光电传感器的脉搏信息检测系统设计

基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计PAGEPAGE19目录TOC\o"1-3"\h\u1绪论 1.1设计目的 1.2基本要求 2设计思路 3设计方框图 4各部分电路设计 4.1.1脉搏信号的检测 4.1.2信号处理电路 4.2.软件系统的设计 4.2.1计数部分处理 4.2.2显示电路的处理 4.2.4显示模块 4.2.5复位电路 4.2.6时钟电路 4.2.7最小系统电源 5工作过程分析 5.1光电感应过程 5.2调试放大过程 5.3计数显示过程 6元器件清单 7主要元器件介绍 7.1单片机C8051简介 7.2CD405A译码器 7.2LED显示器简介 8软件流程图 小结 致谢 参考文献 附录A1逻辑电路图一 附录A2逻辑电路图二 1绪论1设计主要内容及要求1.1设计目的：（1）了解脉搏检测相关背景知识以及电工电子学、单片机、传感器等相关技术。

（2）初步掌握常用脉搏检测方法的特点和应用场合，并选择恰当方法应用于本设计。

（3）通过学习，具体掌握所选择脉搏测量传感器的使用特点、测量电路和使用方法。1.2基本要求（1）要求设计相关的硬件电路，选择合适的传感器、MCU和显示系统。（2）设计恰当的测量电路，包括信号的放大、滤波及抗干扰设计等。（3）设计异常心跳的报警电路。2设计思路该装置是根据手指毛细血管的血容量随心脏搏动而改变这一生理特点，利用光电转换原理以及单片机计数测量原理完成对心率次数的测量。测量脉搏的装置是以脉冲跳动间隔时间为基准的倒计数方式，从而保证在几秒钟内得到精确的每分钟脉冲次数，并提高了快速测量的准确性。该系统采用光电传感器进行测量，在传感器两端加上一定的工作电压，则其输出电压随着光照强度的变化而变化，产生电压信号。该信号经过滤波处理后，再由运放转将信号放大，然后送入单片机进行处理。在进行处理前，信号将要分为两路，一路经波形变换后得脉冲信号，送单片机进行对电压信号的测频处理，并计算1min内脉搏跳动的次数；另一路经A/D转换后送到单片机处理系统进行波形测量与显示。单片机把传感器采集的数据经过译码器显示在液晶屏上，同时当测得脉搏跳动次数超于规定脉搏跳动次数范围时，电路将自动进入中断，发光二极管闪烁，蜂鸣器报警。键盘控制器用于功能选择。系统的测频利用软件进行精度的调整，节省了资源。3设计方框图传感器传感器A/D转换单片机处理系统波形转换低通滤波放大器A/D转换单片机处理系统波形转换低通滤波放大器显示器键盘控制显示器键盘控制4各部分电路设计4.1.硬件系统的设计图4.1硬件数字前置电路设计图4.1．1.脉搏信号的检测硬件电路中，关键部分在于脉搏信号的检测。系统采用红色发光二极管和硫化镉光敏电阻组成投射遮光指套式光电传感器发光二极管稳定性好，遮光指套式的装置式的装置减少了外界光的干扰，只需要将待测手指插入，便可以进行测量。测试时，被测手指正好处在光敏二极管和光敏电阻之间，这样一来，光敏电阻的阻值便将随着手指的血容量的变换而变化。4.1．2.信号处理电路图4.1中，＋5V电源经限流电阻R1点亮红色发光二极管LED，同时＋5V电源经R2为光敏电阻RL提供电压，使传感器工作在准备状态。当手指插入传感器时，RL的阻值便将随着手指的血流量的变化而变化，从而导致RL两端电压的变化，该电压由10uF电容耦合送至滤波放大电路进行处理，滤波电路采用压控电压源型低通滤波器完成。压控电压源型低通滤波器为同相滤波器，使用元件少，比较容易调整，传递函数为：其中，根据脉搏信号的特点，选择根据频率fc(根据系统设计fc=10HZ)，选择R6=R7=50kΩ,R9=R10=100kΩ则计算得到，由于脉搏信号非常微弱，系统对脉搏信号进行两次放大，放大倍数共10000倍，放大后得到的脉搏信号达到了V级，约1到3V。由于系统既要测量脉搏跳动的次数，又要完成次数显示功能。所以此时信号分为两路，一路送A/D传感器进行脉搏的测量，另一路进行波形的转换，将脉波信号转换为脉冲信号。每个人脉搏跳动的强弱不同，血容量也有所不同，所测得的脉搏信号的精度也有所不同，所以不能采用一般的电压比较器来完成波形变换这一功能，应采用峰值比较电路来完成，这一方法，有效解决了脉压峰值检测难题。4.2软件系统的设计图4.2软件系统设计图软件系统不仅要完成各部分硬件的控制和协调，同时还要完成对脉搏的计数以及显示功能。总体框图如图所示。前置电路外部晶振前置电路外部晶振单片机单片机译码器显示器报警4.2.1计数部分处理首先将由前置电路产生的脉冲信号输入到单片机中，使其在单片机中进行自动的程序分析。其次，我们在单片机输入端也接入了外部晶体振荡器，目的是使其产生基准频率，从而保证在几秒钟内得到精确的每分钟脉搏次数，并提高了快速测量的准确性。另外，为了实现异常心跳报警电路的功能，单片机程序中会加入中断判断语句或者判断子程序，当收到的脉冲信号超出正常范围时，与单片机相连的报警喇叭就会想响起。报警低限脉搏为40次/分，高限脉搏脉搏为200次/分。正常脉搏次数应在此范围之间。4.2.2显示电路的处理显示电路中主要应用了译码器和数码管。译码显示电路的连接如图4.2所示首先，我们要了解显示译码器的作用。我们应用的是，CD405A显示译码器，CD405A是将8421BCD码经过译码后以十进制数实现的装置。译码就是把给定的代码进行翻译，变成相应的状态，用于驱动LED七段数码管，只要在它的输入端输入8421码，七段数码管就能显示十进制数字。选用的译码器为CD405A，输出高电平有效，接共阴极七段显示器。在此次设计中，我们用到了3个LED七段数码管，分别显示计数结果的个位、十位、百位。当脉冲信号经过单片机计数得出结果后，如果输出小于10则只在一个显示器里显示结果，另两个没有输出；如果得数大于等于10，且小于100则在两个显示器里显示计数结果；若计数结果大于100，则三个显示器都将显示数据。5工作过程分析5.1光电感应过程光电感应主要是由光电指套式传感器实现的，LED发出的光线通过人手指照射在光敏三极管VT的感光窗口上，随着微血管脉压波动的变化，其透光度也随其变化，这样光敏三极管的电流也发生波动性变化，这样的话也就完成了将光电效应转换为电压信号，完成了第一步工作过程。5.2调试放大过程电压信号进入放大电路中后，由于信号微弱，首先要进行初步放大，放大倍数较小，其次要经过低通滤波器滤波，剔除杂余信号，经过此阶段后，再将信号输入第二级放大器，将信号放大到足够倍数，最后信号将进入最后一级放大器，将前几阶段得到的正弦波信号转化为方波信号，形成脉冲输入到单片机中。5.3计数显示过程信号输入单片机中后，在单片机的另一输入口将输入由外部晶体振荡器产生的基准频率，被测脉冲信号与基准信号进行比较后，产生计数；在单片机程序中，将开启报警子程序或者报警中断，使脉搏次数在规定范围内才能显示出来。单片机将通过译码器编译显示在LED七段数码管上，达到计数显示的功能。6元器件清单名称型号数量电阻50k2电阻100k4电阻1M2电阻8.2M1电阻10k5电阻1k1电容1uF1电容0.1uF1电容10uf1电容3uF1电容2.2uF1电容33uf1红外接收二极管BPW831红外发射二极管IR3331发光二极管1运算放大器LM3584译码管CD405A3蜂鸣器1单片机C8051f0201数码管37主要元器件介绍7.1单片机C8051简介C8051F020单片机是Cygnal公司生产的，它是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)。采用全速、非侵入式在系统调试接口，提供C编译调试环境，可以大大提高产品开发速度和效率。我们使用的C8051单片机是目前各大高校及市场上应用最广泛的单片机型.其内部包含:一个8位的CPU;4K的程序存储空间ROM;128字节的RAM数据存储器;两个16位的定时/计数器;可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器空间的控制电路;32条可编程的I/O线;具有两个优先级嵌套的中断结构的5个中断源。其引脚图如下图7-3。图7-1C8051引脚图7.2CD405A译码器74HC4511译码器将四位的BCD码转换成数码管能识别的8位数据，图7.1是该器件的引脚图。其中D0~D3就是BCD码的输入端，3端和4端是灯亮和灯灭的测试端口，在使用时须接高电平，5端接地，Vcc端接高电平，Qa~Qf是数据输出端。图7.2CD405A引脚图7.3LED显示器简介LED数码管分共阳极与共阴极两种，其工作特点是，当笔段电极接低电平，公共阳极接高电平时，相应笔段可以发光。共阴极LED数码管则与之相反，它是将发光二极管的阴极(负极)短接后作为公共阴极。当驱动信号为高电平、Ө端接低电平时，才能发光。LED的输出光谱决定其发光颜色以及光辐射纯度，也反映出半导体材料的特性。常见管芯材料有磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)、磷砷化镓(GaAsP)、氮化镓(GaN)等，其中氮化镓可发蓝光。发光颜色不仅与管芯材料有关，还与所掺杂质有关，因此用同一种管芯材料可以制成发出红、橙、黄、绿等不同颜色的数码管。其他颜色LED数码管的光谱曲线形状与之相似，仅入，值不同。LED数码管的产品中，以发红光、绿光的居多、这两种颜色也比较醒目。LED数码管等效于多只具有发光性能的PN结。当PN结导通时，依靠少数载流子的注人及随后的复合而辐射发光，其伏安特性与普通二极管相似。在正向导通之前，正向电流近似于零，笔段不发光。当电压超过开启电压时，电流就急剧上升，笔段发光。因此，LED数码管属于电流控制型器件，其发光亮度L与正向电流IF有关，用公式表示：L=KIF即亮度与正向电流成正比。LED的正向电压U，则与正向电流以及管芯材料有关。使用LED数码管时，工作电流一般选10mA左右／段，既保证亮度适中，又不会损坏器件。图7-3LED显示器引脚图8软件流程图开始开始关看门狗关看门狗液晶片显示液晶片显示计数器初始化计数器初始化蜂鸣报警检测脉搏测得脉搏﹤蜂鸣报警检测脉搏测得脉搏﹤40次＞200次结束NNY液晶显示小结通过为期两周的课程设计的锻炼，我深刻体会到自己知识的匮乏，也深深的感觉到自己对所学知识了解得是多么肤浅。曾经在课堂上所学的东西只是一个表面性的，理论性的，而且是理想化的，根本不能够解决在现实中所存在的需要我们在未来解决的很多问题。因此，在学习过程中，我们应注意理论知识与实际应用之间的相互联系。光电传感器的脉搏信息检测系统是传感器技术的一种综合应用，是采用光电传感器进行对信号的采集，并经过数字电路的处理实现脉搏信号到脉冲信号的转换，并由单片机进行计数显示的装置。由于使用单片机作为中央控制器和计算器件，所以系统电路简单，设计方便，基本完成了脉搏次数的计数与显示。通过本次设计，了解了光电传感器的基本原理，同时也很好的掌握了编码器、放大器、显示译码器等数字系统的实现方法。在设计的过程中，融入了自己的创新想法，增加了设计的兴趣。在这充实的一周中，我们也深深地感受到各组员之间彼此团结互助的精神，每个人都为了自己的小组一点点努力着，尽管避免不了失败和摩擦，但我们仍然互相打气，为了设计成果献上各自的一份力量。通过这次对脉搏信息检测系统的设计与制作，更进一步地熟悉了放大电路的工作原理和其具体的使用方法。虽然设计时间很紧迫，但在设计的过程中我们还是学到不少东西的，由于有些芯片我们根本没有学过，我们在查找这些资料的过程中就学到了很多东西，有些芯片本来我们不懂的，但是经过查资料我们还是对那些不懂的芯片有了一定的了解。能有这样的一次学习机会，我感到十分的幸运，看到了自己一周以来的成果，我也感到十分欣慰，在未来的学习生活中，我会吸取这次学习经验，争取取得更出色的成绩！致谢寒假之后，我们又开始了为期两周的实训，短短一周，有太多汗水，太多耕耘，也有太多欣慰，太多感动，我们每个人都在为自己的任务尽着自己最大的努力，也在丝毫不保留的赠与给彼此最贴心的帮助和温暖。首先还是要感谢我们的传感器课讲师——祝尚臻老师。新学期开始，每个人并不是很习惯课程中的忙碌，不免会陷入忙碌和慌乱。我们还要