脈搏心率測(cè)試儀測(cè)試與制作報(bào)告

1、成績(jī) 五邑大學(xué)電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題 目：脈搏心率測(cè)試儀測(cè)試與制作院 系 信息工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 陳鵬 講師 報(bào)告日期 2013年1月 脈搏心率測(cè)試儀測(cè)試與制作引 言 脈搏波所呈現(xiàn)出來(lái)的形態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息，能反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理疾病的血流特征。本系統(tǒng)是采用STC89C52單片機(jī)為核心而制作的一種實(shí)用型脈搏測(cè)量?jī)x。采用紅外發(fā)射管和接收管對(duì)人體的脈搏心率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到的信號(hào)濾波放大整形后送入STC89C52單片機(jī)進(jìn)行采集和處理。單片機(jī)將采集到的脈搏心率在液晶LCD1602上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。本文將首先描述本設(shè)計(jì)的整體思路，然后介紹各

2、個(gè)部分設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)，最后列出完善的計(jì)算和處理方式與結(jié)果。1. 設(shè)計(jì)解析與設(shè)計(jì)方案介紹平均心率值是指一分鐘內(nèi)心臟實(shí)際跳動(dòng)的次數(shù)，本心率測(cè)量?jī)x是測(cè)試平均心率值，測(cè)量方法主要有兩種: 一種是心電測(cè)量. 即根據(jù)心電圖上相鄰二次波形之間的間隔時(shí)間來(lái)計(jì)算心率值; 另一種是脈搏測(cè)量。通常心臟的跳動(dòng)與脈搏的跳動(dòng)是同步的, 因此只需測(cè)出脈搏跳動(dòng)次數(shù)就可以知道心率值測(cè)量脈搏是通過記錄處理脈搏傳感器發(fā)出的指脈電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本方案選擇的比較簡(jiǎn)單直接的脈搏測(cè)量方式。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及應(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

3、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(cè)病人各種癥狀信息。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。采用指套式的透射型光電傳感器模塊對(duì)人體實(shí)行心率數(shù)據(jù)采集，采集所得信號(hào)通過放大電路模塊實(shí)行電信號(hào)放大，然后信號(hào)通過濾波電路模塊進(jìn)行濾波（特別濾除50Hz市電干擾），再通過整形穩(wěn)壓電路進(jìn)行整形后，得到幅值在05v的正弦信號(hào)，再最后將信號(hào)通過斯密特比較器NE555形成矩形波并送入單片機(jī)控制顯示電路模塊實(shí)現(xiàn)平均心率結(jié)果顯示。其具體總體結(jié)構(gòu)框架如圖1.1：圖1.1 脈搏測(cè)量?jī)x系統(tǒng)框圖 傳感器兩級(jí)放大時(shí)間與心率顯示波形處

4、理模塊信號(hào)提取模塊濾波波形整形電壓跟隨接收顯示模塊單片機(jī)圖1.2 脈搏信號(hào)提取及處理電路結(jié)構(gòu)圖2. 脈搏信號(hào)提取部分光敏二極管的特性是將光信號(hào)強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換為電流變化，通過電路轉(zhuǎn)換再轉(zhuǎn)變成變化的電壓信號(hào)。此次設(shè)計(jì)采用的是BPW83 型紅外接收二極管和IR333 型紅外發(fā)射二極管，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。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

5、：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2.5 V。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，Vi 電位上升。由此看來(lái)，所謂脈搏信號(hào)的拾取實(shí)際上是通過紅外接收二極管，在有脈和無(wú)脈時(shí)暗電流的微弱變化，最終輸出20mv左右電壓信號(hào)。二極管夾指方式如圖2.1所示。因此，在接收電路中應(yīng)采用電流電壓轉(zhuǎn)換電路，將變化的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。轉(zhuǎn)換電路如圖2.2所示。圖2.1 指甲式脈搏傳感器 圖2.2 紅外傳感連接電路 3. 脈搏信號(hào)處理部分LM324運(yùn)放1用于電壓跟隨器，

6、如圖3.1所示；其主要作用有：（1） 增大輸入阻抗。電壓跟隨器具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點(diǎn)，這也使得傳感器部分輸入的微弱電壓信號(hào)得以有效輸入，為下面的濾波放大提供保障（2） 起到做緩沖級(jí)，隔離電路干擾作用。電壓跟隨器作緩沖級(jí)，能有效防止后級(jí)對(duì)于前級(jí)的干擾，從而隔離了后級(jí)的可能存在的干擾。因?yàn)槊}搏信號(hào)本身穩(wěn)定性很差，極易受到外界或是來(lái)自電路本身的干擾，電壓跟隨器的存在能有效避免來(lái)自電路的干擾LM324運(yùn)放2用于二階低通濾波放大電路，如圖3.2所示。通帶電壓增益為：總增益為：截止頻率為：由濾波電路可知，濾波部分為二階低通濾波電路；由所求截止頻率可知，該部分電路在輸入信號(hào)頻率為4.8HZ及以下時(shí)

7、，信號(hào)正常放大Au倍后輸出；在輸入信號(hào)頻率大于4.8HZ時(shí)，信號(hào)將快速衰減，最終無(wú)法導(dǎo)通。因而，濾波部分電路最多能檢測(cè)脈搏信號(hào)近300次每分鐘，使得使用者有較大的測(cè)量空間，且能有效地?cái)r截市電的50HZ干擾信號(hào)。 圖3.1 電壓跟隨器電路 圖3.2 二階低通濾波電路LM324運(yùn)放3、4用于同相放大電路，如圖3.3所示；NE555芯片用于電壓比較和信號(hào)波形整形，如圖3.4所示。信號(hào)提取模塊電路總的原理圖見附錄圖一。放大倍數(shù)為：雙同相放大器的放大倍數(shù)為：23 * 23 = 529電路總的放大倍數(shù)為：2 * 529 = 1058因而，在輸入信號(hào)低至5mV時(shí)，放大后輸出波形峰峰值近5mV*1058=52

8、90mV5V。而NE555整形芯片在+5V電源供應(yīng)下，其比較閥值為向上2/3Vcc向下1/3Vcc，所以輸入信號(hào)完全符合整形要求，且其輸出高電平為4.7V左右，完全能被STC89C52采集識(shí)別。因而，總體設(shè)計(jì)符合要求 圖3.3 同相比例放大電路 圖3.4 NE555整形電路4單片機(jī)顯示控制部分此次設(shè)計(jì)中的控制顯示部分主要由STC89C52單片機(jī)和LCD1602液晶顯示器共同構(gòu)成。（1）STC89C52單片機(jī)介紹STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為

9、眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。單片機(jī)運(yùn)作的基本電路需復(fù)位電路和振蕩電路（所用晶振為12MHz）。 （2）LCD1602液晶模塊介紹LCD1602液晶為5V電壓驅(qū)動(dòng)，帶背光，可顯示兩行，每行16個(gè)字符，不能顯示漢字，內(nèi)置含128個(gè)字符ASCII字符集字庫(kù)。將1602的8位數(shù)據(jù)口與單片機(jī)的P0口相連接。當(dāng)R/W腳（1602第5腳）為低電平時(shí)為寫操作狀態(tài)，這里可以一直讓其為

10、低電平。而當(dāng)RS（第4腳）為低電平時(shí)為寫指令，當(dāng)RS（第4腳）為高電平時(shí)為寫數(shù)據(jù)。1602的程序是根據(jù)PDF資料的寫操作時(shí)序圖進(jìn)行編寫的，通過對(duì)1602寫入指令和寫入數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行顯示。引腳3所接的可變電阻是作為1602的背光調(diào)節(jié)。其液晶顯示電路的具體電路，如圖4.1所示。 圖4.1 LCD1602顯示控制電路5.單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)部分該脈搏測(cè)量?jī)x的單片機(jī)程序，主要是LCD1602液晶的操作和顯示程序，采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。主要用到的單片機(jī)定時(shí)器。當(dāng)矩形波信號(hào)由P3.2口輸入時(shí)，由單片機(jī)記錄每一個(gè)低電平并通過定時(shí)顯示程序輸出顯示。除此外，需要借助定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，這里以60秒為周期計(jì)算接受整形后波形的低電

11、平個(gè)數(shù)，即得出我們需要脈搏數(shù)。以下便是ATC89C52單片機(jī)信號(hào)采集和LCD1602顯示控制的具體程序：/*頭文件部分*/頭文件maibo.h#ifndef _MAIBO_H_#define _MAIBO_H_#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int sbit key1=P10;sbit key2=P11;sbit LCD_RS = P25; sbit LCD_RW = P26; sbit LCD_EN = P27;sbit maibo = P32;#define LCD_data P0#endif/*主程序部分*

12、/主程序maibo.c#include#includeuchar code dis1 = Welcome To!;uchar code dis2 = Pulse Counter;uchar code dis3 = Start Testing?;uchar code dis4 = (1)Yes (2)No;uchar code dis5 = Test Results: ;uchar code dis6 = Please Wait!;uchar test_res = 00-000;int test_data;uint timer;/延時(shí)函數(shù)void delay(float xms)uchar i;

13、while(xms-) for(i=0;i110;i+) _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /忙檢測(cè)函數(shù)bit LCD_busy()bit result;LCD_RS = 0;LCD_RW = 1;LCD_EN = 1;_nop_();_nop_();result=(bit)(LCD_data&0x80);LCD_EN = 0;return result;/寫指令函數(shù)void LCD_wcmd(uchar cmd)while(LCD_busy();LCD_RS = 0;LCD_RW = 0;LCD_EN = 0;_nop_();_nop_(); LCD_d

14、ata=cmd;_nop_();_nop_();LCD_EN = 1;_nop_();_nop_();LCD_EN = 0;delay(100);/寫數(shù)據(jù)函數(shù)void LCD_wdat(uchar dat)while(LCD_busy();LCD_RS = 1;LCD_RW = 0;LCD_EN = 0;_nop_();_nop_();LCD_data=dat;_nop_();_nop_();LCD_EN = 1;_nop_();_nop_();LCD_EN = 0;/液晶初始化函數(shù)void LCD_init() LCD_wcmd(0x38); /16*2顯示，5*7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)LCD_wc

15、md(0x0c); /顯示開，關(guān)光標(biāo)LCD_wcmd(0x06); /移動(dòng)光標(biāo)LCD_wcmd(0x01); /清除LCD的顯示內(nèi)容/液晶行定位函數(shù)void LCD_pos(uint row,uint col)uchar pos;pos=0x80|(uchar)(0x40*(row-1)+(col-1);LCD_wcmd(pos);/數(shù)組顯示函數(shù)void LCD_dis(uchar dis)uchar i,arra;for(i=0;i16;i+=1)arra=disi;if(arra=0)/字符串結(jié)尾標(biāo)志break;elseLCD_wdat(arra);/人機(jī)界面初始化void dis_ini

16、t()maibo=1;EA = 1 ;/單片機(jī)開中斷設(shè)置TMOD=0X01;TH0=(65535-50000)/256; TL0=(65535-50000)%256;ET0 = 1; TR0 = 0; PT0 = 1;/定時(shí)器0設(shè)置/*IT0 = 1;EX0 = 0; PX0 = 0;/外部中斷0設(shè)置*/LCD_init();timer=0;test_data=0;LCD_pos(1,2);LCD_dis(dis1);delay(3000);LCD_wcmd(0x01);LCD_pos(1,2) ;LCD_dis(dis2);void dis_data()test_res0=0+(uint)(

17、timer/10); test_res1=0+(uint)(timer%10);test_res5=0+(uint)(test_data/100); test_res6=0+(uint)(test_data%100)/10); test_res7=0+(uint)(test_data%10);LCD_pos(2,5);LCD_dis(test_res);uint key_coding()uint cod;cod=0;if(key1=0)delay(8);while(key1);cod=1;if(key2=0)delay(8);while(key2);cod=2;return cod;void

18、main()/主函數(shù) uint counter=0; dis_init(); while(1) if(key_coding()=1)LCD_wcmd(0x01);LCD_pos(1,2) ;LCD_dis(dis3) ;LCD_pos(2,1) ;LCD_dis(dis4);timer=0;test_data=0;TR0=0;while(1)if(key_coding()=1)LCD_wcmd(0x01);LCD_pos(1,2) ;LCD_dis(dis6) ;dis_data() ;break;if(key_coding()=2)LCD_wcmd(0x01);LCD_pos(1,2) ;L

19、CD_dis(dis2) ;break;if(TF0=1)TF0=0;counter+=1;if(counter=16)counter=0 ;timer+=1 ;dis_data();if(timer=60)EX0=0;TR0=0;LCD_wcmd(0x01);LCD_pos(1,1) ;LCD_dis(dis5) ;dis_data() ;delay(3000);if(maibo=0)delay(6);while(maibo);if(TR0=0)TR0=1;test_data+=1; 6.實(shí)踐過程中問題及處理方案（1） 信號(hào)采集電路部分，紅外對(duì)的靈敏性不夠。解決方法：直接使用信號(hào)發(fā)生器來(lái)模擬紅外對(duì)管生成44mV輸入電壓。（2） 信號(hào)放大電路部分，實(shí)際放大增益與理論計(jì)算值有較大的差別。解決方法：通過更換電阻改變?cè)鲆嫦禂?shù)，以達(dá)到最佳輸出電壓增益以及波形輸出。（3） 控制顯示電路部分，這一部分主要出現(xiàn)在軟件編程中，外部中斷0與定時(shí)器0中斷同時(shí)應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)單片機(jī)出現(xiàn)工作異常，最終