游泳運(yùn)動(dòng)員心率監(jiān)測儀設(shè)計(jì)--醫(yī)學(xué)儀器綜合課程設(shè)計(jì).doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除河南科技大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書課程設(shè)計(jì)名稱 醫(yī)學(xué)儀器綜合課程設(shè)計(jì) 題 目 游泳運(yùn)動(dòng)員心率監(jiān)測儀設(shè)計(jì) 學(xué) 院 醫(yī)學(xué)技術(shù)與工程學(xué)院 班 級 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 日 期 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程設(shè)計(jì)名稱 醫(yī)學(xué)儀器綜合課程設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 專業(yè)班級 設(shè)計(jì)題目 游泳運(yùn)動(dòng)員心率監(jiān)測儀設(shè)計(jì) 一、 課程設(shè)計(jì)目的1、利用所學(xué)的專業(yè)課知識(shí)，綜合應(yīng)用醫(yī)學(xué)傳感器、醫(yī)學(xué)電子學(xué)、醫(yī)學(xué)儀器原理和接口技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)等多方面的知識(shí)，設(shè)計(jì)簡單的醫(yī)學(xué)儀器。2、掌握醫(yī)學(xué)儀器的一般結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法。3、掌握電子電路設(shè)計(jì)工具軟件的使用、掌握電子電路設(shè)計(jì)技術(shù)與方法。4、掌握電子器件、電路的測試技術(shù)及實(shí)驗(yàn)測試儀器的使用。二、 設(shè)計(jì)內(nèi)容、技術(shù)條件和要求1、設(shè)計(jì)游泳運(yùn)動(dòng)員心率監(jiān)測儀總體設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)心率檢測電路的設(shè)計(jì)。2、寫出游泳運(yùn)動(dòng)員心率監(jiān)測儀設(shè)計(jì)的意義和背景。3、給出兩種設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行方案選擇、實(shí)現(xiàn)優(yōu)選方案的儀器設(shè)計(jì)。4、使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)并繪制出系統(tǒng)電路圖、根據(jù)電路圖進(jìn)行電路連接與調(diào)試，并顯示結(jié)果。設(shè)計(jì)任務(wù)劃分：你的主要設(shè)計(jì)任務(wù)是（ 1 ）任務(wù)序號(hào)任務(wù)1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（電路原理圖）及實(shí)驗(yàn)2總體方案比較及選擇（擬解決的關(guān)鍵問題和措施、設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和難點(diǎn)）三、 時(shí)間進(jìn)度安排（第一周） 1、根據(jù)題目查找、收集和整理所需資料，制定設(shè)計(jì)方案和實(shí)施辦法 （第二周周一至周三） 2、設(shè)計(jì)并繪出系統(tǒng)電路原理圖（用PROTEL或MULTISIM進(jìn)行電路仿真與設(shè)計(jì)）（第二周周四至第三周周一） 3、根據(jù)設(shè)計(jì)電路圖進(jìn)行電路連接、制作與調(diào)試（第三周周二至周三） 4、整理設(shè)計(jì)資料，提交設(shè)計(jì)報(bào)告（第三周周四、周五） 5、課程設(shè)計(jì)情況報(bào)告及現(xiàn)場操作演示（答辯）四、 主要參考文獻(xiàn)醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計(jì) 余學(xué)飛主編，華南理工大學(xué)出版社醫(yī)用檢驗(yàn)儀器原理、構(gòu)造與維修劉鳳軍主編，中國醫(yī)藥科技出版社生物醫(yī)學(xué)傳感器和檢測技術(shù)楊玉星主編，華中科技大學(xué)出版社生物醫(yī)學(xué)電子學(xué) 張唯真主編，清華大學(xué)出版社電子技術(shù)基礎(chǔ) 康華光主編，高等教育出版社醫(yī)學(xué)儀器齊頒揚(yáng)主編，高等教育出版社生物醫(yī)學(xué)測量與儀器王保華主編，復(fù)旦大學(xué)出版社指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日摘 要心率是指人體心臟每分鐘搏動(dòng)的次數(shù)，它是反映心臟是否正常工作的一個(gè)重要參數(shù)，同時(shí)心率值又是衡量體力勞動(dòng)強(qiáng)度和腦力勞動(dòng)強(qiáng)度的重要指標(biāo)。目前心率監(jiān)測系統(tǒng)在我們的日常生活中已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用。本課題設(shè)計(jì)完成了一個(gè)基于51單片機(jī)的心率監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心，以紅外發(fā)光二極管和光敏三極管為傳感器，利用單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部定時(shí)器來計(jì)算時(shí)間，光敏三極管感應(yīng)心跳脈沖，單片機(jī)通過脈沖累加計(jì)算心臟跳動(dòng)次數(shù)，在數(shù)碼管上顯示心跳次數(shù)和時(shí)間。實(shí)現(xiàn)了心率的實(shí)時(shí)監(jiān)測與顯示、定時(shí)測量以及報(bào)警提醒等功能。關(guān)鍵詞：心率監(jiān)測；AT89C51單片機(jī)；光電傳感器此文檔僅供學(xué)習(xí)與交流目 錄（指導(dǎo)教師填寫）II摘 要III第1章 概述11、心率監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用1第2章 心率監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理22.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理22.2 工作原理2第3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)43.1 控制器43.1.1 AT89C51 簡介43.1.2 AT89C51 的特點(diǎn)43.1.3 AT89C51 的結(jié)構(gòu)43.2 心率信號(hào)采樣63.2.1 光電傳感器的原理63.2.2 光電傳感器的結(jié)構(gòu)73.2.3 光電傳感器檢測原理73.2.4 信號(hào)采樣電路83.3 信號(hào)放大電路93.3.1 LM324放大器93.3.2 低通放大電路93.4 波形整形電路113.5 單片機(jī)控制電路133.6 LED顯示電路133.6.1 LED的結(jié)構(gòu)及其工作原理143.6.2 LED數(shù)碼管的顯示方式153.7 報(bào)警電路153.8 硬件系統(tǒng)原理16第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)174.1 主程序流程174.2 中斷程序流程174.3 顯示程序流程18參考文獻(xiàn)19附 錄20 第1章 概述1、心率監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用心率不但能夠反映心臟的工作狀態(tài)是否正常，也可以用來衡量腦力勞動(dòng)和體力勞動(dòng)的強(qiáng)度。健康成年人安靜時(shí)，心率的個(gè)體差異比較顯著，大概范圍在60150次/分之間，平均為75次/分左右。根據(jù)被測人的年齡、性別以及其他生理情況，心率會(huì)有所不同。初生兒的心率很快，可達(dá)130次/分以上。在健康的成年人中，一般男性的心率比女性較慢。人體運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，心率會(huì)隨機(jī)體代謝的強(qiáng)度增加而增加，在一定范圍內(nèi)心率可以作為運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和機(jī)體的代謝水平的參考指標(biāo)，因此，心率常被用于有氧運(yùn)動(dòng)中對運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的控制。運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，心率恢復(fù)時(shí)間的長短又可用作評定運(yùn)動(dòng)負(fù)荷是否適宜以及心臟機(jī)能狀態(tài)是否正常的依據(jù)和指標(biāo)。因此心率測試有很大的臨床意義，它的機(jī)理急待于我們進(jìn)行研究。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，心率測試技術(shù)越來越先進(jìn)，消費(fèi)者對心率測試儀精度的要求也越來越高。國內(nèi)外科學(xué)家先后研制了不同類型的心率測試儀，而設(shè)計(jì)關(guān)鍵是對高精確度高靈敏度傳感器的開發(fā)。本設(shè)計(jì)采用反射式光電傳感器來采集人體的脈搏信號(hào)，檢測的部位為被測者手指指尖或者耳垂。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能傳感器也逐步應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域。醫(yī)用領(lǐng)域?qū)鞲衅髋c信號(hào)采集、放大濾波裝置、計(jì)算機(jī)等相結(jié)合構(gòu)成新型智能測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以單方面測量心率、血壓等，也可進(jìn)行對人體的多點(diǎn)測量，完整檢測脈搏的波動(dòng)狀態(tài)，能夠更加科學(xué)的反映心率的變化，從而為醫(yī)生的診斷提供詳細(xì)參考依據(jù)。人體心室周期性的收縮和舒張引起主動(dòng)脈的收縮和舒張，是血壓以波的形式從主動(dòng)脈根部開始沿著整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)傳播，這種波成為心率波4。從心率波中提取人體的病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到了中外醫(yī)學(xué)界的重視。心率波所呈現(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)中許多病理的血流特征，因此對心率波采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景5。但人體的生物信號(hào)多屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻弱信號(hào)，心率波信號(hào)更是低頻微弱的非電生理信號(hào)，因此必需經(jīng)過放大和濾波以滿足采集的要求。第2章 心率監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理光電式心率監(jiān)測系統(tǒng)是利用光電傳感器作為變換原件，將采集到的用于檢測心臟跳動(dòng)的紅外光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用電子儀表進(jìn)行顯和示測量的裝置。該系統(tǒng)的組成包括信號(hào)處理電路、光電傳感器、單片機(jī)電路、數(shù)碼顯示、電源等部分。光電傳感器是將非電量(紅外光)轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，由紅外發(fā)射二極管和接收三極管組成，可以將接收到的紅外光按一定的函數(shù)關(guān)系(通常是線性關(guān)系)轉(zhuǎn)換成便于測量的物理量(如電壓、電流或頻率等)輸出。信號(hào)處理電路主要處理光電傳感器采集到的低頻信號(hào)的模擬電路(包括放大、濾波、整形等)。單片機(jī)電路利用單片機(jī)自身的定時(shí)中斷計(jì)數(shù)功能對輸入的脈沖電平進(jìn)行運(yùn)算得出心率(包括AT89C51、外部晶振、外部中斷等)。電源電路向光電傳感器、信號(hào)處理、單片機(jī)提供的電源，可以是5V-9V的交流或直流的穩(wěn)壓電源。2.2 工作原理本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)AT89C51為控制核心，實(shí)現(xiàn)心率監(jiān)測系統(tǒng)的基本測量功能。該系統(tǒng)的硬件框圖如下圖2.1 所示：外部中斷信號(hào)光電傳感器低通放大器比較器/振蕩器單片機(jī)AT89C51數(shù)碼顯示電路外部晶振報(bào)警電路圖2.1 心率監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理當(dāng)手指放在紅外發(fā)射二極管和接收三極管中間，隨著心臟的跳動(dòng)，血管中血液的流量將發(fā)生變換。由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液飽和度的變化會(huì)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)，紅外接收三極管的電流也跟著改變，這就使紅外接收三極管輸出脈沖信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大、濾波、整形后輸出，輸出的脈沖信號(hào)作為單片機(jī)外部中斷信號(hào)。單片機(jī)電路對輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理之后把結(jié)果送到數(shù)碼管顯示。第3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 控制器本系統(tǒng)基于51系列單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)功能，因?yàn)橄到y(tǒng)沒有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們最終選擇了比較普遍的AT89C51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3.1.1 AT89C51 簡介AT89C5l是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器(PEROM)和128 bytes隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大。3.1.2 AT89C51 的特點(diǎn)與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容1000次擦寫周期全靜態(tài)操作：OHz-24MHz三級加密程序存儲(chǔ)器128*8字節(jié)的內(nèi)部RAM32個(gè)可編程IO口線2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器6個(gè)中斷源可編程串行UART通道3.1.3 AT89C51 的結(jié)構(gòu)此次設(shè)計(jì)所使用的AT89C51 的封裝形式是DIP40。如圖3.1 所示。圖3.1 AT89C51的封裝形式引腳功能：Vcc：電源電壓GND：接地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I0口，也是地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗轉(zhuǎn)入端用。Pl口：P1是個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因內(nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。P3口：可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備；作為第二功能使用。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE仍能以時(shí)鐘振器頻率的16輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。PSEN：程序存儲(chǔ)允許(PSEN)輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C51由外部程序存儲(chǔ)器取指令(或數(shù)據(jù))時(shí)每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這兩次有效的PSEN信號(hào)不出現(xiàn)。EAVPP：EA 0，單片機(jī)只訪問外部程序存儲(chǔ)器。EA 1，單片機(jī)訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。3.2 心率信號(hào)采樣目前心率監(jiān)測系統(tǒng)有以下幾種檢測方法：液體耦合腔心率傳感器、光電容積脈搏波法、壓阻式心率傳感器以及應(yīng)變式心率傳感器。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,主要由于光能避開強(qiáng)烈的電磁干擾, 具有很高的絕緣性,可非侵入地檢測病人各種癥狀信息，具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、精度高、可重復(fù)等優(yōu)點(diǎn)6。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學(xué)儀器工作專家和學(xué)者的重視。3.2.1 光電傳感器的原理根據(jù)朗伯一比爾(LamberBeer)定律，物質(zhì)在一定波長處的吸光度和其濃度成正比。當(dāng)恒定波長的光照射到人體組織上時(shí)，通過人體組織的吸收、反射衰減后，測量到的光強(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。心率主要由人體動(dòng)脈舒張和收縮產(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，其中非血液組織光的吸收量是恒定的。在血液中，靜脈血的搏動(dòng)相對于動(dòng)脈血來說十分微弱，可以忽略。因此可以認(rèn)為光透過手指后的變化僅由動(dòng)脈血的搏動(dòng)引起，那么在恒定波長的光照下，通過檢測透過手指的光強(qiáng)將可以間接測量到人體的心率信號(hào)7。3.2.2 光電傳感器的結(jié)構(gòu)傳感器由紅外發(fā)光二級管和接收三極管組成。選用紅外發(fā)光二極管作為光源時(shí)，可基本抑制由呼吸運(yùn)動(dòng)造成的心率波曲線的漂移。紅外接收三極管在紅外光照射下能產(chǎn)生電能，它的特性是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，紅外接收三極管和紅外發(fā)射二極管相對擺放以獲得最佳的指向特性。從光源發(fā)出的光除了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。光電式心率傳感器8按照光的接收方式可分為透射式和反射式兩種。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稱布置，這種方法可較好地反映出心律的時(shí)間關(guān)系。因此本系統(tǒng)采用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3.2所示。圖3.2 透射式光電傳感器3.2.3 光電傳感器檢測原理隨著心臟的跳動(dòng)，人體組織半透明度隨之改變：當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明度減小，當(dāng)血液流回心臟，組織半透明度則增大；這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最明顯9。因此本設(shè)計(jì)將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體手指部位，經(jīng)過手指組織的反射和衰減由裝在該部位旁邊的光敏三管來接收其透射光并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于手指動(dòng)脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動(dòng)變化，所以它對光的反射和衰減也是周期性脈動(dòng), 于是紅外接收三極管輸出信號(hào)的變化也就反映了動(dòng)脈血的脈動(dòng)變化。只要把此電信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示10，即可實(shí)時(shí)的測出心臟跳動(dòng)的次數(shù)。3.2.4 信號(hào)采樣電路硬件電路中，關(guān)鍵部分在于心率信號(hào)的檢測。系統(tǒng)采用紅色發(fā)光二極管和硫化鎘光敏電阻組成透射遮光指套式光電傳感器。紅色發(fā)光二極管穩(wěn)定性好，遮光指套式的裝置減少了外界光的干擾，只需將待測手指插入，便可進(jìn)行測量測試時(shí)，被測手指正好處在發(fā)光二極管和光敏電阻之間，這樣一來，光敏電阻的阻值便將隨著手指的血容量的變化而變化。心率信號(hào)采樣電路如圖3.3所示，U4是紅外發(fā)射和接收裝置，由于紅外發(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，所以對R17阻值的選取要求較高。R17選擇270同時(shí)也是基于紅外接收三極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R17過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小，紅外接收三極管無法區(qū)別有心跳和無心跳時(shí)的信號(hào)。反之，R17過小，通過的電流偏大，紅外接收三極管也不能準(zhǔn)確地辨別有心跳和無心跳時(shí)的信號(hào)。硬件系統(tǒng)是通過檢測指尖來采取脈搏信號(hào)，從而得到心率信號(hào)。當(dāng)手指離開傳感器或檢測到較強(qiáng)的干擾光線時(shí)，輸入端的直流電壓會(huì)出現(xiàn)很大變化，為了使它不致泄露到U3A輸入端而造成錯(cuò)誤指示，用C8、C10串聯(lián)組成的雙極性耦合電容把它隔斷11。圖3.3 信號(hào)采集電路3.3 信號(hào)放大電路3.3.1 LM324放大器LM324 是四運(yùn)放集成電路，它采用14 腳雙列直插塑料封裝.它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖3.4所示符號(hào)來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-(-)為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相反；Vi+(+)為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相同。LM324 的引腳排列見圖3.5。 圖3.4 運(yùn)算放大器 圖3.5 引腳排列由于LM324 四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小， 價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各種電路中。3.3.2 低通放大電路因?yàn)橥ㄟ^光電傳感器接收到的信號(hào)極其微弱，容易被其外圍電路所干擾， 因此系統(tǒng)必須為信號(hào)處理電路提供電源。檢測到的信號(hào)經(jīng)過LM324放大器放大后仍存在較大的偏置電壓，因此必須在信號(hào)輸入端加濾波電容，將電路中的直流成份濾掉并保證不影響交流信號(hào)的傳遞。該系統(tǒng)按人體心率在運(yùn)動(dòng)后跳動(dòng)次數(shù)達(dá)200次/分鐘的計(jì)算來設(shè)計(jì)低通放大器。如圖3.6所示，R24、C6組成低通濾波器以進(jìn)一步濾除殘留的干擾，截止頻率由R24、C6決定，運(yùn)放U3A將信號(hào)放大，放大倍數(shù)由R22和R24的比值決定。經(jīng)過低通放大后輸出的信號(hào)是疊加有噪聲的脈動(dòng)正弦波12。圖3.6 信號(hào)低通放大電路根據(jù)一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)，可得： (3.1)放大倍數(shù)為： () (3.2) 截止頻率為： (3.3)按人體心率跳動(dòng)為200次/分鐘時(shí)的頻率是3.3 Hz考慮，低頻特性是令人滿意的。經(jīng)低通放大后輸出的信號(hào)是疊加有噪聲的脈動(dòng)正弦波，波形如圖3.7所示。圖3.7 脈動(dòng)正弦波3.4 波形整形電路本電路的功能是將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為高低電平信號(hào)輸出到單片機(jī)系統(tǒng)，采用反向滯回電壓比較器進(jìn)一步提高電路抗干擾能力。通過對強(qiáng)弱心率信號(hào)的測試和統(tǒng)計(jì)分析可以將其閾值確定，整形電路如圖3.8所示，U3B是一個(gè)電壓比較器，C7、R27構(gòu)成一個(gè)微分器，U3C和C15、R31組成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，其脈寬由C15、R31決定。U3B的輸出信號(hào)(波形如圖3.9)經(jīng)C7、R27的微分后總是將正、負(fù)相間的尖脈沖(波形如圖3.10)加到單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器U3C的反向輸入端，不會(huì)造成很大的觸發(fā)誤差，因此稍微調(diào)節(jié)下R28即可將該比較器的閥值電壓控制在正弦波的幅值范圍內(nèi)。當(dāng)檢測到輸入信號(hào)時(shí)，U3B在比較器輸入信號(hào)的每個(gè)后沿到來時(shí)輸出高電平，使C15通過R31充電。大約持續(xù)20ms之后，因C15充電電流減小而使U3B同相輸入端的電位降低到低于反相輸入端的電位，于是U3B改變狀態(tài)并再次輸出低電平。脈沖高電平與心跳同步，并由紅色發(fā)光二極管DS3的閃亮指示出來，即發(fā)光二極管作心跳狀態(tài)顯示，心臟每跳動(dòng)一次發(fā)光二極管就亮一次。同時(shí)，該脈沖電平通過R29送到單片機(jī)/INTO腳，進(jìn)行對心率的計(jì)算和顯示，輸出波形如圖3.11所示。圖3.8 波形整形電路經(jīng)過比較器U3C產(chǎn)生的輸出波形：圖3.9 輸出波形經(jīng)過微分器產(chǎn)生的輸出波形：圖3.10 比較后的輸出波形單片機(jī)接收到的信號(hào)：圖3.11 接收信號(hào)3.5 單片機(jī)控制電路該設(shè)計(jì)采用單片機(jī)最小系統(tǒng)作為信號(hào)的處理電路，如圖3.12所示，來自取樣和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機(jī)AT89C51的/INTO腳，單片機(jī)設(shè)為負(fù)跳變中斷觸發(fā)模式，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)，來一個(gè)脈沖心跳次數(shù)就加一；定時(shí)器中斷主要完成一分鐘的定時(shí)功能 13。圖3.12 單片機(jī)處理電路3.6 LED顯示電路該設(shè)計(jì)采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示數(shù)據(jù)，兩個(gè)4位的共陽極LED數(shù)碼管組成8位顯示，其中0、1兩位顯示測量中的時(shí)間，3、4兩位顯示測量中的心跳次數(shù)，6、7兩位用來顯示上次測量的數(shù)據(jù)，如圖3.13所示。單片機(jī)P0口控制顯示字型，P2口控制顯示字位。圖3.13 單片機(jī)處理電路3.6.1 LED的結(jié)構(gòu)及其工作原理LED數(shù)碼管是由發(fā)光二極管顯示字段組成的。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用最多的就是七段LED數(shù)碼管，有共陰極和共陽極兩種。共陰極LED數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管陰極，通常接地，當(dāng)發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。共陽極的LED數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管的陽極，通常接+5V電源，當(dāng)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。本設(shè)計(jì)中采用的是4位七段共陽極數(shù)碼管顯示器，一共具有12個(gè)引腳，4個(gè)位選端，8個(gè)字選端。圖3.14中所示，1、2、3、4是位選端；ag、Dp是字選端。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.15所示。圖3.14 4位數(shù)碼管引腳分布圖圖3.15 4位共陽極數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖3.6.2 LED數(shù)碼管的顯示方式LED數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)碼管的顯示方式可以分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩類。靜態(tài)顯示方式是指當(dāng)顯示器顯示某一字符時(shí)，發(fā)光二極管的位選始終被選中。在這種顯示方式下，每一個(gè)LED數(shù)碼管顯示器都需要一個(gè)8位的輸出口進(jìn)行控制。靜態(tài)顯示主要的優(yōu)點(diǎn)是顯示穩(wěn)定，缺點(diǎn)在于占用硬件資源較多，每個(gè)LED數(shù)碼管需要獨(dú)占8條輸出線。動(dòng)態(tài)顯示方式是指一位一位地輪流點(diǎn)亮每位顯示器(稱為掃描)，即每個(gè)數(shù)碼管的位選被輪流選中，多個(gè)數(shù)碼管公用一組段選，段選數(shù)據(jù)僅對位選選中的數(shù)碼管有效。對于每一位顯示器來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。通過調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可以既保證亮度，又保證顯示。若顯示器的位數(shù)不大于8位，則顯示器的公共端只需一個(gè)8位I/O口進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描(稱為掃描口)，控制每位顯示器所顯示的字形也需一個(gè)8位口(稱為段碼輸出)。通過比較，可以發(fā)現(xiàn)LED動(dòng)態(tài)顯示更加適合本設(shè)計(jì)，所以采用此方法。3.7 報(bào)警電路報(bào)警電路部分如圖3.16所示，它使用的是一個(gè)蜂鳴器，一端接P1.1，另外一端接地。當(dāng)P1.1為高電平是就發(fā)出嘟的聲音，為報(bào)警提示音。在系統(tǒng)初始化完成時(shí)會(huì)“嘟、嘟、嘟”連響三聲，系統(tǒng)正常運(yùn)行后在出現(xiàn)生理參數(shù)超出正常閾值時(shí)，報(bào)警電路會(huì)嘟嘟嘟的報(bào)警到生理參數(shù)回到正常閾值內(nèi)或重啟監(jiān)測儀才能解除報(bào)警。圖3.16 報(bào)警電路3.8 硬件系統(tǒng)原理該硬件電路系統(tǒng)由信號(hào)取樣、信號(hào)放大、波形整流、數(shù)碼管顯示以及報(bào)警等以上幾部分電路組成，心率信號(hào)通過采樣電路的傳感器檢測，再經(jīng)過信號(hào)放大，濾波，整流后，由單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理，最后將檢測到的信號(hào)通過顯示電路顯示出來，其硬件原理圖如圖3.17所示。圖3.17 電路原理圖第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 主程序流程該系統(tǒng)主程序控制單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運(yùn)行, 它是單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)通上電后，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化程序主要完成對單片機(jī)內(nèi)的專用寄存器、定時(shí)器工作方式及各端口的工作狀態(tài)的設(shè)定。系統(tǒng)初始化之后， 進(jìn)行定時(shí)器中斷、外部中斷、顯示數(shù)據(jù)等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序15流程如圖4.1所示。圖4.1 主程序流程圖4.2 中斷程序流程定時(shí)器中斷服務(wù)程序是由一分鐘計(jì)時(shí)、有無測試信號(hào)判斷等部分組成。當(dāng)定時(shí)器中斷開始執(zhí)行后，對一分鐘開始計(jì)時(shí)，到60s再停止并保存測得的心跳次數(shù)。同時(shí)對按鍵進(jìn)行檢測，只要復(fù)位測試值就可以重新開始測試。完成一分鐘的定時(shí)功能和保存測得的心跳次數(shù)。外部中斷服務(wù)程序完成對外部信號(hào)的測量和計(jì)算。外部中斷采用邊沿觸發(fā)的方式，當(dāng)處于測量狀態(tài)的時(shí)候，每來一個(gè)脈沖心跳次數(shù)就加一，由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器控制一分鐘，累加得出一分鐘內(nèi)的心跳次數(shù)，其流程如圖4.2所示。圖4.2 中斷程序流程圖4.3 顯示程序流程顯示程序包括顯示上次心跳次數(shù)、本次測量中的心跳次數(shù)和時(shí)間。從中斷程序中取得結(jié)果后，先顯示上次的心跳次數(shù)，經(jīng)過10ms的延時(shí)后再顯示測試中的心跳次數(shù)，再經(jīng)過10ms的延時(shí)顯示測試中的時(shí)間，其流程如圖4.3所示。圖4.3 顯示程序流程圖參考文獻(xiàn)1 歐陽俊，謝定基于BL-410的指端脈搏波采集系統(tǒng)應(yīng)用研究J實(shí)用預(yù)防醫(yī)學(xué)報(bào)，2004，第11卷，第2期，2-42 韓文波，曹維國，張精慧光電式脈搏波監(jiān)測系統(tǒng)J長春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，第22卷，第4期，2-63 朱國富，廖明濤，王博亮袖珍式脈搏波測量儀J電子技術(shù)應(yīng)用雜志，1998，第12卷，第1期，1-34 劉云麗，徐可欣微功耗光電式脈搏測量儀J電子測量技術(shù)雜志，2005，第2卷，第4期，2-55 程詠梅，夏雅琴，尚嵐人體脈搏波信號(hào)檢測系統(tǒng)J北京生物醫(yī)學(xué)工程報(bào)，2006，第25卷，第5期，1-36 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J醫(yī)療裝備學(xué)報(bào)，2005，第17卷，第9期，2-147 郁道銀，談恒英工程光學(xué)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19988 張福學(xué)傳感器應(yīng)用及其電路精選(下冊)M北京：電子工業(yè)出版社，19929 李林功，吳飛青，王兵等單片機(jī)原理及應(yīng)用M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007 附 錄參考程序心率監(jiān)控智能系統(tǒng)的信號(hào)采集、處理、顯示的程序#include #define uint8 unsigned char#define uint16 unsigned int#define TIMER0_HIGHT 0xDC/設(shè)置定時(shí)器0工作方式1自動(dòng)裝載初值，定時(shí)10ms，F(xiàn)osc=11.059200MHZ#define TIMER0_LOW 0x00sbit keyin = P31;/按鍵輸入bit starttest;/啟動(dòng)測心率標(biāo)志uint16 cnt10ms;/10ms計(jì)數(shù)器uint8 cnt1s;/1秒計(jì)數(shù)器uint8 Pulsecnt;/心跳次數(shù)，計(jì)數(shù)器uint8 Pulsenum;/上次測試的心跳次數(shù)uint8 codeDispCode=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90;/共陽數(shù)碼管段碼表void Init_Extint(void);void TimerInitProc();void initvar();void Init_System(void);void Display(uint8 chose_dat, uint8 dat);void ShowDisp(uint8 tPulsenum, uint8 tPulsecnt, uint8 tcnt1s);void DelayMs(uint8 Ms);void main()Init_System();/初始化while(1)ShowDisp(Pulsenum, Pulsecnt, cnt1s);/顯示/* 函 數(shù) 名: Exti0_interrupt* 函數(shù)功能: /INT0引腳下降沿進(jìn)入中斷* 入口參數(shù): 無* 返 回: 無*/void Ext0_interrupt(void) interrup