bookmark13 o Current Document 1.2信號調理部分的論證與選擇4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.3光電脈搏信號拾取部分的論證與選擇5 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 1.4濾波模塊的選擇5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 1.5顯示模塊的選擇5 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 1.6系統(tǒng)模塊方框圖6 HYPERLINK l bookma

6、rk28 o Current Document 2系統(tǒng)理論分析與計算6 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 2.1設計時應該考慮的問題以及解決的措施6 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 2.2光電發(fā)射接收參數(shù)分析與計算7 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 2.3脈搏信號參數(shù)分析、信息采樣與處理參數(shù)分析計算73電路與程序設計83.1電路的設計83.1.1光電轉換電路、調理電路的設計8 HYPERLINK l bookmark45 o Current

7、Document 3.1.2報警電路83.2.1程序功能描述9 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 3.2.2程序流程圖94測試方案與測試結果10 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 4.1測試方案、條件及儀器10 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 4.1.1測試方案104.1.2測試條件及儀器104.2測試結果10 HYPERLINK l bookmark61 o Current Document 5結論11 HYPERLINK l bookmar

8、k68 o Current Document 6參考文獻11 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 附錄一:元件清單12附錄二：原理圖131系統(tǒng)方案1.1控制模塊的論證與選擇方案一：采用STC89C52作為控制核心。51單片機價格低廉，C語言程序 編寫容易，控制方便，結構簡單，價格便宜，易于開發(fā)。有總線擴展，有較強的 位處理功能，有全雙工異步串行通信口。方案二：采用FPGA （現(xiàn)場可編程門陣列）作為系統(tǒng)的控制器。FPGA可以 實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高。由于其集成度高，使其成本偏高， 同時其芯片引腳較多，實物硬件電路板布線復雜，加重了電

9、路設計和實際焊接的 工作。方案三：采用ARM7芯片LPC2148，具有512K flash程序存儲空間、主頻 達48M、三個定時器、四個外部中斷、內部RTC、采用三級流水線模式運行程序， 擁有I2C、SPI、UART等通信接口。同時其芯片引腳也較多，不便控制。且價格 較貴。方案選擇：本系統(tǒng)可以采取89C52、FPGA、ARM三種控制器。雖ARM比89C51 單片機具有更強大的控制功能、更快的運行速度，可更快捷地進行高精度的測量， 但本設計運行速度要求不高，89C52就能滿足所需要的功能。因此綜合考慮選擇 89C52作為控制部件。1.2信號調理部分的論證與選擇方案一：采用反射式紅外光傳感器ST1

10、88采集脈搏信號，它具有高發(fā)射頻 率，高靈敏度光電晶體管，檢測距離大等特點。但由于是反射式受環(huán)境影響大。方案二：采用透射式紅外線發(fā)射管和紅外線接收管采集脈搏信號，它們具 有靈敏度高，響應快，結構簡單，性能穩(wěn)定、可靠，能避開強烈的電磁干擾， 有很高的絕緣性，可重復好等優(yōu)點。而且受環(huán)境的影響較小，又滿足項目的要求。綜上所述，ST188在信號采集時，所受的環(huán)境影響大，導致測量的誤差較 大。而用透射式紅外線發(fā)射管和紅外線接收管測量產生的誤差小且能夠滿足項目 的要求。故選擇方案二。1.3光電脈搏信號拾取部分的論證與選擇方案一：采用電源、電阻、發(fā)射管串聯(lián)的電路。這種電路結構簡單，通 過發(fā)射管的電流主要由限

11、流電阻決定。但是電源的波動以及溫度引起的發(fā)射管壓 降變化會改變通過發(fā)射管的電流，從而導致紅外光源的光強波動，進而引起接收 的信號波動，影響測量結果。方案二：利用三極管、穩(wěn)壓源組成紅外發(fā)射管恒流驅動電路。此種方案 穩(wěn)定了發(fā)射管中的電流，從而減弱了光源波動，提高了接收信號的穩(wěn)定性。因此 采用這種方案。1.4濾波模塊的選擇方案一：傳統(tǒng)分立元件RC組成無源濾波器。通過模擬開關選擇不同的RC 來控制不同的截止頻率、品質因數(shù)等特性參數(shù)，但是它存在帶內不平坦、頻帶范 圍窄且恒定、結構復雜等缺點。方案二：運算放大器構成有源濾波器。通過集成運算放大器與不同的R、 C組成濾波器，能夠過選擇不同的RC網絡來實現(xiàn)截止

12、頻率和品質因數(shù)可變的高 通、低通濾波器的設計。通過比較，方案二比方案一更能滿足題目的要求，故選擇方案二。1.5顯示模塊的選擇方案一：采用LCD1602作為系統(tǒng)顯示器件，5V供電，操作簡單，但顯示 的內容較少，無法顯示曲線，不能達到題目要求。方案二：采用諾基亞5110液晶屏，支持多種串行通信協(xié)議，傳輸速率高， 低電壓、低功耗，體積小，采用串行接口與主處理器進行通信，也可以顯示漢字。方案三：采用LCD12864液晶顯示，可視面積大，畫面效果好，抗干擾能 力強，低電壓，低功耗，硬件電路結構或顯示程序都簡潔得多，調用方便簡單， 而且可以節(jié)省軟件終端資源。1.6系統(tǒng)模塊方框圖根據題目要求以及本組對各個模

13、塊的選擇方案的實際情況，綜合考慮，選定 的系統(tǒng)如圖1-1所示：圖1-1系統(tǒng)模塊方框圖2系統(tǒng)理論分析與計算2.1設計時應該考慮的問題以及解決的措施在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號不僅包含脈搏信息的透射 光的信號，而且包含測量環(huán)境下的背景光信號，由于動脈波動引起的光強變化比 背景光的變化微弱得多，因此在測量過程當中要保持測量背景光的恒定，減少背 景光的干擾。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。為了減少環(huán)境光對脈搏信號測量的影響，同時考慮到傳感器使用的方便性， 采用密封的指套式包裝方式，整個外殼采用不透光的介質和顏色，盡量減小外界 環(huán)境光的影響，為了避免測量過程

14、中的二次反射光的影響，在指套式傳感器的內 層表面涂上一層吸光材料，這樣能有效減少二次反射光的干擾。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。這是因為加指套式的脈搏傳感器中 環(huán)境光在測量過程中基本不受外界環(huán)境光的影響，而且能夠有效減少二次反射 光，使照射到手指上的光波長單一，所以得到的脈搏信號較為穩(wěn)定，沒有明顯的 重疊雜波信號，能夠很好的體現(xiàn)出脈搏波形的特征。通過光電轉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

15、的方式來消除電磁干擾。本系統(tǒng)采用了新型的光敏器件，在芯片 內部集成光敏器和一級放大電路，有效地抑制了外界電磁信號對原始脈搏信號的 干擾。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。通常脈搏信號的頻率范圍0.330Hz之間，小于工頻50Hz，因此通過低通 濾波器可以有效濾除工頻干擾，這在信號調理電路中容易實現(xiàn)；同時可以在控制 電路中對光源進行脈沖調制，這樣不但能夠降低系統(tǒng)的功耗，而且能夠在一定程 度上減小外界的電磁干擾，在脈搏信號數(shù)據采集后，可以通過數(shù)據處理法方法進 一步濾除工頻信號的干擾。2.2光

16、電發(fā)射接收參數(shù)分析與計算當手指放在紅外線發(fā)射二極管和紅外線接收三級管中間，隨著心臟的跳動， 血管中血液的血流量將發(fā)生變化。由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液的 飽和度和程度的變化將引起光的強度發(fā)生變化，因此和心跳的節(jié)拍相對應，紅外 接收三極管的的電流也跟著變化，這就導致紅外接收三極管輸出脈沖信號。2.3脈搏信號參數(shù)分析、信息采樣與處理參數(shù)分析計算將脈搏信號采集進來后，因為信號中伴有各種噪聲干擾，所以首先進行 高通濾波，去除低頻干擾；再進行初級信號放大，同時進行低通濾波，去除高頻 信號，取中間合適的信號；然后再用RC振蕩電路將信號整形，整形后再次用同 相比例放大電路進行信號放大并且低通濾波，

17、其兩次信號放大10201倍。公式為：a = （1 + R）x（1 + R-）473電路與程序設計3.1電路的設計3.1.1光電轉換電路、調理電路的設計本系統(tǒng)采用透射式紅外線發(fā)射管和紅外線接收管，來實現(xiàn)對脈搏信號的采 集，直接輸出數(shù)字量，可以直接和單片機進行通訊，大大簡化了電路的復雜度。 脈搏信號采集電路如圖3-1所示：圖3-1光電轉換電路、調理電路3.1.2報警電路當脈搏次數(shù)超過設置的脈搏次數(shù)最大上限值或低于最小下限值時，蜂鳴器發(fā) 出警報，當一次脈搏測量結束時，蜂鳴器鳴叫提醒，報警電路如圖3-2所示：VCC圖3-2報警電路3.2程序設計3.2.1程序功能描述光電轉換與濾波放大處理電路將人體的脈

18、沖信號轉化為電信號，經過 TLC1549AD轉換將模擬信號轉化為數(shù)字信號，送給STC89C51單片機進行脈沖計 數(shù)，并用LCD12864實時顯示所采集到的信號波形和脈沖頻率。3.2.2程序流程圖本系統(tǒng)程序設計都是采用Keil開發(fā)軟件，C語言程序。C語言較方便，通俗 易懂。而且本系統(tǒng)采用的是模塊化編程思路，使得程序更具有移植性和可讀性。主程序軟件流程如圖3-3所示:圖3-3主程序軟件流程圖4測試方案與測試結果4.1測試方案、條件及儀器4.1.1測試方案系統(tǒng)調試分硬件調試、軟件調試和綜合調試三部分。先對硬件電路進行，檢 測電路焊接無誤并上電調試通過，再對電路進行軟件調試，完成以上兩項之后進 行軟硬

19、件聯(lián)調并測試電路性能，記錄測試數(shù)據。測試脈搏數(shù)據時：一邊用便攜式脈搏測試儀測量一分鐘的脈搏數(shù)，一邊用于 按住動脈用秒表計時測量脈搏數(shù)。重復測試脈搏數(shù)據，更換被測試對象，多記錄幾組數(shù)據。4.1.2測試條件及儀器檢查多次，硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路 保證無虛焊，上電調試并通過驗證。秒表、數(shù)字萬用表、DS1152E-EDU數(shù)字示波器、RXN-303D-II穩(wěn)壓電源等。4.2測試結果測試結果如表4-1所示：表4-1脈搏誤差測試數(shù)據記錄表測量次數(shù)測量時間脈搏次數(shù)（脈搏測量儀）脈搏次數(shù)（手 按動脈測量）誤差隊員1第1次1min79845.9%第2次1min88880第3次30s38392.5%第4次30s43422.3%隊員2第1次1min92902.2%第2次1min90911.1%第3次30s39382.6%第4次30s42405.05%5結論通過本系統(tǒng)的簡易脈搏測試儀有以下特點：（1）采用單片機控制，可以實現(xiàn)智能控制，即不改變硬件的情況下，可以通 過在程序里調用不同的控制策略來模擬電源測試時的各種工作需要。（2）本設計實現(xiàn)了測量人體脈搏頻率的功能，能準確的測試出人體的脈搏頻率，理想達 到設計指標的要求。除此之