.z成績五邑大學電子系統(tǒng)課程設計題目：脈搏心率測試儀測試與制作院系信息工程學院專業(yè)電子信息工程**學生指導教師鵬講師報告日期2021年1月脈搏心率測試儀測試與制作引言脈搏波所呈現(xiàn)出來的形態(tài)、強度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息，能反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理疾病的血流特征。本系統(tǒng)是采用STC89C52單片機為核心而制作的一種實用型脈搏測量儀。采用紅外發(fā)射管和接收管對人體的脈搏心率進展數(shù)據(jù)采集，得到的信號濾波放大整形后送入STC89C52單片機進展采集和處理。單片機將采集到的脈搏心率在液晶LCD1602上實時顯示出來。本文將首先描述本設計的整體思路，然后介紹各個局部設計中的細節(jié)，最后列出完善的計算和處理方式與結(jié)果。設計解析與設計方案介紹平均心率值是指一分鐘心臟實際跳動的次數(shù)，本心率測量儀是測試平均心率值，測量方法主要有兩種:一種是心電測量.即根據(jù)心電圖上相鄰二次波形之間的間隔時間來計算心率值;另一種是脈搏測量。通常心臟的跳動與脈搏的跳動是同步的,因此只需測出脈搏跳動次數(shù)就可以知道心率值測量脈搏是通過記錄處理脈搏傳感器發(fā)出的指脈電信號來實現(xiàn)的。本方案選擇的比擬簡單直接的脈搏測量方式。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變式脈搏傳感器。近年來,光電檢測技術在臨床醫(yī)學應用中開展很快,這主要是由于光能避開強烈的電磁干擾,具有很高的絕緣性,且可非侵入地檢測病人各種病癥信息。本系統(tǒng)設計了指套式的透射型光電傳感器,實現(xiàn)了光電隔離,減少了對后級模擬電路的干擾。采用指套式的透射型光電傳感器模塊對人體實行心率數(shù)據(jù)采集，采集所得信號通過放大電路模塊實行電信號放大，然后信號通過濾波電路模塊進展濾波〔特別濾除50Hz市電干擾〕，再通過整形穩(wěn)壓電路進展整形后，得到幅值在0~5v的正弦信號，再最后將信號通過斯密特比擬器NE555形成矩形波并送入單片機控制顯示電路模塊實現(xiàn)平均心率結(jié)果顯示。其具體總體構(gòu)造框架如圖1.1：圖1.1脈搏測量儀系統(tǒng)框圖傳感器傳感器兩級放大時間與心率顯示波形處理模塊信號提取模塊濾波波形整形電壓跟隨接收顯示模塊單片機圖1.2脈搏信號提取及處理電路構(gòu)造圖脈搏信號提取局部光敏二極管的特性是將光信號強弱變化轉(zhuǎn)換為電流變化，通過電路轉(zhuǎn)換再轉(zhuǎn)變成變化的電壓信號。此次設計采用的是BPW83型紅外接收二極管和IR333型紅外發(fā)射二極管，二極管工作波長都是940nm。在指夾中，紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管相對擺放以獲得最正確的指向特性。紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強度就越大。當紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光直接照射到紅外接收二極管上時，IC1B的反相輸入端電位大于同相輸入端電位，Vi為“O〞。當手指處于測量位置時，會出現(xiàn)二種情況：一是無脈期。雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是，由于紅外接收二極管中存在暗電流，仍有l(wèi)μA的暗電流會造成Vi電位略低于2.5V。二是有脈期。當有跳動的脈搏時，血脈使手指透光性變差，紅外接收二極管中的暗電流減小，Vi電位上升。由此看來，所謂脈搏信號的拾取實際上是通過紅外接收二極管，在有脈和無脈時暗電流的微弱變化，最終輸出20mv左右電壓信號。二極管夾指方式如圖2.1所示。因此，在接收電路中應采用電流電壓轉(zhuǎn)換電路，將變化的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。轉(zhuǎn)換電路如圖2.2所示。圖2.1指甲式脈搏傳感器圖2.2紅外傳感連接電路脈搏信號處理局部LM324運放1用于電壓跟隨器，如圖3.1所示；其主要作用有：增大輸入阻抗。電壓跟隨器具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點，這也使得傳感器局部輸入的微弱電壓信號得以有效輸入，為下面的濾波放大提供保障起到做緩沖級，隔離電路干擾作用。電壓跟隨器作緩沖級，能有效防止后級對于前級的干擾，從而隔離了后級的可能存在的干擾。因為脈搏信號本身穩(wěn)定性很差，極易受到外界或是來自電路本身的干擾，電壓跟隨器的存在能有效防止來自電路的干擾LM324運放2用于二階低通濾波放大電路，如圖3.2所示。通帶電壓增益為：總增益為：截止頻率為：由濾波電路可知，濾波局部為二階低通濾波電路；由所求截止頻率可知，該局部電路在輸入信號頻率為4.8HZ及以下時，信號正常放大Au倍后輸出；在輸入信號頻率大于4.8HZ時，信號將快速衰減，最終無法導通。因而，濾波局部電路最多能檢測脈搏信號近300次每分鐘，使得使用者有較大的測量空間，且能有效地攔截市電的50HZ干擾信號。 圖3.1電壓跟隨器電路圖3.2二階低通濾波電路LM324運放3、4用于同相放大電路，如圖3.3所示；NE555芯片用于電壓比擬和信號波形整形，如圖3.4所示。信號提取模塊電路總的原理圖見附錄圖一。放大倍數(shù)為：雙同相放大器的放大倍數(shù)為：23*23=529電路總的放大倍數(shù)為：2*529=1058因而，在輸入信號低至5mV時，放大后輸出波形峰峰值近5mV*1058=5290mV≈5V。而NE555整形芯片在+5V電源供給下，其比擬閥值為向上2/3Vcc向下1/3Vcc，所以輸入信號完全符合整形要求，且其輸出高電平為4.7V左右，完全能被STC89C52采集識別。因而，總體設計符合要求圖3.3同相比例放大電路圖3.4NE555整形電路4．單片機顯示控制局部此次設計中的控制顯示局部主要由STC89C52單片機和LCD1602液晶顯示器共同構(gòu)成?！?〕STC89C52單片機介紹STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，置4KBEEPROM，MA*810復位電路，三個16位

定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷構(gòu)造，全雙工串行口。單片機運作的根本電路需復位電路和振蕩電路〔所用晶振為12MHz〕?！?〕LCD1602液晶模塊介紹LCD1602液晶為5V電壓驅(qū)動，帶背光，可顯示兩行，每行16個字符，不能顯示漢字，置含128個字符ASCII字符集字庫。將1602的8位數(shù)據(jù)口與單片機的P0口相連接。當R/W腳〔1602第5腳〕為低電平時為寫操作狀態(tài)，這里可以一直讓其為低電平。而當RS〔第4腳〕為低電平時為寫指令，當RS〔第4腳〕為高電平時為寫數(shù)據(jù)。1602的程序是根據(jù)PDF資料的寫操作時序圖進展編寫的，通過對1602寫入指令和寫入數(shù)據(jù)來進展顯示。引腳3所接的可變電阻是作為1602的背光調(diào)節(jié)。其液晶顯示電路的具體電路，如圖4.1所示。圖4.1LCD1602顯示控制電路5.單片機軟件設計局部該脈搏測量儀的單片機程序，主要是LCD1602液晶的操作和顯示程序，采用C語言進展編程。主要用到的單片機定時器。當矩形波信號由P3.2口輸入時，由單片機記錄每一個低電平并通過定時顯示程序輸出顯示。除此外，需要借助定時器進展計時，這里以60秒為周期計算承受整形后波形的低電平個數(shù)，即得出我們需要脈搏數(shù)。以下便是ATC89C52單片機信號采集和LCD1602顯示控制的具體程序：/*頭文件局部*///頭文件maibo.h*ifndef_MAIBO_H_*define_MAIBO_H_*include<reg52.h>*defineucharunsignedchar*defineuintunsignedintsbitkey1=P1^0;sbitkey2=P1^1;sbitLCD_RS=P2^5;sbitLCD_RW=P2^6;sbitLCD_EN=P2^7;sbitmaibo=P3^2;*defineLCD_dataP0*endif/*主程序局部*///主程序maibo.c*include<maibo.h>*include<intrins.h>ucharcodedis1[]={"WeleTo!!!"};ucharcodedis2[]={"PulseCounter"};ucharcodedis3[]={"StartTesting?"};ucharcodedis4[]={"(1)Yes(2)No"};ucharcodedis5[]={"TestResults:"};ucharcodedis6[]={"PleaseWait!!"};uchartest_res[]={"00000"};inttest_data;uinttimer;//延時函數(shù)voiddelay(float*ms){ uchari; while(*ms--) { for(i=0;i<110;i++) { _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); } }}//忙檢測函數(shù)bitLCD_busy(){ bitresult; LCD_RS=0; LCD_RW=1; LCD_EN=1; _nop_(); _nop_(); result=(bit)(LCD_data&0*80); LCD_EN=0; returnresult;}//寫指令函數(shù)voidLCD_wcmd(ucharcmd){ while(LCD_busy()); LCD_RS=0; LCD_RW=0; LCD_EN=0; _nop_(); _nop_(); LCD_data=cmd; _nop_(); _nop_(); LCD_EN=1; _nop_(); _nop_(); LCD_EN=0; delay(100);}//寫數(shù)據(jù)函數(shù)voidLCD_wdat(uchardat){ while(LCD_busy()); LCD_RS=1; LCD_RW=0; LCD_EN=0; _nop_(); _nop_(); LCD_data=dat; _nop_(); _nop_(); LCD_EN=1; _nop_(); _nop_(); LCD_EN=0;}//液晶初始化函數(shù)voidLCD_init(){ LCD_wcmd(0*38);//16*2顯示，5*7點陣，8位數(shù)據(jù) LCD_wcmd(0*0c);//顯示開，關光標 LCD_wcmd(0*06);//移動光標 LCD_wcmd(0*01);//去除LCD的顯示容}//液晶行定位函數(shù)voidLCD_pos(uintrow,uintcol){ ucharpos; pos=0*80|(uchar)(0*40*(row-1)+(col-1)); LCD_wcmd(pos); }//數(shù)組顯示函數(shù)voidLCD_dis(uchardis[]){ uchari,arra; for(i=0;i<16;i+=1) { arra=dis[i]; if(arra=='\0')//字符串結(jié)尾標志 { break; } else { LCD_wdat(arra); } }}//人機界面初始化voiddis_init(){ maibo=1; EA=1;//單片機開中斷設置 TMOD=0*01; TH0=(65535-50000)/256; TL0=(65535-50000)%256; ET0=1; TR0=0;PT0=1;//定時器0設置/* IT0=1; E*0=0;P*0=0;//外部中斷0設置*/ LCD_init(); timer=0; test_data=0; LCD_pos(1,2); LCD_dis(dis1); delay(3000); LCD_wcmd(0*01); LCD_pos(1,2); LCD_dis(dis2); }voiddis_data(){ test_res[0]='0'+(uint)(timer/10); test_res[1]='0'+(uint)(timer%10); test_res[5]='0'+(uint)(test_data/100); test_res[6]='0'+(uint)((test_data%100)/10); test_res[7]='0'+(uint)(test_data%10); LCD_pos(2,5); LCD_dis(test_res);}uintkey_coding(){ uintcod; cod=0; if(key1==0) { delay(8); while(~key1); cod=1; } if(key2==0) { delay(8); while(~key2); cod=2; } returncod; }voidmain() //主函數(shù){ uintcounter=0; dis_init(); while(1) { if(key_coding()==1) { LCD_wcmd(0*01); LCD_pos(1,2); LCD_dis(dis3); LCD_pos(2,1); LCD_dis(dis4); timer=0; test_data=0; TR0=0; while(1) { if(key_coding()==1) { LCD_wcmd(0*01); LCD_pos(1,2); LCD_dis(dis6); dis_data(); break; } if(key_coding()==2) { LCD_wcmd(0*01); LCD_pos(1,2); LCD_dis(dis2); break; } } } if(TF0==1) { TF0=0; counter+=1; if(counter==16) { counter=0; timer+=1; dis_data(); } if(timer==60) { E*0=0; TR0=0; LCD_wcmd(0*01); LCD_pos(1,1); LCD_dis(dis5); dis_data(); delay(3000); } } if(maibo==0) { delay(6); while(~maibo); if(TR0==0) { TR0=1; } test_data+=1; } }}6.實踐過程中問題及處理方案信號采集電路局部，紅外對的靈敏性不夠。解決方法：直接使用信號發(fā)生器來模擬紅外對管生成44mV輸入電壓。信號放大電路局部，實際放大增益與理論計算值有較大的差異。解決方法：通過更換電阻改變增益系數(shù)，以