脉搏测试仪设计报告

1、脉搏测试仪设计报告摘要：本系统以ST12C5A60S2单片机为核心，利用红外线发射二极管和接收二极管作为信号检测传感器，通过LM324信号放大电路，最终使用四位一体数码管作为显示器件。系统利用红外对管将人体心脏跳动使血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生的变化，红外接收二极管的电流也跟着改变，导致红外发射管输出脉冲信号，经过由LM324构成的放大电路将脉冲信号放大整形，传送至单片机进行信号计算处理，最后将数据结果送到数码管进行显示。由此来对人体心率的数据进行测量。关键词：ST12C5A60S2、红外线发射二极管、接收二极管、LM324、MY3641AHAbstract：The system

2、 is based on the ST12C5A60S2 single-chip microcomputer as the core, with the infrared emitting diode and receive diode as sensor, signal amplifier circuit with LM324 as the core device, with 2MY3641AH four in one as a digital control display device. Through infrared to control the human beating hear

3、t vascular blood saturation degree of change will cause the light intensity changes, the infrared receiving diode current also change, resulting in the infrared emission tube output pulse signal, after which is composed of LM3243stage amplifying circuit amplifies the pulse signal is transmitted to t

4、he single chip microcomputer, signal processing, finally the data sent to the digital tube display. According to the data measured on human heart rate.Key words: ST12C5A60S2, infrared emitting diode, receiving diode, LM324, MY3641AH目 录引言：1. 设计目标2. 设计总体框图一、系统方案论证二、理论分析与计算三、电路与程序设计3.1 硬件电路设计3.1.1 控制器S

5、T12C5A60S23.1.2 信号采集电路3.1.3 信号放大、整形电路3.1.4 单片机处理电路3.1.5 数码显示电路3.2 软件程序设计3.2.1 主程序流程3.2.2 定时器中断程序流程3.2.3 INT中断程序流程3.2.4 显示程序流程四、系统测试结果分析1测试使用的仪器设备2测试方法3测试数据4测试结果分析五、心得体会六、参考资料附录1：硬件设计图引言：1. 设计目标1） 设计一个脉搏测试仪；2） 能显示30300次的脉搏跳懂次数；3） 能绘制出测试变化波形。2. 设计总体框图硬件设计原理框图如图1：光电传感器比较器和振荡器数码显示电路信号放大器单片机ST12C5A60S2外部

6、晶振图1 .脉搏测试仪的硬件原理框图一、 系统方案论证方案一：由光电传感器采集脉搏信号，经过前置放大、滤波、单片机自带的A/D转换模块采样得到脉搏信号的数据并存入存储器中；单片机对所得的数据进行数字信号处理并计算出心率值，结果送显示模块和存储器中。方案二：由压电陶瓷片、三个2输入与或门CD4070组成四倍频器、555集成定时器、十进制集成块74160N三片、七段数码管(DCH-HEX）组成。， 74160N与它配套使用可直接驱动显示。方案三：通过红外对管将人体心脏跳动使血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生的变化，红外接收二极管的电流也跟着改变，导致红外发射管输出脉冲信号，经过由LM324

7、构成的放大电路将脉冲信号放大整形，传送至单片机进行信号计算处理，最后将数据结果送到数码管进行显示。根据题目要求及电路复杂程度，我们选择了方案三。二、 理论分析与计算本系统需要5个电路模块组成，分别是信号采集模块、信号放大整形模块、单片机核心电路模块、显示模块。以ST12C5A60S2单片机为核心，以红外线发射二极管和接收二极管作为传感器，以LM324作为信号放大电路的核心器件，以1个MY3641AH四位一体数码管作为显示器件。通过红外对管将人体心脏跳动使血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生的变化，红外接收二极管的电流也跟着改变，导致红外发射管输出脉冲信号，经过由LM324构成的放大电路将

8、脉冲信号放大整形，传送至ST12C5A60S2单片机进行信号计算处理，最后将数据结果送到数码管进行显示。由此来对人体心率的数据进行测量。三、 硬件电路与程序设计3.1 硬件电路设计3.1.1控制器ST12C5A60S23.1.2信号采集电路根据朗伯比尔定律，物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。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的结构特征。脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生，在人体之间组织中的动脉成分含量高，而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄，透过手指后检测到的光强相对较大，因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人

9、体的指尖。手指组织可分为皮肤、肌肉、骨骼等非学业组织，其中非学业组织的光吸收量是恒定的，而在血液中，静脉血的搏动相对动脉血是十分微弱的，可以忽略。因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的，那么在恒定的波长的光源照射下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号。图3.1.2是脉搏信号的采样电路，U3是红外发射和接受装置，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组织的选取要求较高。R21选择270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。

10、反之，当R21过小，通过的电流偏大，红外接收三极管也不能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U2B输入端而造成错误指示，用C8，C9串联组成的双极性耦合电容把他隔断。当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一时无脉期i。虽然手指遮挡了红外发射二极管发着的红外光，但是由于红外接收三极管中存在暗流，会造成输出电压略低。而是有脉期。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，当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0.78Hz,200次/分钟时也只有3.3Hz，因此信号首先经R22、C

11、10滤波滤除高频干扰，再由耦合电容C8、C9加到线性放大输入端。图3.1.2 脉搏信号的采样电路3.1.3信号放大整形电路本放大电路采用LM324芯片，LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，他的内部包含四组是完全相同的运算放大器，除电源公用外，四组运放相互独立。每组运算刚大气可用图3.1.3（1）所示的符号来表示，他有5个引出脚，其中“+”“-”为两个信号输入端，“V+”“V-”为正负电源端，“Vo”为输出端。连个信号输入端中，Vi+为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端点的相位相同。LM324的引脚排列可见图3.1.3（2） 图3.1.3（1） 图3.1.3（2

12、）按题目要求来设计低通放大器 ，如图3.1.3（3）所示，截止频率由R4、C2决定，运放U2B将信号放大，放大倍数由R3和R4的比值决定。图3.1.3（3）低通放大电路根据一阶有缘滤波电路的传递函数，可得：Gain of each stage = 1 + Rf / Ri = 1 + 510K / 5.1K = 101Cut off Frequency = 1 / 2RfCf = 3.16Hz3.1.4单片机处理电路运用了单片机作为核心元件，在这里运用单片机能更快更准确的对数据进行运算，而且可以根据实际情况编程，所用外围元件少，轻巧省电，故障率低。3.1.5数码显示电路本设计的现实采用LED数码

13、管动态扫描来显示。两个4位一体的共阳极LED数码管组成8位显示，其中0、1两位显示测量中的时间，3、4两位显示测量中的脉搏次数，6、7位用来显示上次测量的数据局。单片机P0扣控制显示自行，P2扣控制显示字位3.2 软件程序设计3.2.1主程序流程系统主程序控制单片机系统按预定的方法运行，它是单片机系统程序的框架。系统上电后，对系统进行初始化。初始化程序主要完成对单片机内专用寄存器、定时器工作方式及各端口的工作状态的设定。系统初始化后，进行定时器中断、外部中断、显示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序。3.2.2定时器中断程序流程定时器中断服务程序由一分钟计时、按键检测、有无测试信号判断等布恩

14、组成。当定时器中断开始执行后，对一分钟开始计时，1秒计时到之后继续检测下一秒，知道60秒到了再停止并保存测得的的脉搏次数。同时可以对按键进行检测，只要复位测试值就可以重新开始测试。主要完成一分钟的定时功能和保存测得的脉搏次数。3.2.3 INT中断程序流程 外部中断服务成寻完成对外部信号的测量和计算。外部中断采用边沿触发的方式，当处于测量状态时候，来一个脉冲脉搏次数就加一，由单片机内部定时器控制一分钟，累加得出一分钟内的脉搏次数。3.2.4显示程序流程显示程序包括显示上次的脉搏次数，本次测量中的时间和脉搏的次数。从中断程序中虚的结果后，先显示上次的脉搏次数，经过10ms的延时后再显示测试中的脉

15、搏次数，在经过10ms的延时显示测试中的时间。四、 系统测试结果分析1.测试使用的仪器设备设备名称设备型号设备数量备注示波器GDS-16021信号发生器2毫伏表1直流稳压电源1万用表UNI-UT39A12.测试方法通过直流稳压电源给整个电路供电，并利用示波器检测红外传感检测信号；经过电路本身运放放大电路，再次利用示波器检测最终放大信号。3.测试数据输入信号：1.3Hz输入电压：10mV输出电压1.25V3.05V1.53V3.07V1.58V3.13V1.21V3.02V1.24V3.43V数码管显示脉搏次数79次输入信号：1.8Hz输入电压：10mV输出电压1.43V3.01V1.22V3.

16、31V1.18V3.58V1.22V3.42V1.47V3.61V数码管脉搏显示次数109次4.测试结果分析本系统组装完成，测试没有达标。经测试分析，红外传感器所采集信号没有达到初步预测结果。后利用信号发生器在信号输入端输入不同频率，10mV以上信号，结果在输出端显示较理想波形，在数码管上显示出合理脉搏数。五、 心得体会本次设计我们主要运用了51单片机实现了对脉搏的测量。由光电传感器采集到脉冲信号，经过信号的放大，滤波和整形电路将输出的信号通过单片机的外部中断获取并最终在数码管上显示。利用大年纪自身的定时中断，外部中断、计数等功能，不仅能显示出此脉搏测量的次数，还能自动储存这个数据。我们这次设

17、计的测量仪系统实现简单、功能稳定 、使用方便、应用广泛，具有实际意义。这次的设计使我受益匪浅。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。我觉得以后更要加强这方面的设计，提高自己的能力.我觉得自己的动手能力有了很大的提高;自信心也增强了.在课程设计中自己动脑子解决遇到的问题，书本上的知识有了用武之地，这巩固和深化了自己的知识结构。这次实习恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路定位的再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。可以说，本次设计有苦也有甜。 设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。因此我们应该在设计前做好充分的准备。我们要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。 留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，要有坚持的毅力。我们会继续努力，争取在以后的项目中做的更好。六、 参考资料1 欧阳俊，谢定等基于BL-410 的指端脉搏波采集系统应用研究J实用预防医学，2004，第11卷第2期，242 韩文波，曹维国，张精慧光电式脉搏波监测系统J长春光学精密机械学院学报，199