ATC单片机脉搏波提取电路的设计 源程序.doc

1、-范文最新推荐- AT89C51单片机脉搏波提取电路的设计+源程序 摘要脉搏测量仪在我们的日常生活中已经得到了非常广泛的应用。本课题设计了一种基于51单片机的脉搏测量仪。系统以AT89C51单片机为核心，以红外发光二极管和光敏三极管为传感器，并利用单片机系统内部定时器来计算时间，由光敏三极管感应产生脉冲，通过调理电路对信号进行整形、滤波、放大，然后将信号输入单片机。单片机通过对脉冲累加得到脉搏跳动次数，计数时间由定时器定时而得。系统运行中能显示一分钟内脉搏跳动的次数，当计数时间超过一分钟后，还能够显示出最近一分钟脉搏跳动的总次数，这样设计，能够精确定位心率在何时发生显著变化，除此之外，单片机还

2、能够通过串口将数据发送到上位机，进行后续处理。经测试，系统工作正常，达到设计要求。5657关键词脉搏测量仪AT89C51单片机光电传感器毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleThe design of pulse wave extractor based on 51 MCUAbstractPulse measuring instrument has been widely used in our daily life. This subject designs a system based on single-chip microcomputer andinfrared light emit

3、ting diode and photo transistor as sensors, and calculates time with the using of the inner timer. The sensor produces pulse and the conditioning circuit reforms and amplifies the signal, and then, the single-chip microcomputer gets the times of the beat by accumulating the pulses, and the timer obt

4、ains the time. The system could display the times of beats and after one minute it can show the sum of the beats in the latest minute. The reason of this kind of design is to locate the change of the heartbeats accurately. Despite all these functions before, it can also send the data through serial

5、ports, so that it can be handled in detail. After testing, we can see that the system works well and meets the design requirements.Keywordspulse measuring instrumentAT89C52photoelectric sensor 5.1Keil简介245.2Protues简介245.3仿真结果与误差分析26结论30致谢31参 考 文 献32附录331引言人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，是血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿

6、着整个动脉系统传播，这种波成为脉搏波1。在现代医学中，无论是中医脉诊还是西医心血管疾病检查，都要从脉搏波的压力与波形变化中提取各种生理、病理信息。通过脉搏波可以了解病的属性是寒还是热，机体正气是盛还是衰，以及测知病因、病位和判断预后。从脉搏波中提取人体的心理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。正常人的脉搏次数是每分钟60 次90 次（婴儿为90 次120 次，老年人则为100 次150 次，运动后可达200次）通过对脉搏波各项指标的检测和分析，能预测和判断

7、高血压、糖尿病和晚期肾衰竭等疾病患者的心血管状况。但由于中医是靠手指获取脉搏信息，虽然脉诊具有简便、无创、无痛的特点易为患者接受，然而在长期的医疗实践中也暴露出一些缺陷。单凭医生手指感觉辨别脉象的特征，受到感觉、经验和表述的限制，存在许多主观臆断因素，影响了对脉象判断的规范化2。因此，设计脉搏波提取电路大有裨益。随着科学技术的发展，脉搏测量技术也越来越先进，对脉搏的测量精度也越来越高，国内外先后研制了不同类型的脉搏测量仪，而其中关键是对脉搏传感器的研究。起初用于体育测量的脉搏测试集中在对接触式传感器的研究，利用此类传感器所研制的指脉、耳脉等测量仪各有其优缺点。指脉测量比较方便、简单，但因为手指

8、上的汗腺较多，常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降：耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确3。目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：光电容积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。 4数码管显示即把单片机计算得出的结果用4位7端LED数码管动态扫描来显示，便于直接准确无误的读出数据。5. 串口输出即通过单片机的串行数据口将测得的心率数据发送出去。2.2光电脉搏测量仪的特点与传统的脉搏测量仪相比，光电式脉搏测量仪具有以下特点：1. 测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，通

9、常在体外；2. 传感器可重复使用且速度快，精度高；3. 测试的适用电压为5V9V的直流电压；4. 稳定性好、磨损小、寿命长、维修方便；5. 由于结构简单，因此体积小、重量轻、性价比优越；6. 测量的有效范围为48次199次/分钟。2.3工作原理本设计采用单片机AT89C51为控制核心，实现脉搏测量仪的基本测量功能。脉搏测量仪硬件框图如下图2.1 所示：图 2.1 脉搏测量仪的工作原理当手指放在红外线发射二极管和接收三极管中间，随着心脏的跳动，血管中血液的流量将发生变换。由于手指放在光的传递路径中，血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生变化，因此和心跳的节拍相对应，红外接收三极管的电流也跟着

10、改变，这就导致红外接收三极管输出脉冲信号。该信号经放大、滤波、整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机的外部中断信号。单片机电路对输入的脉冲信号进行计算处理后把结果送到数码管显示并同时通过串口进行输出。3硬件系统3.1脉搏信号采集目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：光电容积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。近年来, 光电检测技术在临床医学应用中发展很快, 这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰, 具有很高的绝缘性, 且可非侵入地检测病人各种症状信息,具有结构简单、无损伤、精度高、可重复好等优点。用光电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生物医学仪器工作的专家和学者的重视

11、4。 图3.1 透射式光电传感器3.1.3光电传感器检测原理检测原理是: 随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变：当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小，当血液流回心脏，组织半透明度则增大；这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。因此本设计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的手指部位，经过手指组织的反射和衰减由装在该部位旁边的光敏三管来接收其透射光并把它转换成电信号。由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的反射和衰减也是周期性脉动的, 于是红外接收三极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。故只要把此电信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示7，即可实

12、时的测出脉搏的次数。3.1.4信号采集电路图3.2是脉搏信号的采集电路，U3是红外发射和接收装置，由于红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大，所以对R21阻值的选取要求较高。R21选择270Ω同时也是基于红外接收三极管感应红外光灵敏度考虑的。R21过大，通过红外发射二极管的电流偏小，红外接收三极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R21过小，通过的电流偏大，红外接收三极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当手指离开传感器或检测到较强的干扰光线时，输入端的直流电压会出现很大变化，为了使它不致泄露到U2B输入端而造成错误指示，用C8、C9背靠背串联组成

13、的双极性耦合电容把它隔断8。当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期。虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是由于红外接收三极管中存在暗电流，会造成输出电压略低。二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收三极管中的暗电流减小，输出电压上升。但该传感器输出信号的频率很低，如当脉搏只有为50次/分钟时，只有0.83Hz，200次/分钟时也只有3.33Hz，因此信号首先经R22、C10滤波以滤除高频干扰，再由耦合电容C8、C9加到线性放大输入端。 放大倍数为：（3-2）截止频率为：（3-3）按人体的脉搏跳动为200次/分钟时的频率是3.33Hz考虑，低频特性是令人满意

14、的。经过低通放大后输出的信号是叠加有噪声的脉动正弦波。3.3波形整形电路波形整形电路如图3.6所示，U3B是一个电压比较器，C11、R29构成一个微分器，U3A和C7、R32组成单稳态多谐振荡器，其脉宽由C7、R32决定。图3.6 波形整形电路该比较器的阀值电压可用RV2调节在正弦波的幅值范围内，但是对RV2的调节要求并不严格，因为U2B的输出信号经C11、R29的微分后总是将正、负相间的尖脉冲加到单稳态多谐振荡器U3A的反向输入端，不会造成很大的触发误差。当有输入信号时，U3A在比较器输入信号的每个后沿到来时输出高电平，使C7通过R32充电。大约持续20ms之后，因C7充电电流减小而使U2A

15、同相输入端的电位降低到低于反相输入端的电位（尖脉冲已过去很久），于是U3A改变状态并再次输出低电平。这长的脉冲是与脉搏同步的，并由红色发光二极管DS3的闪亮指示出来。即发光二极管作脉搏测量状态显示，脉搏每跳动一次发光二极管就亮一次。同时，该脉冲电平通过R24送到单片机INT0脚，进行对脉冲的计算和显示。由于前端电路中传感器部分不便于计算机中进行仿真，因此，为了不影响观察后续电路，选择用正弦信号模拟经过低通滤波器的波形，输入到波形整形电路前端，用示波器分别观察输入信号、U3B输出信号、经微分器C11、R29后的输出信号和最终输入到单片机的信号。仿真电路图如下所示： P0口：P0口是一组8位漏极开

16、路型双向I/0口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗转入端用。Pl口：P1是包含内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”

17、，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P3口：1.可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备；2.作为第二功能使用，每一位功能定义如表3.1 所示。表3.1 P3 口的第二功能RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振器频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。PSEN：程序存储允许（PS

18、EN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令(或数据)时每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。EA/VPP：EA 0，单片机只访问外部程序存储器。EA 1，单片机访问内部程序存储器。XTALI：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 图3.144位数码管引脚分布图图3.154位共阳极数码管结构图3.5.3LED数码管的显示方法静态显示方式是指当显示器显示某一字符时，发光二极管的位选始终被选中。在这种显示方式下，每一个LED数码管显示器都需要一个8位的输出口进行控制。由于单片机本身提供

19、的I/O口有限，实际使用中，通常通过扩展I/O口的形式解决输出口数量不足的问题。静态显示主要的优点是显示稳定，在发光二极管导通电流一定的情况下显示器的亮度大，系统运行过程中，在需要更新显示内容时，CPU才去执行显示更新子程序，这样既节约了CPU的时间，又提高了CPU的工作效率。其不足之处是占用硬件资源较多，每个LED数码管需要独占8条输出线。随着显示器位数的增加，需要的I/O口线也将增加。动态显示方式是指一位一位地轮流点亮每位显示器（称为扫描），即每个数码管的位选被轮流选中，多个数码管公用一组段选，段选数据仅对位选选中的数码管有效。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导

20、通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。通过调整电流和时间参数，可以既保证亮度，又保证显示。若显示器的位数不大于8位，则显示器的公共端只需一个8位I/O口进行动态扫描（称为扫描口），控制每位显示器所显示的字形也需一个8位口（称为段码输出）。通过比较，我们可以发现LED动态显示更加适合本设计，所以就采用此方法。采用七段4位LED数码管。达到一分钟后，仍然计数，此时，通过P1.3口点亮LED灯，数码管显示的是最近60秒的脉冲个数。单片机的P2口控制显示字型，P1.0、P1.1、P1.2口控制显示字位。P1.3控制LED灯。显示电路如图3.16。图3.16 显示电路 2. 300μA低供

21、电电流；3. 只需外接0.1μF的电容。MSC-51单片机有一个全双工串行口。全双工的串行通信只需要一根输出线（TXD）和一根输入线（RXD）。串行通信中主要有两个技术问题，一个是数据传输，另一个是数据转换。数据传送主要解决传送中的标准、格式及工作方式问题。数据转换是指数据的串/并行转换。MSC-51单片机的串口接收、发送均可工作在查询方式或中断方式，使用十分灵活。MSC-51单片机的串口编程涉及的几个主要特殊功能寄存器分别为串口数据缓冲器SBUF、串行口控制寄存器SCON、特殊功能寄存器PCON和中断允许寄存器IE11。3.6.2MAX232简介MAX232是美信公司专门为电脑的RS2

22、32标准串口设计的接口电路，使用+5V单电源供电。该产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口RS232D电平是-10V+10V，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0+5V,MAX232就是用来进行电平转换的，该器件包含两个驱动器，两个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA232-F电平。该器件符合TIA/EIA232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA232-F电平转换成5V的TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA232-F电平。主要特点：1)单5V电源工作；2)LinBiCMOSTM工艺技术；3)两个

23、驱动器及两个接收器；4)±30V输入电平；5)低电源电流：典型值是8mA；6)符合甚至优于ANSI标准EIA/TIA232-E及ITU推荐标准V.28；7)ESD保护大于MIL-STD-883(方法3015)标准的2000V。3.6.3串口电路设计在本次设计中，采用MAX232芯片与51单片机接口，只选择一路收发器即可。其中MAX232主要起到电平转换的功能，将单片机串口输出逻辑电平转换为用于传输的常规RS232电平，可连接电脑等常规D型串行接口。连接时，应注意发送与接收引脚的对应关系，否则可能造成器件或计算机串口的永久性损坏，连接好的电路如图3.17所示。 图4.3中服程序流程

24、4.4数据处理模块当计数时间没有到达一分钟时，将计数结果顺序存放在数组内，当计数时间到一分钟时，将计数值顺序前移，即将前一分钟第一秒的计数值移除数组，而将最近一秒的计数值移入数组。流程图如下：图4.4数据更新模块流程图4.5显示模块显示程序包括显示一秒钟内已经计数的脉冲总个数，以及达到一分钟后，点亮LED灯，数码管显示最近60秒的脉冲个数。在此我们选用8位共阳极数码管，设置字型码0xc0，0xf9，0xa4，0xb0，0x99，0x92，0x82，0xf8，0x80，0x90，分别表示数字09, P1.0、P1.1、P1.2口控制显示字位,四位数码管的最后一位显示计数和的个位，四位数码管的倒数第二位显示计数和的十位，数码管的倒数第三位显示计数和的百位，需要显示某一位时，将该位置1，其他位置0，流程图如下：图4.5显示模块流程图4.6串行数据输出设置串口工作在方式1