基于单片机的脉搏心率测量仪的开发与设计论文

1、毕业设计(论文) 题 目： 基于单片机的脉搏测量仪的研究与设计 45 / 51摘 要在传统的医疗检测中，脉象检测一直都起着非常重要的作用，人体的脉象包含着大量的人体的生理和病理方面的信息。脉诊一直是医生诊断疾病的重要手段之一，但受人为因素的影响很大。经医学观察研究表明，人体手指末端含有丰富的毛细血管和小动脉，这些动脉和人体其他地方的动脉一样，含有丰富的生理信息。由于光电脉搏检测技术具有很高的绝缘性，且抗电磁等干扰能力强，可以对人体进行无损伤检测。本文设计通过光电法对人体指尖的脉搏进行测量，并将测量信息送入单片机进行处理，最后通过数码管将测量结果显示出来。将对脉搏信号的检测模块，脉搏信息的处理模

2、块，单片机，数码管显示模块等电路集成在一块电路板上，形成一个简易的脉搏测量仪。这种测量仪具有精确度高，体积小，价格便宜，易于操作等特点，特别适合于个人使用和家庭使用，给我们的生活带来极大方便，让我们第一时间对自己的身体状况有进一步的了解。关键词：脉搏；光电传感器；单片机；数码管AbstractIn the traditional medical testing，the pulse condition detection has been playing a very important roleThe pulse condition of the human body contains a l

3、arge number of physiology information and pathology information，the pulse examination has been being one of the important means for the doctor to diagnosis the illnessBut the man-made factors influence it very much，the medical observation research shows The end of the finger contains rich capillarie

4、s and small arteriesThese arteries and the other arteries of the body hold rich physiologic informationThe Photoelectric pulse detecting technology can test the body without damage owing to its high insulation and strong ability to resist the electromagnetic interferenceThis design in the text can s

5、urvey the pulse of the finger tip through photoelectric method and transport the information to the microcontroller to do with itAt last，the result is showed by the digital tube When the electric circuit such as the detection module of the pulse signal，the processing module of the pulse information，

6、SCM，digital tube are integrated in the board of electric circuit，it formed an simple pulse measuring instrument，this instrument has high accuracy，small, cheap，and easy to operateIt is especially suitable for personal use and family useIt brings great convenience to our life，so we can have a further

7、understanding of our body conditionKey words:Pulse；Photoelectric transducer；SCM；Digital tube目 录摘要IAbstractII第1章绪论11.1研究的目的和意义11.2国外的研究现状21.3设计容3第2章 课题方案论证42.1采用压电式脉搏传感器42.2 采用光电式脉搏传感器52.3 方案确定6第3章 硬件电路设计73.1 元器件介绍73.1.1 AT89C2051单片机73.1.2LM324简介103.1.3 7809和7805简介113.2整体电路分析133.2.1 脉搏信号采集电路133.2.2 脉

8、搏信号处理电路143.2.3 单片机控制显示电路17第4章 软件设计194.1 系统总体软件流程194.2 整体程序设计19第5章 软件仿真与系统实物225.1 Keil编译软件225.2 Protues软件仿真265.2.1 Protues软件简介265.2.2 电路仿真275.3 PCB板生成295.3.1 Protel DXP 2004软件简介295.3.2 PCB板生成过程315.4 脉搏测量仪实物设计31结论34参考文献35附录1 37附录2 38致41第1章绪 论1.1研究的目的和意义随着社会的不断发展，我们从工业化时代进入信息化时代，这种转变是社会发展的必然，在我们的现实生活中，

9、随着人们生活水平的不断提高，健康饮食，健康生活越来越受到人们的重视。在我们的日常生活中，为事业为生活我们四处奔波，紧的工作，劳累一段时间之后，我们都会担心我们的身体会因为劳累过度等原因造成一定的损伤，这时候，我们会选择去医院做一个身体检查，到医院以后，医生或者护士都会通过把脉、做心电图、胸透等方法对我们的身体进行全面的检查，通过分析脉象和心电图来对我们的身体状况作出判断。于是在节假日的时候，都会有很多人去医院检查身体，由于人很多，需要排很长的队，有时候都不一定能排上，加上昂贵的检查费用，以至于不是每个人都能到医院进行身体检查。身体是革命的本钱，也是我们生存的根本，我们每个人都想对自己的身体健康

10、状况有更加细微的了解，如何才能更加精确的检查我们的身体状况？怎么样才能更加简单的对我们的身体进行检查？什么样的检查能让我们花更少的钱？这都是我们应该考虑的问题，能不能设计一种简单的仪器，不仅操作简单，价格便宜，还能精确检测我们的身体状况呢？人体心室周期性的收缩和舒将导致人体主动脉的收缩和舒，使血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波称为脉搏波。脉搏波呈现出的强度、状态、节律和速率等方面的综合信息，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性。人体的脉搏能准确的反映人体的健康状况，通过对脉搏的测量，我们就能对自己的身体有一个大致的了解，在中国很早就有通过把脉检查人

11、体健康状况的研究，而中医的脉相诊断技术就是脉搏测量在中医上卓有成效的应用，但是通过把脉对身体的检查受人为因素影响比较大，而且精确度也不是很高。现在社会各界都提出一种叫做无创测量（noninvasive measurements）又称为非入侵式测量或间接测量，其最重要的特征就是测量的探测部分不侵入人体，不会对人的身体造成损伤，通过对体表器官的检测间接测量人体的生理和升华参数，医学传感器是获取生物信息并将其转换成易于测量和处理信号的一个关键器件。光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器，充分利用了光的穿透性和不同物质对光的吸收频率的不同的特点设计而成，通常对手指末端透光度的监测，间接检测出

12、脉搏信号，光电式脉搏传感器具有结构简单、无损伤、复精确度高、价格便宜、操作简单、可重复使用等优点。1.2国外的研究现状目前，基于人们对健康的追求，国外越来越多的人都在致力于人体检测器件的相关研究和开发，在解决人体无创伤检测方面也取得了卓有成效的成就，在很多中外学者的研究论文中，都有对脉搏测量仪的相关研究和而且也取得了一定的突破。在他们的研究论文中也有对脉搏测量仪功能设计方面的很多重要突破的记载，而现在很多研发公司在脉搏测量仪产品的研发和生产方面，也在不断地创新，市面上多种多样的测量仪相继出现在世人面前。2011年，万宝龙于日瓦高级钟表沙龙SIHH上推出全新Collection Villeret

13、 1858系列Vintage Pulsographe款腕表，即复刻版测量脉搏计时表之意，以标志现代计时技术面世190周年纪念。在国外，针对脉搏信号检测分析系统的研究比较早，发展比较快，也比较深入。早在80年代研制的液态传感器就是利用将单位长度管段动脉血液体积随时间变化量转换成导电液柱体电阻的该变量来测量脉搏波形。自1969年Kawai发现PVDF薄膜（聚偏氟乙烯）具有明显的压电特性后，PVDF薄膜经过几十年的应用和基础研究，近年来被广泛应用于医疗器械开发和研究中。早在1969年10月，世界上最先运用光敏器件开发光电传感器的公司日本神视株式社会正式成立，此后国外很多大公司越来越重视利用光电传感器

14、实现脉搏信息的无创伤检测的研究。下面是收集一些资料：南朝鲜的PARKYE也曾研制脉象仪；日本田口贤惠曾研制“压力、脉搏测定装置”，代田文彦设计了“局部加压型检脉装置”，Sony公司产生出脉搏记录仪，藤田六郎研制出不接触部位就能测出最大脉搏的光电管容积脉诊仪，冈田藤用瓷性压力感测器，开发出适合于浮、中、沉各压力等级的原件，并用此传感器描述了脉象对应的脉搏图形；美国LAUB博士曾研制用于针灸临床新型无创脉搏记录仪；英国人Marcy最早设计了以弹簧为动力的杠杆式脉搏传感器，并记录了桡动脉脉搏波1。在国，对脉搏信号监测分析的研制和分析处理方法研究上落后于以美国和德国为代表的西方国家，但随着最近几十年生

15、物医学的兴起与发展，我们已经逐步缩小与西方国家的差距，取得了很大的进步。下面是收集的一些资料：1998年国科技大学的朱国富等人研制了袖珍式脉搏测量仪，采用了光电传感器采集脉搏数据2。1999年清华大学的金观昌教授等人将PVDF薄膜用于多点脉搏波测试系统研制当中3；西北工业大学希的基于USB的多道生物医学信号数据采集系统4；大学袁志勇等人嵌入式脉搏检测分析系统的研制5；东南大学序等人的脉搏数据采集器的研制6；中医药大学牛欣、杰等研制了压力与B超整合的中医诊脉装置，认为可以实时直观观察寸口桡动脉运动情况7；理工大学爱华等人基于动态图像的多点脉搏信号检测方法8；目前中医药大学汤伟昌研制了压力式三探头

16、传感器，以模拟中医寸关尺取脉，并探讨三探头传感器与单探头传感器以与三探头传感器之间信息提取的差别9；目前在国市场上得到认可、应用较普遍的主要是中医药大学费兆馥教授为主要研究者，与复旦大学等单位联合研制生产的ZM-1型单探头中医脉象仪，ZM-IIIc型智能脉象仪；医药大学与交通大学研制的TP-I型脉象数字化分析仪也已进入临床检测应用。最近，日本学者又提出了以脉搏波传导速度与血压的相关性来间接测量血压，用检测分析脉搏波的方法估计液压的课题，足见脉搏检测的应用有着良好的发展前景。1.3设计容此次设计主要采用光电式脉搏传感器，以AT89C2051单片机和LM324芯片为主要核心对人体的脉搏进行检测，并

17、通过LED数码管来显示人体一分钟的脉搏震动次数，本文主要完成以下几项工作：（1）根据基本原理设计出总体的框图。（2）了解每一个功能模块，并设计出相应子电路。（3）连接每个功能模块并且生成总体电路图。（4）根据硬件电路图和所要实现的功能编写软件程序。（5）完成硬件调试和软件仿真。（6）分析调试中遇到的问题并找到解决的方案。脉搏测量仪测量系统结构框图如图1-1所示：光电式脉搏传感器脉搏信号调理模块单片机处理模块数码管显示模块图1-1 系统结构框图第2章 课题方案论证选择什么样的脉搏传感器是这次设计的关键，目前很多公司和厂商都在致力于脉搏传感器的研究，而且都有很成熟的技术，在功能上也有很多拓展，比如

18、在检测脉搏的同时还能检测人体的体温、血液含氧量、血红蛋白含量等参数，而且传感器集成了像信号放大器、滤波器、波形整形等电路，使得传感器的精确度更高了，输出的直接就是脉搏信号或者脉搏波信号，只需将传感器界面接在示波器上，就能直接显示出脉搏波形图，使用极为方便，这样的脉搏传感器已被很多医疗器材所使用，甚至在很多健身器材上也有这样的脉搏传感器。市面上根据不同原理有多种多样的脉搏传感器相继出现，其中出现做多的是压电式脉搏传感器和光电式脉搏传感器，光电式脉搏传感器根据利用的光的原理的不同有可以分为透射式光电脉搏传感器和反射式脉搏传感器，这几种传感器是根据两种不同的物理学原理设计制作而成，在性能上各具优点，

19、而且在技术上也很成熟，目前在很多人体检测仪器中都有对这两种传感器的使用。在本次设计中，两种传感器都能达到设计预期的效果，即对脉搏的测量与显示，但选择不同的脉搏传感器，会影响到后置电路的设计，在软件设计方面也有所差别，现就针对两种传感器在本次设计中可能出现的影响进行方案论证。方案一是采用压电式脉搏传感器，方案二是采用光电式脉搏传感器。2.1采用压电式脉搏传感器1969年Kawai发现经过高倍率拉伸和高电场下极化真空蒸发金属电极后的PVDF（聚偏氟乙烯）薄膜具有明显的压电特性。经过几十年的应用和基础研究，目前PVDF的性能已明显提高，压电电压输出常数g=174，是所有压电体重最高的10。PVDF压

20、电薄膜是敏感的部件，作用是将微弱的低频的脉搏压力信号转换成电信号，因压电薄膜阻很高，而脉搏信号比较微弱，传感器设置了前置电荷放大器，起作用是与PVDF压电薄膜阻抗匹配，把输入高阻抗变为低阻抗输出。二是将微弱电荷转换成电压信号并放大。由于基线漂移、人体活动、工频干扰等因素的影响，脉搏信号具有很大的噪声，传感器还进行了去噪设计，使用了一个低通滤波电路吧高频噪声和工频干扰滤除，是脉搏信号有效成分全部通过11。压电式脉搏传感器是采用压电瓷通过脉搏的跳动来实现对脉搏信号的采集的，随着人体心脏的跳动，人体手腕的脉搏和颈部的脉搏搏动比较明显，将压电式脉搏传感器通过橡胶带将其紧贴在手腕或是颈部，当脉搏跳动时，

21、压电瓷片便会产生相应信号，压电传感器将测得的信号转换成脉冲信号并对该信号进行整形、放大、滤波，最后送入显示器件进行计数和显示，就能对脉搏进行实时的检测。目前市面上的这种传感器还加入了体温测量功能，能在检测人体脉搏的同时检测人体的体温。目前被人们使用最多的是压电式的HK-2000系列的传感器，其外观如图2-1所示，这种传感器是典型压电式传感器的代表，该种采用高度集成化工艺将力敏元件(PVDF压电膜)、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器。压电式原理采集信号，模拟信号输出，输出同步于脉搏波动的脉冲信号，脉搏波动一次输出一正脉冲。该产品可用于脉率检测，如运动、健身器材设备中的心率测

22、试1213。图2-1 HK-2000脉搏传感器2.2 采用光电式脉搏传感器根据朗伯-比尔（Lamber-Beer）定律，物质在一定波长处的吸光度和它的浓度成正比。当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织吸收、反射衰减后测量到的光强将在一定程度上反映了被照射部位组织结构特征14。人体脉搏主要是由人体动脉舒和收缩产生的，人体组织半透明度会随着心脏的跳动而随之改变。当血液因心脏收缩而送到人体组织时，人体组织的半透明度会减小；当血液因心脏舒而流回心脏时，人体组织半的透明度会随之增加。经医学临床研究发现，在人体手指指尖组织中，分布着大量的毛细血管，动脉成分含量高，而且指尖相对于人体其他组织而言的厚

23、度相对比较薄，透过手指后检测到的光强相对变化比较大，加上手指比较灵活，检测起来比较方便，因此通常选择人体指尖作为光电式脉搏传感器的测量部位来测量人体的脉搏数。在医学上把手指组织分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织两部分，研究表明，非血液组织对的光吸收频率是恒定不变的，在血液中，静脉血的搏动情况相对于动脉血而言是十分微弱的，测量时可以忽略不计，因此动脉血的充盈被认为是引起光透过手指后强度变化的主要原因，那么在恒定波长光源的照射下，通过检测透过手指的光强变化可以间接测量到人体的脉搏信号。光电式脉搏传感器充分利用了光的特点，结构比较简单，由一个光源和一个光敏器件组成，操作简单，只需将手指放入光

24、源和光敏器件中间，光会穿透人的手指被光敏器件检测到，血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比在血液中的穿透性高出几十倍，根据这个特点，光电式脉搏传感器采用的是透射式光电效应对手指进行脉搏信号的拾取，这里使用的光敏器件是加了反向偏压的光敏二极管，这种光敏二极管的反向电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性，在一定的光照强度围，光敏二极管的反向电流与光照强度呈线性关系，人体的皮肤、肌肉、骨骼对光的吸收频率是恒定不变的，而人体血管中的血液浓度会随着心脏的跳动而呈周期性的变化，光源和光敏二极管分别放置在手指尖端的两侧，光源发出的光照射到指端，当指端血管的血液容积和透光度随心搏的改变而改变

25、时，另一端的光敏二极管接收到的光照强度也会随之发生改变，使得光敏二极管产生的光电流也产生相应的变化，由于心脏跳动是呈周期性的，因此血管中的血液浓度也会呈周期性的变化，由此光敏二极管接收到得光照强度也呈周期性变化，光敏二极管将会产生脉冲电信号，这种脉冲电信号信号通过信号的放大、检波、滤波最后通过传输设备传入单片机进行相应处理和A/D转换，最后通过传输设备传入数码管和播报器显示出测量结果。2.3 方案确定压电式脉搏传感器功能比较全面，技术也比较成熟，应用比较广泛，目前已经被应用于很多领域，但就其操作复杂，一个人很难实现对自己的脉搏进行测量，而且输出波形只有专业医师通过分析之后才能对人体健康状况作出

26、判断，所以很少用在家用电器中，只有在体育器材或是医院的大型专业医疗器械才能用到。而且这种传感器的体温检测功能在本次设计中没有得到体现，且它的价格比较昂贵。光电式脉搏传感器是当今世界比较先进的脉搏传感器，由于刚被人们使用，技术不是很成熟，是一项新兴的光电技术，还有很多方面需要完善，目前被应用的并不是很多，但其结构比较简单，只需一个光源和一个光敏器件就能实现，操作简单，只需将手指放于光源和光敏器件之间就能实现对脉搏的测量，可以用于个人使用和家庭使用，这种传感器可以自己完成制作且容易实现，不需要花太多的钱去买，精确度高。考虑到以上诸多因素，本课题采用光电式脉搏传感器。光电式脉搏传感器结构比较简单，制

27、作工艺容易实现，所以本文自行设计的光电传感器我来进行脉搏的测量。第3章 硬件电路设计3.1 元器件介绍3.1.1AT89C2051单片机AT89C2051是一个CMOS 8位单片机，具有高性能、低电压的特点，其片含2Kbt的可反复擦写的只读Flash程序存储器（ROM）和128 bt的数据存储器（RAM）。美国ATMEL公司采用了高密度、非易失真性存储技术研发生产而成，它兼容标准的MCS-51单片机指令系统，片置通用8位中央处理器和Flash存储单元。AT89C2051单片机技术比较先进，功能也比较全面，其采用了20引脚封装技术，15个双向I/O口线，其中P1口是一个完整的8位双向I/O口，此

28、外还有两个外中断口、一个模拟比较放大器、两个全双向串行通信口、两个16位可编程定时/计数器。AT89C2051与其它单片机相比有一个特殊点就是它的时钟频率可以为零，可以通过软件设置睡眠系统，能有效的节省电能，当单片机进入睡眠状态时，可以通过RAM、定时/计数器、串行口和外中断口等系统唤醒方式将其唤醒，系统被唤醒后就会进入继续工作状态，接着睡眠前得工作状态继续工作。在省电模式中，单片机所有将会功能停止工作，直至系统被硬件复位唤醒后方可继续运行。（1）AT89C2051引脚简介，引脚图如图3-1所示。图3-1AT89C2051引脚图VCC：电源端口。GND：接地端口。P1口：P1口是一个完整的8位

29、双向I/O口。引脚P1.0和P1.1在接外围元件时必须设置外部上拉电阻，引脚P1.2P1.7上拉电阻由单片机部提供。P1.0和P1.1还可以分别作为片精密模拟比较器的同相输入端(ANI0)和反相输入端(AIN1)。P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED进行数码显示。当P1口引脚写入“1”时，就可用作输入端，当引脚P1.2P1.7用作输入并被外部设备拉低时，它们将因部的上拉电阻作用而输出电流。P3口：P3口的引脚P3.0P3.5和P3.7是七个双向I/O口，它们都带有部上拉电阻。P3.6作为一通用I/O引脚，不但可以访问还可以用于固定输入片比较器的输出信号。P3口缓冲器可吸收20m

30、A的电流。当P3口写入“1”时，它们被部上拉电阻拉高并可用作输入端。用作输入时，P3口被外部拉低时将被上拉电阻作用而输出电流。P3口还用于实现AT89C2051的其他功能，其第二功能如表3-1所列：表3-1 P3口第二功能表引 脚功 能 P3.0RXD串行输入端口 P3.1TXD串行输入端口 P3.2INT0外中断0 P3.3INT1外中断1 P3.4T0定时器0外部输入 P3.5 T1定时器1外部输入（注：P3口还接收一些用于闪速记忆体编程和程序校验的控制信号。）RST：复位输入引脚。当RST变成高电平时，单片机所有的I/O口引脚就被复位到“1”。振荡器正在运行时，持续给RST引脚两个机器周

31、期的高电平便可完成复位。每一个机器周期需12个时钟周期。XTAL1：用作反相器、振荡器和部时钟发生器的输入端口。XTAL2：反相放大器和振荡器的输出端口。（2）AT89C2051部结构RAM地址寄存器PEROMRAM程序地址寄存器VCCGND堆栈指示器ACCB寄存器缓冲器TM2TM1PC增量器程序计数器ALU中断、串行端口与定时器单元PSWRST指令寄存器同步与控制DPTR端口2储存端口1储存振荡器端口3驱动端口1驱动图3-2AT89C205部结构图AT89C2051是带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（EEPROM）微处理器。它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造，并能和标准MCS-5

32、1指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的CPLI和闪速记忆体，ATMEL的AT89C2051是强劲的微型处理器，它对许多嵌入式控制应用提供一定高度灵活和成本低的解决办法。 AT89C2051具有以下标准功能：2K字节闪速记忆体，128字节数据存储器RAM，15个双向I/O口，两个16位定时器，一个两级五矢量中断结构，一个全双工串行接口，一个精密模拟比较器以与两种可选的软件节电工作方式。空闲方可以停止CPU工作但允许定时器/计数器、程序存储器RAM、中断系统和串行工作口继续工作。掉电方式保存RAM容但振荡器停止工作并禁止所有其他部件的工作直到下一个硬件复位15，16。3.1.2LM32

33、4简介LM324系列器件是带有真差动输入的四运算放大器。其价格便宜，与单电源应用场合的标准运算放大器相比，具有很多优点。该四运算放大器工作电压跨度较大，可以在低到3.0伏或者高到32伏的电源电压下正常工作，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图3-3所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源输入端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-为反相信号输入端，表示该输入端与运放输出端Vo的信号的位相反；Vi+为同相信号输入端，表示该输入端

34、与运放输出端Vo的信号的相位一样。LM324采用14脚双列直插塑胶封装，引脚排列如图3-4所示：图3-3 运算放大器图3-4LM324引脚图由于LM324四运放电路具有电源电压围宽，可单电源使用，静态功耗小，价格便宜等优点，因此被广泛应用在各种放大电路中。参数描述：运放类型-低功率；放大器数目-4；带宽-1.2MHz；针脚数-14；工作温度围-0-70；封装类型-SOIC；3dB带宽增益乘积-1.2MHz；变化斜率-0.5V/s；增益带宽-1.2MHz；电源电压围-V-32V；运放特点-高增益频率补偿运算。LM324的特点：（1）短路保护输出；（2）真差动输入级；（3）可单电源工作：3V-32

35、V； （4）低偏置电流：最大100nA；（5）每封装含四个运算放大器；（6）具有部补偿的功能； （7）共模围扩展到负电源； （8）行业标准的引脚排列； （9）输入端具有静电保护功能。3.1.3 7809和7805简介（1）7089简介7809系列为3端正稳压电路元器件,采用TO-220封装技术，可以为不同的元器件提供不同的固定输出电压，从而在电路设计方面得到了广泛的应用。芯片部含有过热、超载和过流保护电路。当带有散热片时，输出电流可达1A左右。虽然是固定稳压电路，但外接元件的不同，可获得不同的输出电流和电压。7809外形引脚图如图3-5所示，三个引脚从左到右依次是输入引脚（INPUT）、接地引

36、脚（GND）、输出引脚（OUTPUT）。图3-5 7809外形引脚图7809主要特点：输出电流为1A；输出电压为9V；具有过热保护、短路保护、输出晶体管SOA保护等功能。7089各参数极限值： VI输入电压(VO=518V) 35VRJC热阻（结到壳）5/WRJA热阻（结到空气）65/WTOPR工作结温围 0125TSTG贮存温度围 -65150（2）7805简介7805是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。IC采用集成稳压器7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。当输出电流较大时，7805应配上散热板。7805外形引脚图如图3-6所示，其引脚从左到右依次为输入引脚

37、（INPUT）、接地引脚（GND）、输出引脚（OUTPUT）22，23。图3-6 7805外形引脚图7805电参数如表3-2所示：表3-2 7085电参数表参数符号测试条件最小值典型值最大值单位输出电压VoTj=254.85.05.2V5.0mA<1o<1.0APo<15W ，Vi=7.5v-20v4.755.005.25V线性调整率VoTj=25，Vi=7.5V-25V4.0100mVTj=25，Vi=8V-12V1.650mV负载调整率VoTj=25lo=5.0mA -1.5A9100mVTj=25lo=250mA-750mA450mV静态电流IQTj=255.08mA静

38、态电流变化率IQlo=5mA-1.0A0.030.5mAVi=8V-25V0.30.8mA输出电压温漂Vo/Tlo=5mA0.8mV/输出噪音电压VNf=10Hz-100KHz，Ta=2542V纹波抑制比RRf=120Hz，Vi=8V-18V6273dB输入输出电压差Volo=1.0A，Tj=252V输出阻抗Rof=1KHz15m短路电流1SCVi=35V，Ta=25230mA峰值电流1PKTj=252.2A3.2整体电路分析本次设计为单片机控制数码管显示型便捷式脉搏测量仪，硬件整体电路如图3-7所示。整个电路图可以分为脉搏信号采集电路、脉搏信号处理电路和单片机控制显示电路三部分组成。图3-7

39、 硬件整体电路图3.2.1 脉搏信号采集电路脉搏采集由自制光电式脉搏传感器电路实现，主要由红外线发射二极管D1和红外光电管Q1两部分组成，其电路如图3-8所示。图3-8 脉搏采集电路图 脉搏信号采集的基本原理：在人体心脏的不断地跳动过程中，人体各个组织的半透明度会随着心脏的跳动而发生改变，当血液被送到人体的组织时，人体组织的半透明度会减小；当血液流回到心脏时，人体组织的半透明度会随之增大。这种现象在人体较薄的组织或器官中表现得最为明显，比如在人体的指尖和耳垂等部位。我们都知道，光具有很多重要的性质，其不同的性质在不同的场合得到了不同的运用，这里运用了光的穿透性和不同物质浓度对光的吸收频率的不同

40、的特点，利用这两个特点，将红外发光二极管发出的红外光照射到人体的手指或耳垂等比较薄的部位，然后将装在该部位另一侧或旁边的红外光电管来检测被测机体组织的透明程度并把它转换成电信号。光穿透了手指和被手指中的血液吸收了一部分，由于手指中的血液浓度随心脏的跳动而改变，引起了手指的透明度的改变，因此红外光电管接收到得光会随血液浓度也就是手指的透明度的改变而改变，而手指中血液浓度是随心脏的跳动而改变的，也就是光电管接收到得光信号是随心脏跳动的改变而改变得，接收到的光信号被转换成的电信号也随光信号的改变而改变，因此此信号的频率与人体每分钟的脉搏次数成正比，所以只要把它转换成脉冲并进行整形、计数和显示，就能实

41、现实时检测人体脉搏次数的目的。这里之所以使用红外发光二极管，是因为通过实验检测得到,当采用红外发光二极管用作照射光源时，基本上可以抑制由于人在呼吸运动过程中造成的脉搏波曲线的漂移。由于脉搏信号的检测是以光电检测技术为基础的，因此很容易受到周围杂散光、暗电流等各种干扰的影响。为了克服这一问题本系统采用脉冲振幅光调制技术。脉冲调制传送的是调制信号的采样值，只要采样频率是奈奎斯特采样频率，就可以用采样脉冲来恢复原来的脉搏信号，而不会导致信号失真。3.2.2 脉搏信号处理电路为了从脉搏信号中得到有关人体的生理、病理信息，需要对采集的脉搏信号进行处理。首先在采集脉搏信号的过程中，由于仪器、人体活动等因素

42、而是采集的信号常伴有各种干扰，包括人体呼吸和手指抖动引起的基线漂移、肌肉紧引起的干扰以与工频干扰等。因此对采集到的脉搏信号进行处理是一项极其重要的工作。脉搏信号处理电路如图3-9所示。该部分电路主要由信号抗干扰电路模块、信号整形电路模块两个主要的电路模块组成。图3-9 脉搏信号处理电路其中R15与C1和LM324_a共同构成了信号抗干扰电路组，它们分别承担了对信号的残余高频干扰的滤除、干扰光线的光电隔离、低通滤波等任务。另外，LM324_b、C2与R16、LM324_c则共同组成了信号整形电路模块。脉搏信号处理电路工作原理如下：首先，由于正常人体脉搏一般在50次/分200次/分之间（当人进入睡

43、眠状态时脉搏一般在50次/分左右；当人体进行激烈的运动过程中，脉搏会达到200次/分左右），其所对应的脉搏波的频率围通常在0.78Hz3.33Hz之间，因此经红外检测采集并转换得到的电信号频率往往非常低。为了防止信号因外界高频信号干扰而导致检测结果出现误差，因此，必须先将信号进行低通滤波处理，以便能使绝大部分的高频干扰被滤除。然后，考虑到在脉搏测量仪的使用过程中存在发光物体，如日光、白炽灯光和其他放光物体的作用，因此它必然会受到强光辐射的干扰。为了避免在接收正常脉搏红外线时受到强光辐射的干扰，电路中设计使用了双极性耦合电容C4构成一个非常简单的光电隔离电路，从而使干扰光线得到了较为有效的隔离。

44、另外，为了防止前面对于高频干扰的滤除过程不够彻底影响到后面的电路的实现，电路中还设计连接了由LM324_a、R15、C1组成的截止频率为10Hz左右的低通滤波器电路，以便进一步滤除干扰，同时将前面的检测到得脉搏信号放大200倍左右。经前面处理后得到的信号为叠加有噪声的脉冲正弦波信号，接下来的工作就是要对这个信号进行整形处理，以便于后面的显示。首先是通过比较器LM324_b将此正弦波转换成方波。通过调节滑动变阻器R21的阻值就可以实现将比较器的阈值调定在正弦波的幅值围之。接下来，从LM324_b的7引脚输出的方波信号经C5、R17构成的微分电路进行微分处理后就能得到正负相间的尖脉冲信号。为了加强

45、输出脉冲的稳定性，在电路的电路设计过程中是将此脉冲输入到单稳多谐振荡器LM324_c的反相输入端，并利用LM324_c的输出脉冲来作为后极单片机工作的实际使用脉冲。LM324_c在工作时，一旦有信号输入，它会在输入信号后沿到来时输出一个高电平，从而使C2通过R16进行充电。时间大约持续20ms，LM324_c同相输入端的电位会因C4充电电流减小而降低，当此电位低于反相输入端的电位时(尖脉冲已过去很久)LM324_c就将改变状态并再次输出低电平。这20ms的脉冲时间是与脉搏脉冲同步的，这种脉冲在电路工作时是与红色发光二极管D2的闪烁情况相对应的。经过LM324_c之后的脉冲就是后面单片机控制电路

46、所需的实际脉冲，通过R27送到单片机P3.3引脚后，就可实现后面的计数和显示了。LM324_a、LM324_b、LM324_c工作所需的4.5V电源电压，在电路中是通过R12、R13对9V分压并经LM324_d缓冲而得到的。这样的设置，就使得即使电源电压降低到6V，本电路也能实现正常工作。3.2.3 单片机控制显示电路此部分电路主要由AT89C2051单片机、7段4位数码管显示器、12MHz的晶振电路以与复位电路等几个部分组成。电路主要完成的工作是对于前面采集处理得到的脉搏信号进行计算和显示。单片机控制显示电路如图3-10所示：图3-10 单片机控制显示电路P3.3引脚经过前面脉搏信号采集电路

47、和脉搏信号处理电路得到的脉搏信号输入到单片机中。单片机被设置为负跳变中断触发模式。因此，每次脉冲下降沿到达单片机时，单片机就会被触发并产生中断进行计时；而当下一次脉冲的下降沿到达时，单片机就对两次脉冲间的时间间隔进行运算，运算的结果就是心率。这个结果值，将通过P1口传送到7段4位数码管显示芯片的数据端口，最后被显示出来。数码管显示的数字就是人体一分钟的脉搏次数。这部分功能主要是通过软件调试来实现的。第4章 软件设计4.1 系统总体软件流程本次设计的主体部分主要由硬件实现，软件部分的主要作用在于开机初始化单片机，一分钟方波个数的客观计算，数码管动态扫面显示等。程序流程图如图4-1所示。主程序开始

48、系统初始化开中断10s接收不到脉搏信号，复位脉率计算LED数码显示图4-1 主程序流程图4.2 整体程序设计整个程序是用C语言编写的，主要由主程序、定时器T0中断服务程序、外部中断程序，延时子程序四个模块组成。主程序主要实现程序的初始化，定时中断程序主要由计时、动态显示扫描、无测试信号判断等部分组成，外部中断服务程序主要由测量、计算、读数等部分组成。程序中用变量m对脉搏信号个数计数，用n变量对时间计数。从P3.2口输入的与脉搏信号所对应的脉冲信号来作为外部中断0的中断请求信号，外部中断采用边沿触发的方式。由于脉冲信号的频率很低，所以不适合用计数的方法进行测量，所以采用测量脉冲周期的方法进行测量

49、，就是用脉冲来控制计时的信号，通过计时数计算脉冲的周期，再由脉冲的周期计算出脉冲的频率，从P3.2口每输入一次脉冲信号就能显示一次一分钟的脉搏数。定时器T0的中断时间为5ms，每中断一次计时变量n就加1，因此计时的单位是5ms，例如一个脉搏脉冲周期对应的n值为240，则对应的时间为1.2s，由此可以得到每分钟的脉搏数为50，如果变量n值达到2000，即10秒钟仍然没有发生外部中断，则表示没有脉冲信号进入单片机，于是就把变量n的值清0，数码管显示为0.读数采用三位显示。定时器T0每中断一次就显示一位，因此3次中断就能刷新一次数据，即15ms刷新一次数据。本系统硬件平台的核心是AT89C2051芯

50、片，其芯片微控制器是一个优化的单指令周期8051 闪存MCU，它的指令系统保持与8051指令系统兼容。单片机程序主要功能为：（1）系统初始化；（2）改变电平状态，驱动红外光二极管；（3）管理ADC进行数据采集；（4）数字滤波处理；（5）与中央监测系统或计算机进行实时数据传输。本文选用ATMEL公司的单片机AT89C2051，其部集成了速度可达400k的12位逐次逼近型ADC，模拟输入围是02.5v，则分辨率为0.6mv/LSB。从软件需求和单片机速度出发，将ADC采样率fs设定为102.4kHz，为便于计算，将过采样倍数k设定为64，则下抽取后采样率为f为：fs/k=1600Hz，是频率为40

51、0Hz载波的四倍，满足奈奎斯特采样定理。由于过采样倍数k为64，按每提高4倍采样率就能提高一位分辨率来计算，获得的ADC有效分辨率能提高3位，最后能达到约15位精度，其分辨率可达到0.0763mv/LSB。过采样和数字滤波的实现都是在AD中断服务程序中实现的。集成于单片机上的ADC由定时器产生用于A/D转换的重复触发信号，因此需要通过设置T2寄存器重新装载的值来获得102.4kHz的采样率，参考信号取自片上自带的2.5V基准电压，设置ADCCON1#0B2H，ADCCON2#00H。定时器2是一个具有16位自动重装载功能的定时器，作定时器用时，TH2和TL2计的是机器周期数，TH2和TL2容的

52、自动重装载通过寄存器RCAP2H和RCAP2L来实现。对这四个寄存器都进行初始化，自动装载值为#0FFCAH。在数据采集中, 为了保证采集数据的不失真和适当的精确度, 必须选择合适的采样频率。人体脉搏正常跳动约为60次/分左右,即跳动频率在1Hz 左右，本系统为了更好的消除50Hz工频干扰，系统以50Hz的数据输出率对数据进行下抽取，抽样比为2048。中断程序中的数字处理包括如下步骤：(1) 将脉冲载波的高电平时段的数据累加2048/（2*64）16次；(2) 将脉冲载波低电平时段的数据累加2048/（2*64）16次；(3) 用步骤(1)中的数据减去步骤(2)中的数据，便得到了解调后以50H

53、z的数据输出率输出的一个数据点。经过上述对信号的解调，有效去除背景光、杂散光的干扰。程序同时实现了过采样算法中的滤波和下抽取。脉率计算程序包括如下步骤：将得到的数据以双字节存入单片机AT89C2051的数据存储器RAM中。从0000H 开始，在60个样本数据中寻找最大值，并确定其位置即波峰位置，之后寻找紧挨着它的第二个波峰，采用软件计数器计算两者间的距离即其点数，然后按照脉率计算公式：脉率采样频率/相邻两波峰×60 50×60/相邻两波峰，计算出脉率，并将其存储。当脉搏检测系统与中央监测系统或计算机进行实时数据传输时，通过设置定时器T3的控制寄存器T3CON为#86H，T3

54、FD为08H，得到9600的串口串列传输速率。ADuC841发送握手信号与系统机建立通信，当握手成功后，系统开中断并将转换处理后的数据送交系统应用程序进行处理24。第5章 软件仿真与系统实物确定方案以后，为了让实物尽量达到预期的效果，在焊实物之前，采用了软件模拟仿真的办法对电路进行了调试仿真，这里用到了Protues软件将硬件总体电路进行了绘制，绘制完成的电路如图5-1所示，绘制完成后，首先利用Keil软件对编写的程序进行调试编译，在确定程序正确无误的条件下，生成单片机能识别的hex文件，将生成的hex文件烧入单片机即可对整个电路图进行仿真。仿真达到预期的效果以后，就能根据仿真电路图焊接实物。

55、图5-1Protues整体电路图5.1 Keil编译软件Keil软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一，它集编辑、编译、仿真于一体，支持汇编、PLM语言和C语言的程序设计，界面友好，易学易用。进入Keil后，屏幕如图5-2所示。几秒钟后出现编辑界面，如图5-3所示。图5-2 Keil启动界面图5-3 Keil编辑界面通过Keil编辑程序，并对程序进行运行、调试生成hex文件,其具体步骤如下：（1）新建一个工程：单击Project菜单，在弹出的下拉菜单中选择New Project选项如图5-4所示：图5-4 新建工程窗口（2）将新建工程保存到新建文件夹中，工程命名为maibo，在弹出的对话框中选

56、择单片机型号为AT89C2051，点击确定按钮，Keil界面如图5-5所示：图5-5 工程建立完成界面（3）点击file，在file菜单下选择new，建立一个新的文档窗口，先保存一个空白文件，在菜单上的file的下拉菜单中选中Save as选项单击，将空白文件保存到新建文件夹中命名为maibo.c点击保存按钮，回到编辑界面后，单击Target 1前得+号，然后再Source Group1上点击右键，在弹出的下拉菜单中点击Add File to Group 'Source Group1'在弹出的窗口中找到新建文件夹，选中maibo.c，点击Add按钮，在出现的界面中输入程序。输入程序界面如图5-6和5-7所示：图5-6 程序编辑界面图5-7 输入程序之后的