基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的脈搏測量儀(周靜).doc

揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院20082009學(xué)年第二學(xué)期畢業(yè)論文 課題名稱： 基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的脈搏測量儀 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2009.2.05 2009.5.18 系 部： 電子信息工程系 班 級： 0601電氣技術(shù) 姓 名： 周 靜 指導(dǎo)教師： 李 建 榮 助教 總 目 錄 第一部分 任務(wù)書 第二部分 開題報(bào)告 第三部分 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告第 一 部 分任務(wù)書揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書系 部電子信息工程系指導(dǎo)老師李建榮職 稱助 教學(xué)生姓名周靜班 級0601電氣技術(shù)學(xué) 號0605010107設(shè)計(jì)題目基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的脈搏測量儀設(shè)計(jì)內(nèi)容目標(biāo)和要求畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容和目標(biāo)：1、設(shè)計(jì)內(nèi)容：脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生的，在人體指尖，組織中的動脈成分含量高，而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測到的光強(qiáng)相對較大，因此光電式脈搏傳感器的測量部位通常在人體指尖。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，靜脈血的搏動相對于動脈血是十分微弱的，可以忽略，因此可以認(rèn)為光透過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起的，那么在恒定波長的光源的照射下，通過檢測透過手指的光強(qiáng)將可以間接測量到人體的脈搏信號。2、設(shè)計(jì)目的：實(shí)現(xiàn)脈搏波的實(shí)時(shí)存儲并可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)( PC 機(jī)) 的實(shí)時(shí)通訊,作為多參數(shù)病人中心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)模塊完成心率檢測和脈搏波形顯示。畢業(yè)設(shè)計(jì)論文要求：1、鞏固、加深和擴(kuò)大單片機(jī)應(yīng)用的知識面，提高綜合及靈活運(yùn)用所學(xué)知識解決工業(yè)控制的能力；2、培養(yǎng)針對課題需要，選擇和查閱有關(guān)手冊、圖表及文獻(xiàn)資料的自學(xué)能力，提高組成系統(tǒng)、編程、調(diào)試的動手能力；3、過對課題設(shè)計(jì)方案的分析、選擇、比較、熟悉單片機(jī)用系統(tǒng)開發(fā)、研制的過程，軟硬件設(shè)計(jì)的方法、內(nèi)容及步驟。教研室審核系部審核第 二 部 分開題報(bào)告揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系 09 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告書學(xué)生姓名周靜專業(yè)電氣自動化班級0601電氣技術(shù)學(xué)號0605010107題 目基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的脈搏測量儀指導(dǎo)教師李建榮職稱助 教學(xué) 位學(xué)士題目類別 工程設(shè)計(jì) 基礎(chǔ)研究 應(yīng)用研究 其它【課題的內(nèi)容與要求】脈搏檢測中關(guān)鍵技術(shù)是傳感器的設(shè)計(jì)與傳感器輸出的微弱信號提取問題, 本文設(shè)計(jì)的脈搏波檢測系統(tǒng)以光電檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，并采用了脈沖振幅光調(diào)制技術(shù)消除周圍雜散光、暗電流等各種干擾的影響。并利用過采樣技術(shù)和數(shù)字濾波等數(shù)字信號處理方法，代替實(shí)現(xiàn)模擬電路中的放大濾波電路的功能。【前言】脈搏測量屬于檢測有無脈博的測量，有脈搏時(shí)遮擋光線，無脈搏時(shí)透光強(qiáng)，所采用的傳感器是紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管。用于體育測量用的脈搏測量大致有指脈和耳脈二種方式。這二種測量方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確。從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。幾乎世界上所有的民族都用過“摸脈”作為診斷疾病的手段。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強(qiáng)度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的綜合信息，在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,因此對脈搏波采集和?！痉桨傅谋容^與評價(jià)】脈搏檢測中關(guān)鍵技術(shù)是傳感器的設(shè)計(jì)與傳感器輸出的微弱信號提取問題, 本文設(shè)計(jì)的脈搏波檢測系統(tǒng)以光電檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，并采用了脈沖振幅光調(diào)制技術(shù)消除周圍雜散光、暗電流等各種干擾的影響。并利用過采樣技術(shù)和數(shù)字濾波等數(shù)字信號處理方法，代替實(shí)現(xiàn)模擬電路中的放大濾波電路的功能。所以這些在設(shè)計(jì)過程中都是需要解決的?！绢A(yù)期的效果及指標(biāo)】通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我動手、思考和解決問題的能力。我覺得做畢業(yè)設(shè)計(jì)同時(shí)也是對課本知識的鞏固和加強(qiáng)，平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問題老是弄不懂，做完設(shè)計(jì)，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如PLC的功能，平時(shí)看課本，這次看了，下次就忘了，主要是因?yàn)闆]有動手實(shí)踐過吧！認(rèn)識來源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識的動力和最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。作為畢業(yè)的學(xué)生，能夠搞這樣的關(guān)于PLC技術(shù)的設(shè)計(jì)，確實(shí)從中學(xué)到了很多的知識?！具M(jìn)度安排】2009 年 2 月 05 日 - 2009 年 3 月 01 日 選題、調(diào)研、收集資料2008 年 3 月 02 日 - 2009 年 3 月 17 日 論證、開題2009 年 3 月 18 日 - 2009 年 4 月 22 日 設(shè)計(jì)（寫作初稿）2009 年 4 月 23 日 - 2009 年 5 月 18 日 修改、定稿、打印、答辯【參考文獻(xiàn)】1. 歐陽俊.基于BL-410的指端脈搏波采集系統(tǒng)應(yīng)用研究.2004.第11卷第2期2. 韓文波.光電式脈搏波監(jiān)測系統(tǒng).長春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào).1999.第22卷第4期3. 朱國富，廖明濤，王博亮.袖珍式脈搏波測量儀.電子技術(shù)應(yīng)用.1998.第1期4. 劉云麗，徐可欣等.微功耗光電式脈搏測量儀.電子測量技術(shù).2005.第二期5. 程詠梅，夏雅琴，尚嵐.人體脈搏波信號檢測系統(tǒng).北京生物醫(yī)學(xué)工程.2006.第25卷6. 劉文，楊欣，張鎧麟.基于AT89C2051單片機(jī)的指脈檢測系統(tǒng)的研究.醫(yī)療裝備.20057. 張毅坤. 單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用.西安電子科技大學(xué)出版社.1998.9第1版8任為民. 電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì). 中央廣播電視大學(xué)出版社.1997.5第1版9. 朱月秀.單片機(jī)原理與應(yīng)用.科學(xué)出版社.2004.2第3版10.李世馨.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社.2001.12 3第1版【指導(dǎo)教師意見】（有針對性地說明選題意義及工作安排是否恰當(dāng)?shù)龋┩馓峤婚_題論證 修改后提交 不同意提交（請說明理由）指導(dǎo)教師簽章： 年 月 日 【系部意見】同意指導(dǎo)教師意見 不同意指導(dǎo)教師意見（請說明理由） 其它（請說明）隊(duì)系（部）主任簽章： 年 月 日第 三 部 分畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告目 錄第一章 引 言10第二章 硬件電路設(shè)計(jì)112.1 AT89C2051主要性能112.2 AT89C2051的結(jié)構(gòu)框圖122.3 AT89C2051的引腳說明132.4 復(fù)位電路152.5 振蕩電路15第三章 基本結(jié)構(gòu)模塊163.1 脈搏波檢測電路163.2 脈搏信號拾取電路163.3 信號放大183.4 波形整形部分20第四章 整體電路分析214.1 光發(fā)射電路214.2 光電轉(zhuǎn)換電路214.3 信號采集及處理系統(tǒng)224.4 過采樣技術(shù)的應(yīng)用224.5 整體硬件電路設(shè)計(jì)23第五章 軟件設(shè)計(jì)255.1 程序設(shè)計(jì)255.2 程序源代碼26結(jié)束語29致 謝31參考文獻(xiàn)32基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的脈搏測量儀周 靜0601電氣技術(shù)摘 要 醫(yī)院的護(hù)士每天都要給住院的病人把脈記錄病人每分鐘脈搏數(shù)，方法是用手按在病人腕部的動脈上，根據(jù)脈搏的跳動進(jìn)行計(jì)數(shù)。為了節(jié)省時(shí)間，一般不會作1分鐘的測量，通常是測量10秒鐘時(shí)間內(nèi)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)制作的脈搏測量儀，只要人把手指放在傳感器內(nèi)2秒鐘就可以精確測量出每分鐘脈搏數(shù)，測量結(jié)果用三位數(shù)字顯示。關(guān)鍵詞：AT89C2051 單片機(jī) 脈搏測量儀Single-chip design based on the pulse measuring instrumentZhou Jing0601 Electrical TechnologyAbstract: Nurse hospital wants to give in hospital every day the patient takes the pulse to record the patient each minute pulse number, the method is with the hand according to on the patient wrists department artery, carries on the counting according to pulses beat. For the saving of time, will not make 1 minute survey generally, usually will be surveys in 10 seconds time palpitations number, will be multiplied by again the result 6 namely obtains each minute palpitation number, even if will do this is quite time-consuming, moreover the precision will not be high. This article introduced that one kind the pulse measuring instrument which manufactures with the monolithic integrated circuit, so long as the human places the finger in the sensor 2 seconds to be possible the precision measuring each minute pulse number, the measurement result showed with three digit. Key words: AT89C2051 monolithic integrated circuit pulse measuring instrument第一章 引 言 脈搏測量屬于檢測有無脈博的測量，有脈搏時(shí)遮擋光線，無脈搏時(shí)透光強(qiáng)，所采用的傳感器是紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管。用于體育測量用的脈搏測量大致有指脈和耳脈二種方式。這二種測量方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，指脈測量比較方便、簡單，但因?yàn)槭种干系暮瓜佥^多，指夾常年使用，污染可能會使測量靈敏度下降；耳脈測量比較干凈，傳感器使用環(huán)境污染少，容易維護(hù)。但因耳脈較弱，尤其是當(dāng)季節(jié)變化時(shí)，所測信號受環(huán)境溫度影響明顯，造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確。從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。幾乎世界上所有的民族都用過“摸脈”作為診斷疾病的手段。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強(qiáng)度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的綜合信息，在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,因此對脈搏波采集和。處理具有很高的醫(yī)學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景。但人體的生物信號多屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻的弱信號, 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號, 必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求。第二章 硬件電路設(shè)計(jì)2.1 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存儲器(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)可重編程閃速存儲器 （3）耐久性：1,000寫擦除周期 （4）2.7V6V的操作范圍 （5）全靜態(tài) 圖2-1 AT89C2051的結(jié)構(gòu)框圖操作：0Hz24MHz 兩級加密程序存儲器 1288位內(nèi)部RAM 15根可編程I/O引線 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 六個(gè)中斷源 可編程串行UART通道 直接LED驅(qū)動輸出 片內(nèi)模擬比較器 低功耗空載和掉電方式和MCS-51產(chǎn)品的兼容 2K字節(jié)可重編程閃速存儲器 耐久性：1,000寫擦除周期 2.7V6V的操作范圍 全靜態(tài)操作：0Hz24MHz 兩級加密程序存儲器 1288位內(nèi)部RAM 15根可編程I/O引線 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 六個(gè)中斷源 可編程串行UART通道 直接LED驅(qū)動輸出 片內(nèi)模擬比較器 低功耗空載和掉電方式和MCS-51產(chǎn)品的兼容 2K字節(jié)可重編程閃速存儲器 耐久性：1,000寫擦除周期 2.7V6V的操作范圍 全靜態(tài)操作：0Hz24MHz 兩級加密程序存儲器 1288位內(nèi)部RAM 15根可編程I/O引線 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 六個(gè)中斷源 可編程串行UART通道 直接LED驅(qū)動輸出 片內(nèi)模擬比較器 低功耗空載和掉電方式。2.2 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。通過在單塊芯片上組合通用的CPL1和閃速存儲器,ATMEL AT89C2051是一強(qiáng)勁的微型計(jì)算機(jī),它對許多嵌入式控制應(yīng)用提供一高度靈活和成本低的解決辦法。圖2-2 AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖此外,從AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖也可看出,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與8051內(nèi)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。2.3 AT89C2051的引腳說明AT89C2051是一個(gè)有20個(gè)引腳的芯片,引腳如圖10.1所示,與8051內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比可發(fā)現(xiàn),AT89C2051減少了兩個(gè)對外端口（即P0、P2口）,使它最大可能地減少了對外引腳,因而芯片尺寸有所減少。AT89C2051芯片的20個(gè)引腳功能為：1. Vcc：電源電壓。2. GND：地。 3. P1口：P1口是一8位雙向I/O口?？谝_P1.2P1.7提供內(nèi)部上拉電阻。 P1.0和P1.1要求外部上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片內(nèi)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),它們將因內(nèi)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)。4. P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻的七個(gè)雙向I/0引腳。P3.6用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號并且它作為一通用I/O引腳而不可訪問。P3口緩沖器可吸收20mA電流。當(dāng)P3口引腳寫入“1”時(shí),它們被內(nèi)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器編程和程序校驗(yàn)的控制信號。5. RST：復(fù)位輸入。RST一旦變成高電平,所有的I/O引腳就復(fù)位到“1”。當(dāng)振蕩器正在運(yùn)行時(shí),持續(xù)給出RST引腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平便可完成復(fù)位。每一個(gè)機(jī)器周期需12個(gè)振蕩器或時(shí)鐘周期。6. XTAL1：作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。7. XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。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)從上述引腳說明可看出，AT89C2051沒有提供外部擴(kuò)展存儲器與I/O設(shè)備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號,因此利用AT89C2051構(gòu)成的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不能在AT89C2051之外擴(kuò)展存儲器或I/O設(shè)備，也即AT89C2051本身即構(gòu)成了最小單片機(jī)系統(tǒng)。2.4 復(fù)位電路圖2-3 復(fù)位電路圖時(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，芯片內(nèi)部開始進(jìn)行初始復(fù)位（如圖23）。2.5 振蕩電路圖2-4 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。第三章 基本結(jié)構(gòu)模塊3.1 脈搏波檢測電路目前脈搏波檢測系統(tǒng)有以下幾種檢測方法：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及應(yīng)變式脈搏傳感器。近年來, 光電檢測技術(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強(qiáng)烈的電磁干擾, 具有很高的絕緣性, 且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息。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,減少了對后級模擬電路的干擾，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖3-1 透射式光電傳感器圖傳感器由發(fā)光二級管和光敏二極管組成, 其工作原理是: 發(fā)光二極管發(fā)出的光透射過手指,經(jīng)過手指組織的血液吸收和衰減，由光敏二極管接收。由于手指動脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動變化，所以它對光的吸收和衰減也是周期性脈動的, 于是光敏二極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化。3.2 脈搏信號拾取電路如圖2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3-2 信號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。在圖l中，RO選100 是基于紅外接收二極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R0過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小，BPW83型紅外接收二極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時(shí)的信號。反之，R0過小，通過的電流偏大，紅外接收二極管也不能準(zhǔn)確地辨別有脈搏和無脈搏時(shí)的信號。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)手指處于測量位置時(shí)，會出現(xiàn)二種情況：一是無脈期。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的暗電流會造成Vi電位略低于2.5 V。二是有脈期。當(dāng)有跳動的脈搏時(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，Vi電位上升。由此看來，所謂脈搏信號的拾取實(shí)際上是通過紅外接收二極管，在有脈和無脈時(shí)暗電流的微弱變化，再經(jīng)過IClB的放大而得到的。所拾取的信號為2V左右的電壓信號。3.3 信號放大按人體脈搏在運(yùn)動后最高跳動次數(shù)達(dá)240次/分計(jì)算來設(shè)計(jì)低通放大器，它由IC2A和C04等組成，如圖2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3-3 低通濾波器圖根據(jù)二階低通濾波器的傳遞函數(shù)，可得 （1）放大倍數(shù)為 H=-R08/R06 =-22 （2）取0.707倍零頻增益計(jì)算高頻轉(zhuǎn)折頻率，即fH = 7.7Hz （3）按人的脈搏最高為4 Hz考慮，低頻特性是令人滿意的。需要說明的是，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，C03沒有影響頻率特性的分析，它的作用只是隔直。二級放大器兼比較器如圖4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。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，提高測量的準(zhǔn)確性。圖3-4 二級放大器和比較器圖3.4 波形整形部分波形整形電路如圖5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)間內(nèi)任何信號都不會干擾輸出。R23和C21充電時(shí)間的長短決定了計(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6所示。圖3-5 波形整形線路圖第四章 整體電路分析4.1 光發(fā)射電路經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知,采用GaAs紅外發(fā)光二極管作為光源時(shí)，可基本抑制由呼吸運(yùn)動造成的脈搏波曲線的漂移。脈搏波檢測以光電檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，因此受周圍雜散光、暗電流等各種干擾影響較大。為了克服這一問題本系統(tǒng)采用脈沖振幅光調(diào)制技術(shù)。脈沖調(diào)制傳送的是調(diào)制信號的采樣值，只要采樣頻率奈奎斯特采樣頻率，則可由采樣脈沖來恢復(fù)原信號，而不會導(dǎo)致失真。系統(tǒng)對紅外二極管的驅(qū)動脈沖信號的頻率選定為工頻整數(shù)倍400Hz以降低工頻干擾。脈沖載波由ADuC841內(nèi)部16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。為了保證紅外發(fā)光二極管的光源穩(wěn)定，本文采用運(yùn)放op495和NPN型三極管作為恒流源電路向發(fā)光二極管提供穩(wěn)定的工作電流，光源驅(qū)動電路如圖4-1所示。4.2 光電轉(zhuǎn)換電路光敏二極管的特性是將光信號轉(zhuǎn)換為電流，而隨后的A/D轉(zhuǎn)換電路是以電壓為檢測對象。因此，接收電路中應(yīng)采用電流電壓變換電路，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。運(yùn)算放大器與電阻R形成電流電壓變換電路，如圖4-2所示。（圖中S_GND為信號地，運(yùn)算放大器工作正負(fù)電源為5V、0V，為避免信號丟失，將信號抬高至VS_GND=1V。）電路輸出電壓。圖4-1 發(fā)光二極管驅(qū)動電路圖圖4-2 光敏二極管的電流電壓轉(zhuǎn)換電路圖4.3 信號采集及處理系統(tǒng) 由于光電脈搏波屬于緩慢變化的微弱生理信號，信噪比低，極易受到環(huán)境噪聲和肢體運(yùn)動的干擾。傳統(tǒng)的光電脈搏波信號檢測電路都采用高增益放大器，以獲得較高的檢測靈敏度，這種設(shè)計(jì)思路導(dǎo)致了檢測信號動態(tài)范圍縮小，在受到運(yùn)動干擾時(shí)，將導(dǎo)致由于干擾信號而帶來的光電脈搏波信號檢測的飽和失真。本系統(tǒng)采用過采樣技術(shù)，通過對信號的高速采樣來提高采樣精度，相當(dāng)于用高分辨率的ADC對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，達(dá)到了提高信噪比并改善動態(tài)范圍的效果。因此本系統(tǒng)對經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換而不需要任何信號調(diào)理（放大和濾波）電路。4.4 過采樣技術(shù)的應(yīng)用所謂過采樣技術(shù)是指以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于奈奎斯特(Nyquist)采樣頻率的頻率對模擬信號進(jìn)行采樣的方法。由信號采樣量化理論可知，若輸入信號的最小幅度大于量化器的量化電平，并且輸入信號的幅度隨機(jī)分布，則量化噪聲的總功率是一個(gè)常數(shù)，在0fs2的頻帶范圍內(nèi)均勻分布8。因此量化噪聲電平與采樣頻率成反比，如果提高采樣頻率，則可以降低量化噪聲電平，而由于基帶是固定不變的，因而減少了基帶范圍內(nèi)的噪聲功率，提高了信噪比，從而提高分辨率，并且采樣頻率每提高4倍，則信噪比提高4倍，相當(dāng)于A/DC的分辨率提高1位。本文設(shè)計(jì)的脈搏檢測系統(tǒng)正是利用了這一原理，在A/DC過采樣之后進(jìn)行數(shù)字濾波，大部分噪聲被數(shù)字濾波器濾掉，這樣量化噪聲就降低了，即提高了系統(tǒng)信噪比。系統(tǒng)采用FIR結(jié)構(gòu)的滑動平均濾波器，在過采樣之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字抽取濾波?；瑒悠骄鶠V波器系統(tǒng)傳遞函數(shù)為。該濾波器的作用是濾波、抽取和抗混疊。濾波器為一個(gè)數(shù)字低通濾波器，主要是濾除采樣信號頻帶以外的高頻量化噪聲，并維持信號頻帶以內(nèi)的信號基本不變，相當(dāng)于增加了數(shù)字信號的有效分辨率；抽取是將采樣得到的高速低分辨率的數(shù)字信號的抽樣頻率降至奈奎斯特采樣頻率，進(jìn)而完成高分辨率數(shù)字信號的重構(gòu)；抗混疊主要是濾除降低取樣頻率后可能出現(xiàn)的混疊噪聲。本文利用ADC841單片機(jī)內(nèi)部的12位ADC對光電轉(zhuǎn)換后的02.5V 的電信號進(jìn)行采樣，由于本身具有一定的分辨率，要求的過采樣倍數(shù)不會太高，ADC的速度可以滿足應(yīng)用。而數(shù)字濾波和抽取均通過軟件來實(shí)現(xiàn)，配置靈活。4.5 整體硬件電路設(shè)計(jì)電路的原理圖見圖4-3。電路由傳感器電路、信號放大和整形電路、單片機(jī)電路、數(shù)碼顯示電路等部分組成。圖4-3 電路的原理圖傳感器主要由紅外線發(fā)射二極管和接收二極管組成，測量的原理如下：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，血管中血液的流量將發(fā)生變化。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。脈沖信號由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，輸出的脈沖信號作為單片機(jī)的外部中斷信號?？勺冸娮鑂P1用來調(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P3.2輸入的脈沖信號進(jìn)行計(jì)算處理后把結(jié)果送到數(shù)碼管顯示。發(fā)光二極管VD3作脈搏測量狀態(tài)顯示，脈搏每跳動一次發(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)采用動態(tài)掃描顯示的方式，使用共陽數(shù)碼管， P3.3-P3.5口作三個(gè)數(shù)碼管的動態(tài)掃描位驅(qū)動碼輸出，通過三極管驅(qū)動數(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)動數(shù)碼管的各字段。第五章 軟件設(shè)計(jì)5.1 程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的硬件平臺的核心為ADuC841，其片內(nèi)微控制器是一個(gè)優(yōu)化的單指令周期8052 閃存MCU，它的指令系統(tǒng)保持與8051指令系統(tǒng)兼容。ADuC內(nèi)程序主要功能為：（1）系統(tǒng)初始化；（2）改變DAC0電平狀態(tài)，驅(qū)動紅外光二極管；（3）管理ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；（4）數(shù)字濾波處理；（5）與中央監(jiān)測系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。本文選用ADI公司的單片機(jī)ADC841，其內(nèi)部集成了速度可達(dá)400k的12位逐次逼近型ADC，模擬輸入范圍是02.5v，則分辨率為0.6mv/LSB。從軟件需求和單片機(jī)速度出發(fā)，將ADC采樣率fs定為102.4kHz，為便于計(jì)算，將過采樣倍數(shù)k定為64，則下抽取后采樣率為f為：fs/k=1600Hz，是頻率為400Hz載波的四倍，滿足奈奎斯特采樣定理。由于過采樣倍數(shù)k為64，按每提高4倍采樣率就能提高一位分辨率來計(jì)算，獲得的ADC有效分辨率能提高3位，最后能達(dá)到約15位精度，其分辨率可達(dá)到0.0763mv/LSB。過采樣和數(shù)字濾波的實(shí)現(xiàn)都是在AD中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)的。集成于單片機(jī)上的ADC由定時(shí)器2產(chǎn)生用于A/D轉(zhuǎn)換的重復(fù)觸發(fā)信號，因此需要通過設(shè)置T2寄存器重新裝載的值來獲得102.4kHz的采樣率，參考信號取自片上自帶的2.5V基準(zhǔn)電壓，設(shè)置ADCCON1#0B2H，ADCCON2#00H。定時(shí)器2是一個(gè)具有16位自動重裝載功能的定時(shí)器，作定時(shí)器用時(shí)，TH2和TL2計(jì)的是機(jī)器周期數(shù)，TH2和TL2內(nèi)容的自動重裝載通過寄存器RCAP2H和RCAP2L來實(shí)現(xiàn)。對這四個(gè)寄存器都進(jìn)行初始化，自動裝載值為#0FFCAH。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。人體脈搏正常跳動約為60次/ 分左右,即跳動頻率在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)段內(nèi)的數(shù)據(jù)累加2048/（2*64）16次，(2)將脈沖載波低電平時(shí)段內(nèi)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)過上述對信號的解調(diào)，有效去除背景光、雜散光的干擾。程序同時(shí)實(shí)現(xiàn)了過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。當(dāng)脈搏檢測系統(tǒng)與中央監(jiān)測系統(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)送握手信號與系統(tǒng)機(jī)建立通信，當(dāng)握手成功后，系統(tǒng)開中斷并將轉(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。所得到的光電脈搏波波形如圖5-1所示。圖5-1 光電脈搏波波形顯示圖5.2 程序源代碼#include unsigned char i,j,t,m,DelayTime,DispBuf3；unsigned int n,mb；unsigned char codeBitTab3=0xf7,0xef,0xdf； /位驅(qū)動碼unsigned char codeDispTab10=0x81,0xcf,0x92,0x86,0xcc,0xa4,0xa0,0x8f,0x80,0x84； /字形碼sbit P3_0=P30；void delay(DelayTime)；main() /主程序TMOD=0x01；/定時(shí)器T0工作于方式1TH0=0xec；TL0=0x78；/T0定時(shí)時(shí)間為5msIE=0X83； /開中斷IT0=1； /外部中斷0為邊沿觸發(fā)方式TR0=1； /開定時(shí)器T0for( ) /脈搏指示燈控制if(P3_0=0)delay(200);P3_0=1;external0() interrupt 0/外部中斷服務(wù)程序P3_0=0； /點(diǎn)亮指示燈if(n=0)mb=0；elsemb=12000/n； /計(jì)算每分鐘脈搏數(shù)DispBuf2=mb%10； /取個(gè)位數(shù)mb=mb/10;DispBuf1=mb%10； /取十位數(shù)DispBuf0=mb/10； /取百位數(shù)n=0；Timer0() interrupt 1 /定時(shí)中斷服務(wù)程序TH0=0xec；TL0=0x78；t=BitTabj； /取位值P3=P3|0x38； /P3.3-P3.5送1P3=P3&t； /P3.3-P3.5輸出取出的位值t=DispBufj； /取出待顯示的數(shù)t=DispTabt； /取字形碼P1=t； /字型碼由P3輸出顯示j+； /j作為數(shù)碼管的計(jì)數(shù)器,取值0-2,顯示程序通過它確認(rèn)顯示哪個(gè)數(shù)碼管if(j=3)j=0；n+；if(n=2000) /10秒鐘測不到心率,n復(fù)位n=0；void delay(DelayTime)/延時(shí)子程序for(；DelayTime0；DelayTime-)for(i=0；i250；i+)；結(jié)束語脈搏檢測中關(guān)鍵技術(shù)是傳感器的設(shè)計(jì)與傳感器輸出的微弱信號提取問題, 本文設(shè)計(jì)的脈搏波檢測系統(tǒng)以光電檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，并采用了脈沖振幅光調(diào)制技術(shù)消除周圍雜散光、暗電流等各種干擾的影響。并利用過采樣技術(shù)和數(shù)字濾波等數(shù)字信號處理方法，代替實(shí)現(xiàn)模擬電路中的放大濾波電路的功能。本系統(tǒng)模擬電路簡單，由ADC841芯片實(shí)現(xiàn)脈搏信號采集，信號處理和脈搏次數(shù)的計(jì)算等功能，因此體積小，功耗低，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)脈搏波的實(shí)時(shí)存儲并可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)(PC 機(jī))的實(shí)時(shí)通訊, 因此可作為多參數(shù)病人中心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)模塊完成心率檢測和脈搏波形顯示。當(dāng)該放大器用于集群脈搏測量儀時(shí)，一定要注意不同信號通道之間的相互影響，建議把各個(gè)放大器的電源分開。此外，測量通道需要一個(gè)開關(guān)電路，當(dāng)指夾懸空時(shí)，這個(gè)開關(guān)電路關(guān)閉單穩(wěn)態(tài)電路，切斷信號通路，防止亂計(jì)。幾年的生產(chǎn)實(shí)踐證明，該放大處理電路穩(wěn)定可靠。下面是筆者在設(shè)計(jì)中獲得的一些體會。采用二級放大好于三級放大，個(gè)別三級放大電路板的零點(diǎn)漂移大得足以達(dá)到滿幅，使得測量不準(zhǔn)確。每個(gè)單級放大器放大倍數(shù)最好不要大于30，以免自激振蕩。本信號放大器的高頻轉(zhuǎn)折頻率由C05、C04、R07、R08和R06決定，C05、C04通常選聚丙烯電容器或聚碳酸酯電容器，R07、R08和R06通常選金屬膜五色環(huán)電阻。IClA、R02和R03組成電壓跟隨器，設(shè)計(jì)值為2.5V，精確度由R02和R03決定，最好用金屬膜五色環(huán)電阻器。隔直電容器C03的漏電要小，選用鉭電解電容器為佳。IClA和IC1B要選用偏置電流小、輸入失調(diào)電壓小的運(yùn)算放大器?？紤]到性價(jià)比，筆者使用了TLC2264和TLC2262。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我動手、思考和解決問題的能力。我覺得做畢業(yè)設(shè)計(jì)同時(shí)也是對課本知識的鞏固和加強(qiáng)，平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問題老是弄不懂，做完設(shè)計(jì)，那些問題就迎刃而解了