電子脈搏計(jì)設(shè)計(jì)論文

1、 . PAGE33 / NUMPAGES38畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū)論文題目電子脈搏計(jì)設(shè)計(jì)院部自動(dòng)化工程學(xué)院專業(yè)自動(dòng)化班級(jí)自動(dòng)化本科02班畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的要求1、要求用十進(jìn)制數(shù)顯示被測(cè)人體脈搏每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)，測(cè)量圍30160次/min；2、要求在短時(shí)間（5s、15s）測(cè)出脈搏數(shù)/每分鐘；3、測(cè)量圍要求在4次/min以；4、要求鎖定每分鐘脈搏數(shù)，將測(cè)量結(jié)果通過(guò)數(shù)碼管出來(lái)。畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的容與技術(shù)參數(shù)利用紅外線檢測(cè)由于心臟跳動(dòng)而引起的手指尖微血管容積發(fā)生的變化，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、調(diào)理、整形輸出同步于脈搏跳動(dòng)的脈沖信號(hào)，從而計(jì)算出脈率。脈搏測(cè)試儀的核心是要對(duì)低頻信號(hào)在固定的短時(shí)間計(jì)數(shù)，最后以數(shù)字形式

2、顯示出來(lái)。可見(jiàn)，脈搏測(cè)試儀的主要組成部分是計(jì)數(shù)器和數(shù)字顯示器。為了節(jié)省時(shí)間，一般不會(huì)作1分鐘的測(cè)量，通常是測(cè)量10秒鐘時(shí)間心跳的數(shù)，再把結(jié)果乘以6即得到每分鐘的心跳數(shù)，即使這樣做還是比較費(fèi)時(shí)，而且精度也不高。本文介紹一種用單片機(jī)制作的脈搏測(cè)量?jī)x，只要人把手指放在傳感器2秒鐘就可以精確測(cè)量出每分鐘脈搏數(shù)。畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）工作計(jì)劃1、2011.112011.12參考國(guó)文獻(xiàn)，了解課題研究的背景、意義以與發(fā)展現(xiàn)狀，撰寫開(kāi)題報(bào)告。2、2011.122012.1設(shè)計(jì)電路框圖、原理圖、選擇元件參數(shù)。3、2012.022012.03完成電路的組裝與調(diào)試，撰寫電子版畢業(yè)論文。4、2012.04整理畢業(yè)論文資料。

3、 5、2012.04準(zhǔn)備答辯。接受任務(wù)日期年月日 要求完成日期年月日學(xué)生(簽名) 年月日指導(dǎo)教師(簽名) 年月日院長(zhǎng)(主任)(簽名) 年月日摘要對(duì)于醫(yī)院的危重病人，或者在其他一些特殊場(chǎng)合，需對(duì)人的脈搏進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，本課題即針對(duì)這一需求，設(shè)計(jì)一臺(tái)簡(jiǎn)易的脈搏檢測(cè)儀。本課題應(yīng)用紅外脈搏傳感器，利用紅外線檢測(cè)由于心臟跳動(dòng)而引起的手指尖微血管容積發(fā)生的變化，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、調(diào)理、整形輸出同步于脈搏跳動(dòng)的脈沖信號(hào)，從而計(jì)算出脈率。血液容積脈搏血流中包含有心搏功能、血液流動(dòng)等諸多心血管系統(tǒng)的重要生理信息，同時(shí)容積脈搏血流主要存在于外周血管中的微動(dòng)脈毛細(xì)血管等微血管中，所以容積脈搏血流同樣包含有豐富的微循環(huán)生理

4、病理信息，是我們研究人體循環(huán)系統(tǒng)重要的信息來(lái)源。紅外脈搏波采集操作簡(jiǎn)便性能穩(wěn)定具有無(wú)創(chuàng)傷和適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)因而受到國(guó)外醫(yī)學(xué)界的普遍重視。關(guān)鍵詞：紅外脈搏傳感器；脈率；脈沖信號(hào)AbstractFor hospital critically ill patients, or in some other special occasions, and heart rate for continuous detection, this topic is aimed at this requirements, design a simple heart rate detector. This topic

5、 application HKG-series infrared pulse transducer, using infrared detection because the beating of the heart and cause the tips of your fingers microvascular volume in the changes of, after amplification, regulate, plastic output in the pulse of synchronous pulse signal, so as to calculate MaiLv. Bl

6、ood volume blood contains intentional pulse cardiac function, blood flow, and many other cardiovascular system important physiological information, and at the same time volume pulse blood flow mainly exists in the peripheral artery of the capillary, etc in capillaries, so volume contains rich same p

7、ulse blood flow of microcirculation physiological pathology information, is our human circulatory important source of information. Infrared pulse wave acquisition simple operation performance stability has no wound and strong adaptability, and many other advantages and is paid attention to the medic

8、al profession at home and abroadKeyword: Infrared pulse transducer,Pulse rate ,pulse signal目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc3230479701 緒論 PAGEREF _Toc323047970 h 1HYPERLINK l _Toc3230479711.1 人體脈搏研究的背景和意義 PAGEREF _Toc323047971 h 1HYPERLINK l _Toc3230479721.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc323047972 h 2HYPERLI

9、NK l _Toc3230479731.3 論文結(jié)構(gòu)安排 PAGEREF _Toc323047973 h 3HYPERLINK l _Toc3230479742 方案原理與設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc323047974 h 4HYPERLINK l _Toc3230479752.1 方案原理介紹與論證 PAGEREF _Toc323047975 h 4HYPERLINK l _Toc3230479762.2 方案與傳感器的選擇 PAGEREF _Toc323047976 h 5HYPERLINK l _Toc3230479772.2.1 方案論證 PAGEREF _Toc323047977

10、h 5HYPERLINK l _Toc3230479782.2.2 方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc323047978 h 6HYPERLINK l _Toc3230479792.2.3 方案驗(yàn)證 PAGEREF _Toc323047979 h 6HYPERLINK l _Toc3230479802.2.4 總體方案介紹 PAGEREF _Toc323047980 h 6HYPERLINK l _Toc3230479813 系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ) PAGEREF _Toc323047981 h 8HYPERLINK l _Toc3230479823.1 AT89C2051主要性能 PAGEREF _T

11、oc323047982 h 8HYPERLINK l _Toc3230479833.2 AT89C2051的結(jié)構(gòu)框圖 PAGEREF _Toc323047983 h 8HYPERLINK l _Toc3230479843.3 AT89C2051的引腳說(shuō)明 PAGEREF _Toc323047984 h 9HYPERLINK l _Toc3230479853.4 復(fù)位電路 PAGEREF _Toc323047985 h 10HYPERLINK l _Toc3230479863.5 振蕩電路 PAGEREF _Toc323047986 h 10HYPERLINK l _Toc3230479873.

12、6 AT89C2051的優(yōu)點(diǎn) PAGEREF _Toc323047987 h 11HYPERLINK l _Toc3230479883.7 光電式脈搏傳感器原理 PAGEREF _Toc323047988 h 11HYPERLINK l _Toc3230479894 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc323047989 h 13HYPERLINK l _Toc3230479904.1 脈搏波檢測(cè)電路 PAGEREF _Toc323047990 h 13HYPERLINK l _Toc3230479914.2 脈搏信號(hào)拾取電路 PAGEREF _Toc323047991 h 13HYPERL

13、INK l _Toc3230479924.3 信號(hào)放大電路 PAGEREF _Toc323047992 h 14HYPERLINK l _Toc3230479934.4 二級(jí)放大電路和比較電路 PAGEREF _Toc323047993 h 15HYPERLINK l _Toc3230479944.5 波形整形部分 PAGEREF _Toc323047994 h 16HYPERLINK l _Toc3230479954.6 顯示器設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc323047995 h 17HYPERLINK l _Toc3230479964.7 整體電路 PAGEREF _Toc32304799

14、6 h 18HYPERLINK l _Toc3230479975 軟件分析 PAGEREF _Toc323047997 h 19HYPERLINK l _Toc3230479985.1 主程序流程圖 PAGEREF _Toc323047998 h 19HYPERLINK l _Toc3230479995.2 T1中斷服務(wù)程序 PAGEREF _Toc323047999 h 20HYPERLINK l _Toc3230480005.3 中斷服務(wù)子程序 PAGEREF _Toc323048000 h 21HYPERLINK l _Toc3230480016 總結(jié) PAGEREF _Toc32304

15、8001 h 23HYPERLINK l _Toc323048002致 PAGEREF _Toc323048002 h 24HYPERLINK l _Toc323048003參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc323048003 h 25HYPERLINK l _Toc323048004附錄A PAGEREF _Toc323048004 h 26HYPERLINK l _Toc323048005附錄B PAGEREF _Toc323048005 h 271 緒論1.1人體脈搏研究的背景和意義脈搏是由心臟搏動(dòng)而引起, 經(jīng)動(dòng)脈和血流傳至遠(yuǎn)端的橈動(dòng)脈處, 它攜帶有豐富的人體健康狀況信息。早在公元前7世

16、紀(jì)脈診就成為中醫(yī)的一項(xiàng)獨(dú)特診病方法。但自古以來(lái)中醫(yī)獨(dú)特的診斷方法與治病的療效總是籠罩著一層神秘的面紗。中醫(yī)一直是靠手指獲取脈搏信息, 這難免存在許多主觀臆斷因素, 況且這種用手指切脈的技巧很難掌握,因此人們迫切期望盡早實(shí)現(xiàn)脈診的科學(xué)化和現(xiàn)代化。隨著傳感器技術(shù)與計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的發(fā)展，人們希望能夠?qū)F(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用于中醫(yī)脈象診斷，以便更科學(xué)、更客觀地揭示脈象的實(shí)質(zhì)與特征。另一方面從西醫(yī)的角度看,近年來(lái)人們也試圖根據(jù)脈搏波的變異性來(lái)評(píng)價(jià)和診斷人體心血管系統(tǒng)的病變,以便能找到一個(gè)有效的心血管疾病早期無(wú)創(chuàng)診斷的方法。因此,對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行無(wú)失真的檢測(cè)、采集和處理是一項(xiàng)重要而很有意義的基礎(chǔ)工作,它是對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)

17、一步分析并依此對(duì)心臟與動(dòng)脈血管系統(tǒng)疾病進(jìn)行預(yù)報(bào)和診斷的前提。本論文的研究主要是基于這方面來(lái)進(jìn)行的，利用功能強(qiáng)大的虛擬儀器LabVIEW設(shè)計(jì)出脈搏的采集與分析系統(tǒng)，從客觀、物理的角度來(lái)詮釋人體脈搏系統(tǒng)。心率(Heart Rate)：用來(lái)描述心動(dòng)周期的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，是指心臟每分鐘跳動(dòng)的次數(shù),以第一聲音為準(zhǔn)。在正常情況下，脈率和心率是一致的。正常成年人安靜時(shí)的心率有顯著的個(gè)體差異，平均在75次/分左右(60100次/分之間)。初生兒的心率很快，可達(dá)130次/分以上。在成年人中，女性的心率一般比男性稍快。健康成人的心率為60100次/分，大多數(shù)為6080次/分，女性稍快；3歲以下的小兒常在100次/分以上

18、；老年人偏慢。成人每分鐘心率超過(guò)100次（一般不超過(guò) 160次/分）或嬰幼兒超過(guò) 150次/分者，稱為竇性心動(dòng)過(guò)速。如果心率在 160220次/分，常稱為陣發(fā)性心動(dòng)過(guò)速。心率低于60次/分者（一般在40次/分以上），稱為竇性心動(dòng)過(guò)緩。如心率低于40次/分，應(yīng)考慮有房室傳導(dǎo)阻滯。心率過(guò)快超過(guò)160次/分，或低于40次/分，大多見(jiàn)于心臟病病人，病人常有心悸、胸悶、心前區(qū)不適，應(yīng)與早進(jìn)行詳細(xì)檢查，以便針對(duì)病因進(jìn)行治療。對(duì)某些陣發(fā)性心率過(guò)速或過(guò)緩，往往在就醫(yī)時(shí)測(cè)試出心率正常，以至使醫(yī)生無(wú)法確診，所以我們?cè)O(shè)計(jì)出這種可以隨時(shí)進(jìn)行心率測(cè)量的心率計(jì)，不僅可以隨時(shí)地監(jiān)測(cè)一個(gè)人的健康狀況，而且為醫(yī)生對(duì)這種病癥的確

19、診提供證據(jù)。人體心室周期性的收縮和舒導(dǎo)致主動(dòng)脈的收縮和舒,使血流壓力以波的形式從主動(dòng)脈根部開(kāi)始沿著整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)傳播,這種波稱為脈搏波。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息,很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征。 傳統(tǒng)的脈搏測(cè)量采用脈診方式,中醫(yī)脈象診斷技術(shù)就是脈搏測(cè)量在中醫(yī)上卓有成效的應(yīng)用,但是受人為的影響因素較大,測(cè)量精度不高。無(wú)創(chuàng)測(cè)量（NoninvasiveMeas2urements）又稱非侵入式測(cè)量或間接測(cè)量,其重要特征是測(cè)量的探測(cè)部分不侵入機(jī)體,不造成機(jī)體創(chuàng)傷,通常在體外,尤其是在體表間接測(cè)量人體的生理和生化參數(shù)。 生物醫(yī)學(xué)傳感器獲取生物信息并將其轉(zhuǎn)

20、換成易于測(cè)量和處理信號(hào)的一個(gè)關(guān)鍵器件。光電式脈搏傳感器是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器,通過(guò)對(duì)手指末端透光度的監(jiān)測(cè),間接檢測(cè)出脈搏信號(hào)。光電式脈搏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)損傷、可重復(fù)好等優(yōu)點(diǎn),本文討論的就是基于光電式脈搏傳感器的設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)。1.2國(guó)外研究現(xiàn)狀脈搏系統(tǒng)和脈搏信息的研究包括兩大方面: 一是理論分析與計(jì)算(即建模方面)；二是信號(hào)檢測(cè)與分析。從發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看, 國(guó)外在前一方面做了大量的研究, 也早于國(guó)學(xué)者; 而國(guó)在后一方面的研究多于國(guó)外。對(duì)脈搏信號(hào)的分析主要包括以下方面:（1）脈搏信號(hào)檢測(cè)與提取用脈搏記錄儀器描繪脈搏波圖像已有百余年的歷史。1860年法國(guó)人研制了杠桿脈搏描記器，成為現(xiàn)

21、代脈象描記的基礎(chǔ)。脈象儀的總體構(gòu)成包括脈象信號(hào)檢測(cè)，信號(hào)預(yù)處理和信號(hào)分析三個(gè)環(huán)節(jié)。我國(guó)醫(yī)務(wù)界約從50年代初就開(kāi)始了用西方傳來(lái)的脈搏描記技術(shù)，使脈象圖形化。近十多年來(lái)，已經(jīng)研制出了許多性能各異的脈象儀，各類脈搏描記器最關(guān)鍵和差異較大的部分就是脈象傳感器的研制。從測(cè)量原理上講，脈象傳感器可分為機(jī)械式、壓電式、光電容式等多種。（2）脈搏信號(hào)處理與特征提取目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)的關(guān)鍵是提取信號(hào)的特征。在實(shí)際中,目標(biāo)信號(hào)總是淹沒(méi)在大量的雜波或干擾中,而且目標(biāo)信號(hào)的幅值或功率較雜波或干擾信號(hào)可能還低得多,這就需要進(jìn)行有效的信號(hào)處理。時(shí)域分析法：目前國(guó)對(duì)脈象信號(hào)的特征提取方法,多數(shù)采用時(shí)域分析法,即在時(shí)間方向上分析波

22、動(dòng)信號(hào)的動(dòng)態(tài)特征,通過(guò)對(duì)主波、重搏前波、重搏波的高度、比值、時(shí)值、夾角、面積值的參量分析,找出某些特征與脈象變化的在聯(lián)系。時(shí)域分析法包括直觀形態(tài)法、多因素識(shí)脈法、脈象速率圖法、脈圖面積法。直觀形態(tài)法。頻域分析法：頻域分析主要是通過(guò)離散快速傅里葉變換,將時(shí)域的脈搏波曲線變換到頻域,得到相應(yīng)的脈搏頻譜曲線,通過(guò)頻譜曲線的特征分析,從中提取與人體生理病理相應(yīng)的信息,實(shí)現(xiàn)脈象分類。與時(shí)域分析不同, 脈搏信號(hào)的頻域特征可分辨性好, 因此80年代以來(lái)國(guó)外一些學(xué)者開(kāi)始在頻域?qū)γ}搏信號(hào)進(jìn)行分析, 初步取得了有意義的結(jié)果。這種從頻域和能量的角度來(lái)分析脈搏信號(hào)的思想是十分正確的。我們從能量角度研究了幾種不同疾病脈

23、搏信號(hào)的特征頻域特征和差異, 利用頻域分析的延伸技術(shù)倒譜與同態(tài)解卷,首次估計(jì)出了人體脈搏系統(tǒng)的傳遞函數(shù), 分析了脈搏系統(tǒng)的頻率特性。時(shí)頻聯(lián)合分析法：是把一維信號(hào)或系統(tǒng)表示成一個(gè)時(shí)間和頻率的二維函數(shù),時(shí)頻平面能描述出各個(gè)時(shí)刻的譜成分。常用的時(shí)頻表示方法有短時(shí)傅立葉變換和小波變換(WT) 。短時(shí)傅立葉變換(STFT)方法：是一種廣義情形,是一種線性時(shí)頻表示方法,它依賴于被分析信號(hào)的線性特性,即信號(hào)的頻譜與在數(shù)據(jù)中提供正弦成分的幅度成線性比例。其最主要的優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)、計(jì)算簡(jiǎn)潔有效,而它主要的缺陷是時(shí)間和頻率分辨率在整個(gè)時(shí)頻平面上固定不變。另外的限制是對(duì)一個(gè)特殊的信號(hào),需要一個(gè)特殊的窗才能得到最佳分

24、辨率。小波變換(WT)：是另外一種重要的線性時(shí)頻表示,它在時(shí)頻平面上具有可變的時(shí)間和頻率分辨率,把FT 中的正弦基函數(shù)修改成在整個(gè)時(shí)頻平面上具有可變時(shí)頻分辨率的基函數(shù),使得它在高頻區(qū)域能夠提供高的時(shí)間分辨率,而在低頻區(qū)域能夠提供高的頻率分辨率。小波變換這種獨(dú)特的能力使其成為分析脈搏這種非平穩(wěn)信號(hào)的有力工具。在目前已知的小波函數(shù)中,復(fù)值調(diào)制的Gaussian 函數(shù)是使用最高的小波之一。1.3 論文結(jié)構(gòu)安排本文首先對(duì)方案的選擇做了詳細(xì)的論證與設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)用到的主要核心部件是AT89C2051，為了加深對(duì)該單片機(jī)的了解，本文詳細(xì)介紹了該單片機(jī)的部結(jié)構(gòu)圖以與它的復(fù)位電路和振蕩電路。該電路為了采集脈搏波

25、信號(hào)用到了光電傳感器，并對(duì)光電傳感器的信號(hào)拾取，信號(hào)放大做了較為詳細(xì)的介紹，因?yàn)椴杉降墓怆娦盘?hào)比較弱，所以用到了二級(jí)放大，經(jīng)過(guò)二級(jí)放大后的波形經(jīng)過(guò)整形電路，將脈沖信號(hào)傳送到單片機(jī)，經(jīng)CPU的計(jì)數(shù)、比較最終將結(jié)果顯示出來(lái)。2 方案原理與設(shè)計(jì)2.1 方案原理介紹與論證正常人的脈搏次數(shù)是每分鐘6090次（嬰兒為90120次,老年人則為100150次), 這種頻率信號(hào)屬于低頻疇.因此,脈搏測(cè)試儀是用來(lái)測(cè)量低頻信號(hào)的裝置,它的基本功能要:要把人體的脈搏數(shù)(振動(dòng))轉(zhuǎn)換成電信號(hào),這就需要借助傳感器。對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)要進(jìn)行放大、濾波和整形處理，以保證后續(xù)電路能正常對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的加工和處理。脈搏測(cè)試儀要能在

26、幾秒左右測(cè)出脈搏跳動(dòng)次數(shù)，并作出是否報(bào)警的判斷。報(bào)警的上、下限與對(duì)象選擇可以通過(guò)多路開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)。總之，脈搏測(cè)試儀的核心是要對(duì)低頻信號(hào)在固定的短時(shí)間計(jì)數(shù)，最后以數(shù)字形式顯示出來(lái)。可見(jiàn)，脈搏測(cè)試儀的主要組成部分是計(jì)數(shù)器和數(shù)字顯示器。脈搏傳感器的作用是將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的點(diǎn)沖信號(hào)。脈搏傳感器是脈搏象檢測(cè)系統(tǒng)中重要的組成部分，其性能的好壞直接影響到后置電路的處理和結(jié)構(gòu)的顯示。目前典型的脈搏傳感器有以下三種：光電類、壓阻類和壓電類。在這三種目前采用最多的是壓電類傳感器，近年來(lái), 光電檢測(cè)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很快, 這主要是由于光能避開(kāi)強(qiáng)烈的電磁干擾, 具有很高的絕緣性, 且可非侵入地檢測(cè)病人各種癥狀

27、信息。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學(xué)儀器工作的專家和學(xué)者的重視。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中是利用光電式傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏信號(hào)的采樣。本設(shè)計(jì)思路為：采用傳感器，量脈搏的跳動(dòng)，出微弱的信號(hào)，入放大器中放大；后通過(guò)濾波器濾除干擾信號(hào)后，將形整形為方波或脈沖信號(hào)；后經(jīng)過(guò)倍頻器增加信號(hào)的頻率，輸入計(jì)數(shù)器中計(jì)數(shù)，時(shí)通過(guò)定時(shí)器控制計(jì)數(shù)的時(shí)間，后得出一分鐘脈搏次數(shù)即為心率。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值輸入到顯示器中顯示，同時(shí)，將其輸入到數(shù)值器中與比較器預(yù)設(shè)值即標(biāo)準(zhǔn)值作比較，若，測(cè)量值不在標(biāo)準(zhǔn)值圍則報(bào)警，即LED燈亮。本方案的整體流程圖，如下：放大器整形電路倍頻器傳感器濾波器報(bào)警比較器計(jì)數(shù)器定時(shí)器顯示器圖2-1 方案整體流程

28、圖目前典型的脈搏傳感器有以下三種：光電類、壓阻類和壓電類。在這三種當(dāng)中目前采用最多的是壓電型傳感器，而本文采用了光電傳感器，光電傳感器的研究有著更為深遠(yuǎn)的應(yīng)用，光電容積血流脈搏波描記（PPG）信號(hào)可以敏感反映末梢循環(huán)的細(xì)微變化,臨床監(jiān)測(cè)領(lǐng)域致力于研究如何通過(guò)PPG波形圖的變化調(diào)控人體神經(jīng)功能的平衡,以維持全身循環(huán)血流的生物醫(yī)學(xué)工程與臨床。本心率計(jì)采用紅外光學(xué)檢測(cè)法，摒棄了不便于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下測(cè)量脈搏的聽(tīng)診器和吸附在人體上的電極等老式測(cè)量方法。2.2 方案與傳感器的選擇2.2.1 方案論證正常人的脈搏次數(shù)是每分鐘6090次（嬰兒為90120次,老年人則為100150次), 這種頻率信號(hào)屬于低頻疇.因

29、此,脈搏測(cè)試儀是用來(lái)測(cè)量低頻信號(hào)的裝置,它的基本功能要: 要把人體的脈搏數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),這就需要借助傳感器。對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)要進(jìn)行放大、濾波和整形處理，以保證后續(xù)電路能正常對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的加工和處理。脈搏測(cè)試儀要能在15秒左右測(cè)出脈搏跳動(dòng)次數(shù)，并作出是否報(bào)警的判斷。報(bào)警的上、下限與對(duì)象選擇可以通過(guò)多路開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)?？傊}搏測(cè)試儀的核心是要對(duì)低頻信號(hào)在固定的短時(shí)間計(jì)數(shù)，最后以數(shù)字形式顯示出來(lái)?？梢?jiàn)，脈搏測(cè)試儀的主要組成部分是計(jì)數(shù)器和數(shù)字顯示器。2.2.2 方案設(shè)計(jì)脈搏測(cè)試儀的上述功能要求，可采用了二種不同的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：方案一：把轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的脈搏信號(hào)，在單位時(shí)間N（如15秒）進(jìn)行計(jì)數(shù)，完成后將計(jì)數(shù)

30、結(jié)果通過(guò)乘法器乘以系數(shù)60/N（如6015=4）并用數(shù)字顯示其計(jì)算后的值，從而得到每分鐘的脈搏數(shù)。方案二：該種方案和第一種有一點(diǎn)類似，其差別在于該方案采用的是倍頻的方式求取脈搏數(shù)。在單位時(shí)間15秒進(jìn)行計(jì)數(shù)，由于15秒是一分鐘的1/4，所以理想情況下60秒測(cè)得的脈搏數(shù)是15秒測(cè)得值的4倍。所以可以通過(guò)對(duì)被測(cè)脈搏波進(jìn)行細(xì)分（即4倍頻），從而通過(guò)計(jì)數(shù)器在15秒所得計(jì)數(shù)結(jié)果就是一分鐘的脈搏數(shù)。2.2.3 方案驗(yàn)證這二種方案比較起來(lái)，第一種方案比較直觀，但精度較低，如果計(jì)數(shù)時(shí)間是15秒最大時(shí)誤差為4次，而且電路結(jié)構(gòu)需要乘法器，乘法器芯片難尋，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜；第二種方案直觀，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且精度較第一種方案

31、高，但由于采用倍頻電路其精度已提高到1次，完全滿足設(shè)計(jì)要求。為了使脈搏測(cè)試儀輕巧而便宜，且有較高精度通常采用第二種方案，本文的設(shè)計(jì)就基于這一方案。2.2.4 總體方案介紹本設(shè)計(jì)采用了第二種方案，選用該種方案的原因是電路容易實(shí)現(xiàn)，各部分造價(jià)較低，滿足精度要求。該方案選用HKG-07系列紅外脈搏傳感器，光電式脈搏傳感器由于采用不同的光敏元件有著多種實(shí)現(xiàn)方法, 其中光敏元件主要有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和硅光電池。在傳統(tǒng)的光電式脈搏傳感器設(shè)計(jì)中, 通常采用的是獨(dú)立光敏元件, 利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)改變輸出的電流, 通常光敏元器件輸出的電流極低, 容易受到外界干擾, 而且對(duì)后續(xù)的放大器的要求比較

32、嚴(yán)格, 需要放大器空載時(shí)的電流輸出較小, 避免放大器空載輸出電流對(duì)脈搏信號(hào)測(cè)量的干擾, 這樣對(duì)于普通的放大器就不能直接應(yīng)用在光敏元件的后端。在本文中, 采用一種新型的光敏元件OPT101 , 該元件將感光部件和放大器集成在同一個(gè)芯片部, 這種集成化的設(shè)計(jì)方式有效地克服了后端運(yùn)算放大器空載電流輸出對(duì)光敏部件輸出電流的影響, 而且芯片輸出的電壓信號(hào)可以通過(guò)外部的精密電阻進(jìn)行調(diào)節(jié), 有利于芯片適應(yīng)整體的電路設(shè)計(jì), 同時(shí)芯片的集成化設(shè)計(jì)也能夠減小系統(tǒng)的功耗。光電式脈搏傳感器主要由光源、光敏器件, 以與相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理控制電路構(gòu)成，脈搏信號(hào)主要由動(dòng)脈血的充盈引起, 而血液中還原血紅蛋白( Hb) 和氧合血

33、紅蛋白( HbO2 ) 含量變化將造成透光率的變化, 當(dāng)氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對(duì)光的吸收量相等時(shí), 透射光的強(qiáng)度將主要由動(dòng)脈血管的收縮和舒引起, 此時(shí)能夠比較準(zhǔn)確地反映出脈搏信號(hào)。由于我們需要在十五秒完成脈搏計(jì)數(shù)，在這里我們采用了倍頻的方式。由于15秒是一分鐘的1/4，所以理想情況下60秒測(cè)得的脈搏數(shù)是15秒測(cè)得值的4倍。所以可以通過(guò)對(duì)被測(cè)脈搏波進(jìn)行細(xì)分（即4倍頻），從而通過(guò)計(jì)數(shù)器在15秒所得計(jì)數(shù)結(jié)果就是一分鐘的脈搏數(shù)。本設(shè)計(jì)運(yùn)用了ATMEL公司的89C2051單片機(jī)作核心元件，在這里運(yùn)用了單片機(jī)能更快更準(zhǔn)確地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，而且可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行編程，所用外圍元件少，輕巧省電，故障率低。

34、ULN2003為置達(dá)林頓管集成電路，作動(dòng)態(tài)掃描時(shí)的選通驅(qū)動(dòng)用。220排阻作限流用，維持?jǐn)?shù)碼管正常顯示。本部分電源電壓為5V穩(wěn)壓。來(lái)自傳感器和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機(jī)89C2051的P3.3腳，單片機(jī)設(shè)為負(fù)跳變中斷觸發(fā)模式，故每次脈沖下降沿到達(dá)時(shí)觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行計(jì)時(shí)；當(dāng)下一次脈沖的下降沿到達(dá)時(shí)，單片機(jī)對(duì)兩次脈沖間的時(shí)間進(jìn)行運(yùn)算得出心率，通過(guò)P1口把結(jié)果送到數(shù)碼管顯示出來(lái)。同時(shí)，對(duì)每次脈沖的到來(lái)均響鈴，與脈搏同步。這樣，就可以通過(guò)聲光的形式形象地把脈搏的快慢顯示出來(lái)。為避免干擾的影響，單片機(jī)對(duì)兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間距進(jìn)行檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)有干擾則忽略該干擾而不顯示。血液波動(dòng)檢測(cè)電路首先通過(guò)

35、紅外光電傳感器把血液中波動(dòng)的成分檢測(cè)出來(lái)，然后通過(guò)電容器耦合到放大器的輸入端。紅外接收二極管和型紅外發(fā)射二極管工作波長(zhǎng)都是940 nm，本文論述的是脈搏波的采集的方法，但在實(shí)際應(yīng)用中可采用現(xiàn)有的集成光電傳感器。HKG-07系列紅外脈搏傳感器是集紅外線發(fā)射管、接收管為一體的器件，工作時(shí)把探頭貼在手指上，力度要適中。紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外線穿過(guò)動(dòng)脈血管經(jīng)手指指骨反射回來(lái)，反射回來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度隨著血液流動(dòng)的變化而變化，接收管把反射回來(lái)的光信號(hào)變成微弱的電信號(hào)，并通過(guò)C1耦合到放大器。3 系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)3.1 AT89C2051主要性能AT89C2051是ATMEL公司生產(chǎn)的帶2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀

36、存儲(chǔ)器(EEPROM)的8位單片機(jī),它具有如下主要特性：（1）和MCS-51產(chǎn)品的兼容 （2）2K字節(jié)可重編程閃速存儲(chǔ)器 （3）耐久性：1,000寫擦除周期 （4）2.7V6V的操作圍 （5）全靜態(tài)3.2 AT89C2051的結(jié)構(gòu)框圖AT89C2051是一帶有2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)體(EEPROM)的低電壓,高性能8位CMOS微型計(jì)算機(jī)。如圖10.2所示。它采用ATMEL的高密非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造并和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。通過(guò)在單塊芯片上組合通用的CPL1和閃速存儲(chǔ)器,ATMEL AT89C2051是一強(qiáng)勁的微型計(jì)算機(jī),它對(duì)許多嵌入式控制應(yīng)用提供一高度靈活和成本低的解

37、決辦法。圖3-1 AT89C2051的部結(jié)構(gòu)圖此外,從AT89C2051部結(jié)構(gòu)圖也可看出,其部結(jié)構(gòu)與8051部結(jié)構(gòu)基本一致（除模擬比較器外）,引腳RST、XTAL1、XTAL2的特性和外部連接電路也完全與51系列單片機(jī)相應(yīng)引腳一致,但P1口、P3口有其獨(dú)特之處。3.3 AT89C2051的引腳說(shuō)明AT89C2051是一個(gè)有20個(gè)引腳的芯片,引腳如圖所示,與8051部結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn),AT89C2051減少了兩個(gè)對(duì)外端口（即P0、P2口）,使它最大可能地減少了對(duì)外引腳,因而芯片尺寸有所減少。AT89C2051芯片的端口功能為： 1. P1口：P1口是一8位雙向I/O口?？谝_P1.2P1.7提

38、供部上拉電阻。 P1.0和P1.1要求外部上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片精密模擬比較器的同相輸入(AIN0)和反相輸入（AIN1)。P1口輸出緩沖器可吸收20mA電流并能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示。當(dāng)P1口引腳寫入“1”時(shí),其可用作輸入端。當(dāng)引腳P1.2P1.7用作輸入并被外部拉低時(shí),它們將因部的上拉電阻而流出電流(IIL)。 P1口還在閃速編程和程序校驗(yàn)期間接收代碼數(shù)據(jù)。2. P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是帶有部上拉電阻的七個(gè)雙向I/0引腳。P3.6用于固定輸入片比較器的輸出信號(hào)并且它作為一通用I/O引腳而不可訪問(wèn)。P3口緩沖器可吸收20mA電流。當(dāng)P3口引腳寫入“1”時(shí),它

39、們被部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時(shí),被外部拉低的P3口引腳將用上拉電阻而流出電流(IIL)。P3口還用于實(shí)現(xiàn)AT89C2051的各種功能,如下表10-1所示。P3口還接收一些用于閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。表1-1 P3口的功能P3口引腳功能P3.0RXD(串行輸入端口)P3.1TXD(串行輸出端口)P3.2INT0(外中斷0)P3.3INT1(外中斷1)P3.4TO(定時(shí)器0外部輸入)P3.5T1(定時(shí)器1外部輸入)從上述引腳說(shuō)明可看出，AT89C2051沒(méi)有提供外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器與I/O設(shè)備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號(hào),因此利用AT89C2051構(gòu)成的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不能在AT8

40、9C2051之外擴(kuò)展存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備，也即AT89C2051本身即構(gòu)成了最小單片機(jī)系統(tǒng)。3.4 復(fù)位電路復(fù)位電路由按鍵復(fù)位和上電復(fù)位兩部分組成。1）上電復(fù)位：AT89S52系列單片與為高電平復(fù)位，通常在復(fù)位引腳RST上連接一個(gè)電容到VCC，再連接一個(gè)電阻到GND，由此形成一個(gè)RC充放電回路保證單片機(jī)在上電時(shí)RST腳上有足夠時(shí)間的高電平進(jìn)行復(fù)位，隨后回歸到低電平進(jìn)入正常工作狀態(tài)，這個(gè)電阻和電容的典型值為10K和10uF。2）按鍵復(fù)位：按鍵復(fù)位就是在復(fù)位電容上并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)按下時(shí)電容被放電、RST也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會(huì)保持一段時(shí)間的高電平來(lái)使單片機(jī)復(fù)位。圖3-2 復(fù)位電路圖

41、時(shí)鐘電路工作后，在REST管腳上加兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，芯片部開(kāi)始進(jìn)行初始復(fù)位（如圖23）。3.5 振蕩電路圖3-3 振蕩電路圖本設(shè)計(jì)晶振選擇頻率為12MHz，電容選擇30pF如圖（24）。經(jīng)計(jì)算得單片機(jī)工作胡機(jī)器周期為：12（112M）=1us。3.6 AT89C2051的優(yōu)點(diǎn)AT89C2051是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片2k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)

42、大AT89C2051單片機(jī)可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合。（1）程序AT89C2051設(shè)計(jì)有2個(gè)程序位，位1被編程之后，程序存儲(chǔ)器不能再被編程除非做一次擦除，位2被編程之后，程序不能被讀出。（2）可以采用下面方法開(kāi)發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)。由于89C2051部程序存貯器為Flash，所以修改它部的程序十分方便快捷，只要配備一個(gè)可以編程89C2051的編程器即可。將普通8031/80C31仿真器的仿真插頭中P1.0P1.7和P3.0P3.6引出來(lái)仿真2051,這種方法可以運(yùn)用單步、斷點(diǎn)的調(diào)試方法，但是仿真不夠真實(shí)，比如，2051的部模擬比較器功能，P1口、P3口的增強(qiáng)下拉能力等等。3.7 光電式脈搏傳感器原理目

43、前脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)有以下幾種檢測(cè)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與應(yīng)變式脈搏傳感器。近年來(lái), 光電檢測(cè)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很快, 這主要是由于光能避開(kāi)強(qiáng)烈的電磁干擾, 具有很高的絕緣性, 且可非侵入地檢測(cè)病人各種癥狀信息。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學(xué)儀器工作的專家和學(xué)者的重視。生物醫(yī)學(xué)傳感器是獲取生物信息并將其轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量和處理信號(hào)的一個(gè)關(guān)鍵器件。光電式脈搏傳感器是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器, 通過(guò)對(duì)手指末端透光度的監(jiān)測(cè), 間接檢測(cè)出脈搏信號(hào)。光電式脈搏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)損傷、可重復(fù)好等優(yōu)點(diǎn), 本文討論的就是基于光電式脈搏傳感器的設(shè)計(jì)

44、和具體實(shí)現(xiàn)。根據(jù)朗伯比爾(Lamber Beer) 定律, 物質(zhì)在一定波長(zhǎng)處的吸光度和他的濃度成正比。當(dāng)恒定波長(zhǎng)的光照射到人體組織上時(shí), 通過(guò)人體組織吸收、反射衰減后測(cè)量到的光強(qiáng)將在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。脈搏主要由人體動(dòng)脈舒和收縮產(chǎn)生的, 在人體指尖, 組織中的動(dòng)脈成分含量高, 而且指尖厚度相對(duì)其他人體組織而言比較薄, 透過(guò)手指后檢測(cè)到的光強(qiáng)相對(duì)較大,因此光電式脈搏傳感器的測(cè)量部位通常在人體指尖。光電脈搏傳感器的研制和噪聲分析手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織, 其中非血液組織的光吸收量是恒定的, 而在血液中, 靜脈血的搏動(dòng)相對(duì)于動(dòng)脈血是十分微弱的, 可

45、以忽略, 因此可以認(rèn)為光透過(guò)手指后的變化僅由動(dòng)脈血的充盈而引起的, 那么在恒定波長(zhǎng)的光源的照射下, 通過(guò)檢測(cè)透過(guò)手指的光強(qiáng)將可以間接測(cè)量到人體的脈搏信號(hào)。從光源發(fā)出的光除被手指組織吸收以外, 一部分由血液漫反射返回。其余部分透射出來(lái)。光電式脈搏傳感器按照光的接收方式可分為透射式和反射式2 種, 其中透射式的發(fā)射光源與光敏接收器件的距離相等并且對(duì)稱布置,接收的是透射光, 這種方法可較好地反映出心律的時(shí)間關(guān)系, 但不能精確測(cè)量出血液容積量的變化; 反射式的發(fā)射光源和光敏器件位于同一側(cè), 接收的是血液漫反射回來(lái)的光, 此信號(hào)可以精確地測(cè)得血管容積變化。本文討論的是透射式脈搏傳感器, 側(cè)重于脈搏信號(hào)的

46、測(cè)量。4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 脈搏波檢測(cè)電路目前脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)有以下幾種檢測(cè)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與應(yīng)變式脈搏傳感器。近年來(lái), 光電檢測(cè)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很快, 這主要是由于光能避開(kāi)強(qiáng)烈的電磁干擾, 具有很高的絕緣性, 且可非侵入地檢測(cè)病人各種癥狀信息。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學(xué)儀器工作的專家和學(xué)者的重視。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了指套式的透射型光電傳感器, 實(shí)現(xiàn)了光電隔離,減少了對(duì)后級(jí)模擬電路的干擾。圖4-1 血液脈搏檢測(cè)電路傳感器由發(fā)光二級(jí)管和光敏二極管組成, 其工作原理是: 發(fā)光二極管發(fā)出的光透射過(guò)手指,經(jīng)過(guò)手指組織的血液吸收和衰減，由

47、光敏二極管接收。由于手指動(dòng)脈血在血液循環(huán)過(guò)程中呈周期性的脈動(dòng)變化，所以它對(duì)光的吸收和衰減也是周期性脈動(dòng)的, 于是光敏二極管輸出信號(hào)的變化也就反映了動(dòng)脈血的脈動(dòng)變化。4.2 脈搏信號(hào)拾取電路如圖所示，IClA為單位增益緩沖器，用于產(chǎn)生2.5V的基準(zhǔn)電壓。圖4-2 信號(hào)拾取器圖紅外接收二極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能，單個(gè)二極管能產(chǎn)生O.4 V電壓，0.5 mA電流。BPW83型紅外接收二極管和IR333型紅外發(fā)射二極管工作波長(zhǎng)都是940 nm，在指夾中，紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管相對(duì)擺放以獲得最佳的指向特性。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(qiáng)度就越大。圖中，RO選100

48、是基于紅外接收二極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R0過(guò)大，通過(guò)紅外發(fā)射二極管的電流偏小，BPW83型紅外接收二極管無(wú)法區(qū)別有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)的信號(hào)。反之，R0過(guò)小，通過(guò)的電流偏大，紅外接收二極管也不能準(zhǔn)確地辨別有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)的信號(hào)。當(dāng)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(shí)，IC1B的反相輸入端電位大于同相輸入端電位，Vi為“O”。當(dāng)手指處于測(cè)量位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)二種情況：一是無(wú)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)A的暗電流會(huì)造成Vi電位略低于2.5V。二是有脈期。當(dāng)有跳動(dòng)的脈搏時(shí)，血脈使手指透光性變差，紅外接收二極管中的暗電流減小

49、，Vi電位上升。由此看來(lái)，所謂脈搏信號(hào)的拾取實(shí)際上是通過(guò)紅外接收二極管，在有脈和無(wú)脈時(shí)暗電流的微弱變化，再經(jīng)過(guò)IClB的放大而得到的。所拾取的信號(hào)為2V左右的電壓信號(hào)。4.3 信號(hào)放大電路按人體脈搏在運(yùn)動(dòng)后最高跳動(dòng)次數(shù)達(dá)240次/分計(jì)算來(lái)設(shè)計(jì)低通放大器，它由IC2A和C04等組成，如圖所示。轉(zhuǎn)折頻率由R07、C04、R08和C05決定，放大倍數(shù)由R08和R06的比值決定。圖4-3 低通濾波器圖根據(jù)二階低通濾波器的傳遞函數(shù)，可得放大倍數(shù)為 H=-R08/R06=-22 取0.707倍零頻增益計(jì)算高頻轉(zhuǎn)折頻率，即fH = 7.7Hz 按人的脈搏最高為4 Hz考慮，低頻特性是令人滿意的。需要說(shuō)明的是

50、，以上分析是在忽略C03的條件下做出的，如果考慮C03的話，那么：由此可見(jiàn)，C03沒(méi)有影響頻率特性的分析，它的作用只是隔直。4.4 二級(jí)放大電路和比較電路二級(jí)放大器兼比較器如圖所示。Rpll用以調(diào)整系統(tǒng)的放大倍數(shù)，C06用以防止放大器自激。采用二級(jí)放大，零點(diǎn)漂移不很明顯，在O.1 V左右。所以將比較器的閾值電壓設(shè)計(jì)成O.25 V，以確保濾除干擾信號(hào)。采用比較器的好處是能有效地克服零點(diǎn)漂移所造成的影響，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。圖4-4 二級(jí)放大器和比較器圖4.5 波形整形部分波形整形電路如圖所示，IC3A是CD4528型單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，有效脈寬為0.05 s其寬度由R22和C20決定。IC3B也組成

51、一個(gè)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，脈寬為240ms。D2、Dl和T3等組成一個(gè)或非門，只有C，E兩點(diǎn)均為低電平時(shí)，信號(hào)放大器整機(jī)輸出才是高電平。設(shè)計(jì)這個(gè)電路的目的是為了在輸出端輸出一個(gè)窄脈沖，并且要在由R13和C07決定的時(shí)間任何信號(hào)都不會(huì)干擾輸出。R23和C21充電時(shí)間的長(zhǎng)短決定了計(jì)數(shù)脈沖的寬度，一般不希望它太寬。波形整形時(shí)序如圖所示。圖4-5 波形整形線路圖4.6 顯示器設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)譯碼器譯碼，輸出信號(hào)為七段顯示代碼，輸入到七段數(shù)碼顯示管中即可實(shí)現(xiàn)顯示功能。采用半導(dǎo)體數(shù)碼管BS201A顯示，數(shù)碼管引腳如下：圖4-6 數(shù)碼管引腳圖D.P端為顯示數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)位，本方案中不需用。BS201A的數(shù)碼管有輸出位，

52、將其接地。這里控制1.6的接地與否可控制LED的導(dǎo)通與斷開(kāi)，即控制每一個(gè)BS201A的亮滅。在計(jì)數(shù)器中，有DS1,DS2,DS3三個(gè)控制個(gè)位十位和百位的輸出端口，通過(guò)這三個(gè)輸出口的輸出信號(hào)控制三極管開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與斷開(kāi)即可實(shí)現(xiàn)三個(gè)BS201A依次顯示各位十位和百位。三極管選擇A781,A781是PNP型三極管主要功用為開(kāi)關(guān)，主要參數(shù)是工作電壓20V,工作電流0.2A。4.7 整體電路電路由傳感器電路、信號(hào)放大和整形電路、單片機(jī)電路、數(shù)碼顯示電路等部分組成。傳感器主要由紅外線發(fā)射二極管和接收二極管組成，測(cè)量的原理如下：將手指放在紅外線發(fā)射二極管和接收二極管中間，隨著心臟的跳動(dòng)，血管中血液的流量將發(fā)生

53、變化。由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液飽和程度的變化將引起光的強(qiáng)度發(fā)生變化，因此和心跳的節(jié)拍相對(duì)應(yīng)，紅外接收二極管的電流也跟著改變，這就導(dǎo)致紅外接收二極管輸出脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)由F1F3、R3R5、C1、C2等組成的低通放大器進(jìn)行放大，再經(jīng)由F4、R6、R7、C3組成的放大器進(jìn)一步放大，其輸出信號(hào)送給由F5、F6、RP1、R8等組成的施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形后輸出，輸出的脈沖信號(hào)作為單片機(jī)的外部中斷信號(hào)?？勺冸娮鑂P1用來(lái)調(diào)整施密特觸發(fā)器的閥值電壓，從而調(diào)整電路的靈敏度。AT89C2051、X1、R10、C5等組成單片機(jī)電路。單片機(jī)電路對(duì)P3.2輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理后把結(jié)果送到數(shù)碼管顯

54、示。發(fā)光二極管VD3作脈搏測(cè)量狀態(tài)顯示，脈搏每跳動(dòng)一次發(fā)光二極管就點(diǎn)亮一次。數(shù)碼管DS1DS3、VT1VT3、R12R21等組成數(shù)碼顯示電路。本機(jī)采用動(dòng)態(tài)掃描顯示的方式，使用共陽(yáng)數(shù)碼管， P3.3-P3.5口作三個(gè)數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描位驅(qū)動(dòng)碼輸出，通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。P1.0-P1.6口作數(shù)碼顯示七段筆劃字形碼的輸出，用以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各字段。5 軟件分析來(lái)自傳感和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機(jī)89C2051的P3.3腳，單片機(jī)設(shè)為負(fù)跳變中斷觸發(fā)模式，故每次脈沖下降沿到達(dá)時(shí)觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行計(jì)時(shí)；當(dāng)下一次脈沖的下降沿到達(dá)時(shí)，單片機(jī)對(duì)兩次脈沖間的時(shí)間進(jìn)行運(yùn)算得出心率，通過(guò)P1口把結(jié)果送到數(shù)碼

55、管顯示出來(lái)。同時(shí)，對(duì)每次脈沖的到來(lái)均響鈴，與脈搏同步。這樣，就可以通過(guò)聲光的形式形象地把脈搏的快慢顯示出來(lái)。為避免干擾的影響，單片機(jī)對(duì)兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間距進(jìn)行檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)有干擾則忽略該干擾而不顯示。本測(cè)試器的有效測(cè)量圍為50次199次/分鐘。本部分運(yùn)用了ATMEL公司的89C2051單片機(jī)作核心元件，在這里運(yùn)用了單片機(jī)能更快更準(zhǔn)確地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，而且可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行編程，所用外圍元件少，輕巧省電，故障率低。程序用單片機(jī)語(yǔ)言編寫，由主程序、外部中斷服務(wù)程序、定時(shí)器T1中斷服務(wù)程序、延時(shí)子程序等模塊組成。主程序主要完成程序的初始化。外部中斷1服務(wù)程序由信號(hào)判斷、計(jì)算、合理近似、顯示輸出等部分

56、組成。定時(shí)中斷服務(wù)程序由計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、無(wú)效測(cè)試信號(hào)判斷等部分組成。程序中用變量NUM對(duì)脈搏脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)。5.1 主程序流程圖心率測(cè)量程序設(shè)計(jì)由兩部分構(gòu)成，前半段實(shí)現(xiàn)初始化，報(bào)考定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的初始化、設(shè)置堆棧指針以與開(kāi)中斷等。程序的后半段則是啟動(dòng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以與調(diào)用顯示子程序來(lái)完成心率值得顯示開(kāi)始設(shè)置堆棧指針開(kāi)中斷調(diào)入數(shù)值比較顯示顯示緩沖區(qū)清零定時(shí)器/計(jì)數(shù)器初始化結(jié)束5.1 脈搏計(jì)測(cè)量流程圖5.2 T1中斷服務(wù)程序從P3.0口輸入的與脈搏相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)作為外部中斷1的請(qǐng)求中斷信號(hào)，外部中斷采用邊沿觸發(fā)的方式。由于脈沖信號(hào)的頻率很低，所以不適宜用計(jì)數(shù)的方法進(jìn)行測(cè)量，故而采用測(cè)脈沖周期的方法

57、進(jìn)行測(cè)量，即用脈沖來(lái)控制計(jì)時(shí)信號(hào)，通過(guò)計(jì)時(shí)數(shù)計(jì)算出脈沖周期，再由脈沖周期計(jì)算出頻率，從P3.0口每輸入一次脈沖信號(hào)就能顯示一次脈搏數(shù)。 入口重裝初值進(jìn)位標(biāo)志C停止計(jì)時(shí)將NUM送入AA加1，把結(jié)果送入NUM重裝初值返回C=1?YN圖5-2 T1中斷服務(wù)程序此計(jì)時(shí)的基本單位為5ms，例如一個(gè)脈搏脈沖周期對(duì)應(yīng)的NUM值為240，則對(duì)應(yīng)的時(shí)間為1.2s，由此可得每分鐘脈搏數(shù)為50。如果NUM的值達(dá)到256，即1.8秒鐘仍沒(méi)有發(fā)生定時(shí)器T1的中斷時(shí)間為5ms，每中斷一次計(jì)時(shí)變量NUM加1，因外部中斷，則表示脈搏脈沖信號(hào)為壞值，于是NUM被清零，測(cè)量結(jié)果顯示數(shù)值不變。數(shù)讀采用三位數(shù)碼顯示。定時(shí)器T1每中斷

58、一次就刷新一次，用戶可以實(shí)時(shí)了解數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集中, 為了保證采集數(shù)據(jù)的不失真和適當(dāng)?shù)木_度, 必須選擇合適的采樣頻率。人體脈搏正常跳動(dòng)約為60次/ 分左右,即跳動(dòng)頻率在1Hz 左右，本系統(tǒng)為了更好的消除50Hz工頻干擾，系統(tǒng)以50Hz的數(shù)據(jù)輸出率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下抽取，抽樣比為2048。中斷程序中的數(shù)字處理包括如下步驟：(1)將脈沖載波的高電平時(shí)段的數(shù)據(jù)累加2048/（2*64）16次，(2)將脈沖載波低電平時(shí)段的數(shù)據(jù)累加2048/（2*64）16次,(3)用步驟(1)中的數(shù)據(jù)減去步驟(2)中的數(shù)據(jù)，便得到了解調(diào)后以50Hz的數(shù)據(jù)輸出率輸出的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)上述對(duì)信號(hào)的解調(diào)，有效去除背景光、雜散光

59、的干擾。程序同時(shí)實(shí)現(xiàn)了過(guò)采樣算法中的濾波和下抽取。脈率計(jì)算程序包括如下步驟：將得到的數(shù)據(jù)以雙字節(jié)存入ADC841的XRAM中（2304字節(jié)）。從0000H 開(kāi)始,在60個(gè)樣本數(shù)據(jù)中尋找最大值, 并確定其位置即波峰位置, 之后尋找緊挨著它的第二個(gè)波峰,采用軟件計(jì)數(shù)器計(jì)算兩者間的距離即其點(diǎn)數(shù)，然后按照脈率計(jì)算公式：脈率采樣頻率/ 相鄰兩波峰60 5060/ 相鄰兩波峰，計(jì)算出脈率, 并將其存儲(chǔ)。當(dāng)脈搏檢測(cè)系統(tǒng)與中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通過(guò)設(shè)置定時(shí)器T3的控制寄存器T3CON為#86H，T3FD為 08H，得到9600的串口波特率。ADuC841發(fā)送握手信號(hào)與系統(tǒng)機(jī)建立通信，當(dāng)握手成

60、功后，系統(tǒng)開(kāi)中斷并將轉(zhuǎn)換處理后的數(shù)據(jù)送交系統(tǒng)應(yīng)用程序進(jìn)行處理。5.3 中斷服務(wù)子程序中斷服務(wù)子程序主要有以下三大功能：1.實(shí)現(xiàn)0.6S定時(shí)，初始化中設(shè)定定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0用作定時(shí)，定時(shí)時(shí)間為60ms，同時(shí)用存單元6FH、7FH配合做計(jì)數(shù)器，設(shè)200H、300H單元的初始值為0AH，每進(jìn)入一次中斷，將200H、300H單元容減1，減為0時(shí)為0.6S。2.滿0.6S后，讀定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1中TL1的值，即為每分鐘脈搏跳動(dòng)值。為了提高測(cè)量 的準(zhǔn)確性，本設(shè)計(jì)采用測(cè)三次求平均的方法來(lái)獲取心率值。這就需要我們定義一個(gè)R1寄存器的值為3，每過(guò)一個(gè)0.6s，R1的值減1，并將TL1中的值與上一次測(cè)量值A(chǔ)中的值相加