心率測試儀的設(shè)計

1、江西工業(yè)貿(mào)易職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計隨著生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)信號測量儀器日新月異。生物醫(yī)學(xué)測量與臨 床醫(yī)學(xué)和保健醫(yī)療的聯(lián)系日益緊密。通過對人體各種生理信號的檢測，能更好的認(rèn)識 人體的生命現(xiàn)象。脈象包含豐富的人體健康狀況信息 ，脈診技術(shù)應(yīng)客觀化、定量化。 本設(shè)計利用光電式傳感器，設(shè)計脈搏信號獲取的方法。本設(shè)計主要是基于單片機的便 攜式脈搏測試儀的具體實現(xiàn)方法，利用光電傳感器產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過放大整形后， 輸入單片機內(nèi)進行相應(yīng)的控制，從而測量出一分鐘內(nèi)的脈搏跳動次數(shù)，快捷方便。通 過觀測脈搏信號，可以對人體的健康進行檢查，通常被用于保健中心和醫(yī)院。本設(shè)計 所設(shè)計的基于單片機的便攜式心率測試儀對

2、推進脈診技術(shù)客觀化的實現(xiàn)具有積極的促 進作用。關(guān)鍵詞：脈搏；單片機；光電傳感器；脈沖信號；便攜式i江西工業(yè)貿(mào)易職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計目 錄摘要l.第1章引言11.1 概述11.2 基于單片機的心率測試儀的發(fā)展與應(yīng)用 21.3 本設(shè)計的主要內(nèi)容3第2章 整體方案分析 42.1 任務(wù)42.2 要求42.3 系統(tǒng)的整體方案42.4 方案的對比和論證42.4.1 脈搏檢測傳感器的選擇42.4.2 單片機的選擇 62.4.3 顯示部分的選擇 62.5 設(shè)計時要考慮的問題 72.5.1 環(huán)境光對脈搏傳感器測量的影響 72.5.2 電磁干擾對脈搏傳感器的影響 72.5.3 測量過程中運動噪聲的影響 82.6

3、本章小結(jié)8第3章 硬件電路設(shè)計分析 93.1 控制器93.1.1 at89s5293.1.2 at89s52 的特點93.1.3 at89s52 的結(jié)構(gòu)93.2 脈搏信號采集 123.2.1 光電傳感器的結(jié)構(gòu)及原理 123.2.2 信號采集電路 133.3 信號放大電路133.4 波形整形電路 153.5 單片機處理電路153.6 顯示電路163.7 報警電路173.8 本章小結(jié)17第4章軟件系統(tǒng)184.1 主程序流程 184.2 定時器中斷程序流程194.3 int中斷程序流程 204.4 顯小程序流程 204.5 蜂鳴器報警流程 214.6 本章小結(jié)22結(jié)束語23參考文獻 錯誤！未定義書簽

4、。致謝錯誤！未定義書簽。江西工業(yè)貿(mào)易職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第1章引 言1.1 概述多年來，心率測試儀在心腦血管疾病的研究和診斷方面發(fā)揮出顯著的作用， 它記錄的心臟活動時的生物電信號， 已成為臨床診斷的重要依據(jù)。臨床上使用的 心電監(jiān)護儀雖然功能強大，測量精度高，但因為價格高昂，不利于家庭的普及。 就算是在醫(yī)院，護士每天監(jiān)控病人病情而進行的心率測試也是常用手測。因為正常人的心率和脈搏跳動的次數(shù)是一樣的，所以可以用測量脈搏的方法來測心率。 因此，本設(shè)計采用的是設(shè)計一種脈搏測試儀測量脈搏數(shù)從而實現(xiàn)心率的測量的方 法。脈搏測試儀是用來測量一個人脈搏跳動次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分，因此，在現(xiàn)代

5、醫(yī)學(xué)上具有重要的作用。目前檢測脈搏的儀器雖然很多， 但是能實現(xiàn)精確測量、精確顯示且計時功能準(zhǔn)確等多種功能的便攜式全數(shù)字脈搏 測量裝置很少。隨著人們生活環(huán)境和經(jīng)濟條件的改善，以及文化素質(zhì)的提高，其生活方式，保健需求以及疾病種類、治療措施等發(fā)生了明顯的變化。但在目前， 我國的心腦血管疾病仍呈逐年上升趨勢。其發(fā)病率和死亡率均居各種疾病之首， 是人類死亡的主要原因之一。因此， 認(rèn)識、預(yù)防及早期發(fā)現(xiàn)這些疾病是十分必要 的。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）、強度（波幅）、速

6、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)價值和應(yīng)用前景。本設(shè)計旨在設(shè)計出一種以單片機為核心的一種實用型脈搏測量儀。采用脈搏檢測傳感器對人體的脈搏進行數(shù)據(jù)采集。得到的信號送入進行濾波、放大、整形等處理之后送入單片機進行處理。單片機將采集到的脈搏數(shù)在數(shù)碼管上實時顯示 出來，同時還設(shè)置了脈搏測量儀的上下限報警電路。本設(shè)計首先描述本設(shè)計的整體思路，然后介紹各個部分設(shè)計中的細節(jié)問題， 最后提出一些完善本設(shè)計的改進 意見。本設(shè)計所設(shè)計的基于單片機的便攜式心率測試儀， 系統(tǒng)性能良好，結(jié)構(gòu)簡單， 性價比高，輸出顯

7、示穩(wěn)定，比較適合大眾化。適合家庭進行自我檢測以及醫(yī)院護 士進行每日的臨床記錄。這使我們在家中就可以測試心率從而能檢測是否患有一 些心血管疾病，做到早發(fā)現(xiàn)。1.2 基于單片機的心率測試儀的發(fā)展與應(yīng)用在我國傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)的診斷中，望、聞、問、切”是最基本的四個方面。而在其中，切，也就是脈診，占有非常重要的地位。通過脈診，醫(yī)生可以對患者的身 體狀況有一個大概的了解，進而對癥下藥。脈搏信號可以直接反應(yīng)出患者心臟的 部分狀況，我國傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)認(rèn)為，通過脈診可以了解到患者臟腑氣血的盛衰，可以探測到病因，病位，預(yù)測療效等。鑒于脈診的重要性，人們對于脈搏測量一直非常關(guān)注， 早在1860年vierordt 創(chuàng)建了第一

8、臺杠桿式脈搏描記儀，國內(nèi)20世紀(jì)50年代初朱顏將脈搏儀引用到中 醫(yī)脈診的客觀化研究方面。此后隨著機械及電子技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外在研制中醫(yī) 脈象儀方面進展很快，尤其是 70年代中期，國內(nèi)天津、上海、廣州、江西等地 相繼成立了跨學(xué)科的脈象研究協(xié)作組，多學(xué)科共同合作促使中醫(yī)脈象研究工作進 入了一個新的境界。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量技術(shù)也越來越先進，對脈搏的測量精度也越 來越高，國內(nèi)外先后研制了不同類型的脈搏測量儀， 而其中關(guān)鍵是對脈搏傳感器 的研究。而由于脈搏傳感器的不同，現(xiàn)今市場上的脈搏測試儀的脈率采集主要有 三種方法：采用一對紅色發(fā)光二極管實現(xiàn)、采用反射式的紅外管實現(xiàn)和采用壓電 陶瓷芯片實現(xiàn)。

9、近年來國內(nèi)外致力于開發(fā)無創(chuàng)非接觸式的傳感器，這類傳感器的 重要特征是測量的探測部分不侵入機體， 不造成機體創(chuàng)傷，能夠自動消除儀表自 身系統(tǒng)的誤差，測量精度高，通常在體外，尤其是在體表間接測量人體的生理和 生化參數(shù)。脈搏測量儀的發(fā)展主要向以下幾個趨勢：1、自動測量脈搏并且對所得到的脈搏進行自動分析目前很多脈搏測量儀都具有檢測血氧等其他的功能，但是對這些信號的分析和診斷還需要一些有經(jīng)驗的醫(yī)生觀察， 進行分析后才能確認(rèn)結(jié)果，浪費大量的人 力，且由人為引入的誤差較大。因此，未來脈搏自動檢測的內(nèi)容將更加詳細，自 動分析診斷功能也更強大。2、數(shù)字化技術(shù)等先進技術(shù)的應(yīng)用隨著數(shù)字科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量儀集成

10、度將更高，更便于攜帶。數(shù)字信 號處理的運用將使干擾更小，測量更為準(zhǔn)確。3、多功能化越來越明顯目前的脈搏測量儀，一般都具有測試血氧，心電圖等等功能，單純的脈搏測 量儀已經(jīng)很少見。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量儀必然可以實現(xiàn)更多的功能。 1.3本設(shè)計的主要內(nèi)容本設(shè)計以單片機為核心，由脈搏檢測傳感器采集脈搏信號。 經(jīng)過前置放大電 路、濾波電路、整形電路后得到與脈搏相關(guān)的脈沖信號。 該脈沖信號作為中斷信 號交由單片機進行脈長周期的計算。 然后得到每分鐘的脈搏搏動次數(shù)（即心率）， 并在數(shù)碼管上顯示心率，同時還設(shè)置了脈搏測量儀的上下限報警電路。本設(shè)計的工作是圍繞著脈搏檢測傳感器檢測脈搏波而單片機進行控制進行

11、的。本設(shè)計的設(shè)計內(nèi)容安排如下：第一章為引言。簡要介紹了心率測試儀設(shè)計的目的和意義， 并對基于單機的 便攜式心率測試儀的現(xiàn)狀和應(yīng)用以及未來的發(fā)轉(zhuǎn)走勢做了簡單的闡述， 指出了本 設(shè)計的主要技術(shù)內(nèi)容，即心率的測試。第二章為整體方案的分析。顧名思義第二章是對整個方案的詳細的對比與選 擇并確定最終方案。在確定方案之前我必須先明確本設(shè)計的任務(wù)與要求，之后是各個部分的對比選擇。第三章是本設(shè)計的核心。在這里給出了整體的硬件電路設(shè)計思路， 并且對電 路的各個部分進行分析與解釋。第四章敘述程序的編程方案，給出程序的框架結(jié)構(gòu)圖并對整個設(shè)計進行總 結(jié)，而且對以后的設(shè)計工作進行了展望。24第2章整體方案分析2.1 任務(wù)

12、基于單片機的便攜式心率測試儀的設(shè)計。 本設(shè)計以單片機為核心，由光電傳 感器采集脈搏信號。經(jīng)過前置放大電路、 濾波電路、積分和比較電路后得到與脈 搏相關(guān)的脈沖信號。該脈沖信號作為中斷信號交由單片機進行脈長周期的計算。 然后得到每分鐘的脈搏搏動次數(shù)(即心率)，并在數(shù)碼管上顯示，并且在超出設(shè) 定的正常脈搏跳動范圍時，驅(qū)動蜂鳴器報警。2.2 要求(1)通過脈搏傳感器采樣脈搏信號，設(shè)計脈搏波檢測電路，通過譯碼管來顯 數(shù)脈搏次數(shù)。(2)將脈沖波送入單片機，采用單片機構(gòu)成脈搏波檢測儀，要求實現(xiàn)脈搏波 次數(shù)超出設(shè)定時限時驅(qū)動蜂鳴器報警。2.3 系統(tǒng)的整體方案本設(shè)計的系統(tǒng)模塊可以基本劃分為：脈搏傳感器部分、單片

13、機處理電路部分、 顯示電路部分和報警電路部分。本設(shè)計所設(shè)計的基于單片機的便攜式脈搏測量儀將利用脈搏檢測傳感器采 集脈搏信號，再對其進行整形、計數(shù)和顯示，就能實現(xiàn)實時檢測脈搏次數(shù)的目的， 再通過報警電路可實現(xiàn)報警功能。本設(shè)計結(jié)構(gòu)硬件框圖如圖2.1所示。圖2.1硬件框圖2.4 方案的對比和論證2.4.1 脈搏檢測傳感器的選擇傳感器又稱為換能器、變換器等。脈搏傳感器是脈搏檢測系統(tǒng)中重要的組成部分。1、光電式傳感器血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比血液中大幾十 倍，據(jù)此特點，采用光電效應(yīng)手指脈搏傳感器來拾取脈搏信號。反向偏壓的光敏二極管，它的反向電流具有隨光照強度增加而增加的光電效應(yīng)

14、特性，在一定光強范圍內(nèi)，光敏二極管的反向電流與光強呈線性關(guān)系。指端血管的容積和透光度隨 心搏改變時，將使光電三極管極管收到不同的光強， 并由此產(chǎn)生的光電流均隨之 作相應(yīng)變化。常用檢測脈搏的光電傳感器一般是紅外對管。紅外對管將對管夾于手指端部，通過手指的血液濃度會隨著心臟的跳動發(fā)生 變化，紅外對管對應(yīng)的信號便會發(fā)生相應(yīng)的變化，采集此信號經(jīng)過放大，濾波， 比較等處理便可以得到理想的信號。 紅外對管對脈搏的檢測的基本原理： 隨著心 臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變。 當(dāng)血液送到人體組織時，組織的半透明 度減小；當(dāng)血液流回心臟，組織的半透明度增大。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手 指尖、耳垂等部位最為明顯

15、。光電式傳感器具有靈敏度高，易于操作，響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。雖 然外部光源的變化對測量結(jié)果的影響較大，但我們進行測量的地方一般都是在室 內(nèi)，有穩(wěn)定的光源，所以在正常的操作過程中只要稍微注意下光源的問題就可以 了。2、壓電式傳感器目前常用的是一次性心電電極，它是用印刷方法制得的ag/ agcl傳感器。這種傳感器采用接扣與敏感區(qū)分離的方法， 能明顯的減少由于人體運動產(chǎn)生的干 擾。電極的好壞對采集到的心電信號質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，采用的電極應(yīng)有貼力強，能緊附在人體表面，柔軟、吸汗、極化電壓低、導(dǎo)電性良好等特點。當(dāng) 選用電極傳感器時，需要3個電極分別置于左右手和左腿，構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)。臨床 上為了

16、統(tǒng)一和便于比較所獲得的脈搏信號，在檢測脈搏信號時，對電極的位置， 引線與放大器的連接方式都有嚴(yán)格的統(tǒng)一規(guī)定。目前市場上有一種采用新型高分子壓電材料聚偏氟乙烯研制的壓電傳感器， 其靈敏度高，頻帶范圍好，結(jié)構(gòu)簡單，便于使用。當(dāng)手指前端受到輕微的壓力時， 可以感覺到手指前端在血壓的作用下有一張一弛的感覺，將這個信號用傳感器提 取出來，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，通過指脈的波形檢測，就可以獲得人體的脈搏信號。壓電式傳感器有著結(jié)構(gòu)簡單，實時性好，工作頻帶寬， 應(yīng)用電路簡單等諸多 優(yōu)點，并且價格低廉。但壓電式傳感器直接與人體相接觸， 容易因為人體肌肉的 顫動等而產(chǎn)生干擾。而肌肉的顫動不是人能主動控制的， 所以說這部分的

17、誤差很難控制。并且使用壓電式傳感器測脈搏還容易受到外界其他信號的干擾。3、集成傳感器當(dāng)前，市面上有很多類型的集成心電傳感器，其靈敏度高，集成度高，直接 就可以反映出心率的變化，且已包含了濾波等抗干擾電路，波形經(jīng)過放大可以直 接處理使用。缺點是價格非常昂貴，一般均在五百元以上，就本次設(shè)計來說，考 慮到經(jīng)費以及鍛煉自己的目的，不選擇使用該型傳感器。綜合考慮種種情況，結(jié)合本系統(tǒng)的設(shè)計要求以及經(jīng)費的考慮， 本設(shè)計采用光 電式傳感器。2.4.2 單片機的選擇單片機的選擇主要是在at89c2051和at89s52之間做選擇。1、at89s52單片機at89s52是一種低功耗、高性能的cmos 8位微控制器

18、，具有8k的系統(tǒng)可 編程flash存儲器。使用atmel公司的高密度非易失性存儲技術(shù)制造，與工業(yè) 80c51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上的 flash允許程序存儲在系統(tǒng)可編程，亦 適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8位cpu和在系統(tǒng)可編程flash,使 得at89s52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。2、at89c2051 單片機at89c2051是一種低電壓、高性能的cmos 8位微控制器，片內(nèi)含2k字節(jié) 可反復(fù)擦除的flash只讀程序存儲器和128b的隨機數(shù)據(jù)存儲器，器件采用atmel 公司的高密度非易失性存儲技術(shù)制造， 兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)。芯片置通用 8位中央處理

19、器和flash存儲單元，at89c2051在電子類產(chǎn)品中有廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過比較，本設(shè)計采用at89s52單片機。2.4.3 顯示部分的選擇根據(jù)題目要求，設(shè)計出來的系統(tǒng)是可以設(shè)定報警的范圍的。在單片機的應(yīng)用系統(tǒng)中，為了便于人們觀察和監(jiān)視單片機的運行情況，常常需要用顯示器顯示運 行的中間結(jié)果、狀態(tài)等信息，因此顯示器也是不可缺少的外部設(shè)備之一。顯示器的種類很多，從液晶顯示、發(fā)光二極管顯示到crt顯示器，都可以與微機配接。 在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中常用的顯示器主要有發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器，簡稱led顯示器。led顯示器具有耗電省、成本低廉、配置簡單靈活、安裝方便、耐振動、 壽命長等優(yōu)點。但與lcd相比顯示內(nèi)容

20、有限，不能顯示圖形，因而其應(yīng)用有局 限性。led數(shù)碼管顯示器是由發(fā)光的二極管顯示字段組成的。在單片機應(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。七段led數(shù)碼 管顯示器有8個發(fā)光二極管，其中從ag管腳輸入顯示代碼，可顯示不同的數(shù)字 或字符，dp顯示小數(shù)點。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，發(fā)光二極管點亮。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，發(fā)光二極管點亮。通過比較，我們可以發(fā)現(xiàn) led動態(tài)顯示更加適合本設(shè)計，所以就采用此方 法。2.5 設(shè)計時

21、要考慮的問題2.5.1 環(huán)境光對脈搏傳感器測量的影響在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號不僅包含脈搏信息的透射 光的信號，而且包含測量環(huán)境下的背景光信號，由于動脈波動引起的光強變化比 背景光的變化微弱得多，因此在測量過程當(dāng)中要保持測量背景光的恒定，減少背景光的干擾。測量環(huán)境下的背景光包含環(huán)境光和在測量過程中引起的二次反射光。為了減少環(huán)境光對脈搏信號測量的影響，同時考慮到傳感器使用的方便性，采用密封的 指套式包裝方式，整個外殼采用不透光的介質(zhì)和顏色， 盡量減小外界環(huán)境光的影 響，為了避免測量過程中的二次反射光的影響，在指套式傳感器的內(nèi)層表面涂上一層吸光材料，這樣能有效減少二次反射光的干擾

22、。加上指套式外殼后的脈搏傳感器測量到的脈搏波形比較平滑。 這是因為加指 套式的脈搏傳感器中環(huán)境光在測量過程中基本不受外界環(huán)境光的影響， 而且能夠 有效減少二次反射光，使照射到手指上的光波長單一，所以得到的脈搏信號較為 穩(wěn)定，沒有明顯的重疊雜波信號，能夠很好的體現(xiàn)出脈搏波形的特征。2.5.2 電磁干擾對脈搏傳感器的影響通過光電轉(zhuǎn)換得到的包含脈搏信息的電信號一般比較微弱，容易受到外界電磁信號的干擾，在傳統(tǒng)的光電式脈搏傳感器電路中，由于光敏器件和放大電路是 分離的，那么在信號的傳遞過程就很容易受到外界電磁干擾，通常在一級放大電 路采用電磁屏蔽的方式來消除電磁干擾。 本系統(tǒng)采用了新型的光敏器件，在芯片

23、 內(nèi)部集成光敏器和一級放大電路，有效地抑制了外界電磁信號對原始脈搏信號的 干擾。工頻干擾是電路中最常見的干擾，脈搏信號變化緩慢，特別容易受到工頻信 號的干擾，因此對工頻信號干擾的抑制是保證脈搏信號測量精度的主要措施之 一。通常脈搏信號的頻率范圍在 0.330hz之間，小于工頻50hz,因此通過低通 濾波器可以有效濾除工頻干擾，這在信號調(diào)理電路中容易實現(xiàn)；同時可以在控制 電路中對光源進行脈沖調(diào)制，這樣不但能夠降低系統(tǒng)的功耗，而且能夠在一定程 度上減小外界的電磁干擾，在脈搏信號數(shù)據(jù)采集后，可以通過數(shù)據(jù)處理法方法進 一步濾除工頻信號的干擾。2.5.3 測量過程中運動噪聲的影響測量過程中，通常情況下手

24、指和光電式脈搏傳感器可能產(chǎn)生相對的運動，這樣會使脈搏的測量產(chǎn)生誤差，可以通過兩個方面減少運動噪聲誤差： 一是改善 指套式傳感器的機械運動性，比如說使指套能夠更緊的套在手指上，不易松動； 二是從脈搏處理的角度，通過算法來減少誤差。對于本設(shè)計的傳感器的設(shè)計來說， 采用的是第一個途徑。2.6 本章小結(jié)本章主要介紹了常見的用于脈搏檢測的三種傳感器， 并對這三種感器的優(yōu)缺 點進行了比較。本設(shè)計采用的單片機芯片的型號是 at89s52,在本章主要介紹了 它的一些特點。最后，給出了最終的設(shè)計方案和硬件框圖 。第3章硬件電路設(shè)計分析3.1 控制器經(jīng)過第2章的敘述已經(jīng)確定了完成本設(shè)計所需要的主要元器件，所以本章

25、開始講述基于單片機的便攜式心率測試儀的設(shè)計的硬件電路的設(shè)計。在這里，單片機要實現(xiàn)對脈搏信號的處理。在檢測到第一個脈沖到達時，開啟定時器，然后在下一個脈沖到達時，關(guān)閉計時器，如此就可以求得一次心跳所需要的時間，然后由該周期就可以得到一分鐘的脈搏數(shù)。3.1.1 at89s52at89s52是一種低功耗、高性能的cmos 8位微控制器，具有8k的系統(tǒng)可 編程flash存儲器。使用atmel公司的高密度非易失性存儲技術(shù)制造，與工業(yè) 80c51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上的 flash允許程序存儲在系統(tǒng)可編程，亦 適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8位cpu和在系統(tǒng)可編程flash,使 得at89

26、s52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。3.1.2 at89s52 的特點1、兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)及80c51弓唧結(jié)構(gòu)2、8k字節(jié)可重擦寫flash閃速存儲器3、128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 (ram)4、32個外部雙向輸入/輸出(i/o) 口5、5個中斷優(yōu)先級、2層中斷嵌套中斷6、2個全雙工串行通信口7、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路8、2個16位定時/計數(shù)器9、6個中斷源10、看門狗(wdt)電路11、全靜態(tài)工作：0hze 33mhz12、三級程序存儲器保密鎖定13、可編程串行通道14、低功耗空閑和掉電模式3.1.3 at89s52 的結(jié)構(gòu)此次設(shè)計所使用的at89s52的封裝

27、形式是pdipdip管腳圖如圖3.1所示。圖3.1 dip管腳圖at89s52與51系列中各種型號芯片的引腳互相兼容。目前多采用40只引腳 雙列直插，如圖3.1所示。引腳按其功能可分為如下3類：1、電源及時鐘引腳 vcc、vss; xtal1、xtal2 ;2、控制弓i腳rst/vpd、 ale/prog、psen、和 ea/vpp ;3、i/o 口引腳p0、p1、p2、p3,為 4個 8 位 i/o 口。1、電源及時鐘引腳(1)電源引腳vcc: 5v 電壓。gnd:接地。外接晶體引腳xtal1 :接外部晶體振蕩器的一端。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時鐘時，此腳用于外接 石英晶體振蕩器和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部

28、時鐘時，對于 hmos單片機，此引腳 接地；對于cmos單片機，此引腳作為外部振蕩信號的輸入端。xtal2 :接外部晶體振蕩器的另一端，當(dāng)使用芯片內(nèi)部時鐘時，此腳用于外 接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容。當(dāng)使用外部時鐘時，對于 hmos單片機，此引 腳接外部振蕩源；對于 cmos單片機，此引腳懸空不接。at89s52晶體振蕩器頻率可在 6mhzm40mhz之間選擇，常選 6mhz或 12mhz的石英晶體。電容的值沒有嚴(yán)格要求，但其取值對振蕩器的頻率輸出的 穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度稍有影響，c1、c2可在20pf100pf之間選 擇。當(dāng)外接晶體振蕩器時，電容可選 30pf10pf;外接陶瓷振蕩器

29、時，電容可選 40pf+0pf。2、控制引腳rst/vpd :復(fù)位端。當(dāng)輸入的復(fù)位信號持續(xù)2個以上機器周期（個晶體振蕩 周期）高電平即為有效，用于完成單片機的復(fù)位初始化操作。正常工作時，此腳 電平應(yīng) 0.5v在vcc發(fā)生故障、降低到電平規(guī)定值掉電期間，此引腳可接備用電源vpd（電源范圍5v0.5v）,由vpd向內(nèi)部ram供電，以保持內(nèi)部ram中的數(shù)據(jù)。ale/prog :地址鎖存使能。ale （address latch enable ； prog （program） ale/prog為cpu訪問外部程序存儲器或外部數(shù)據(jù)存儲器提供地址鎖存 信號，將低8位地址鎖存在片外的地址鎖存器中。ale/p

30、rog引腳第二功能，對片內(nèi)flash編程，為編程脈沖輸入端。psen : （programmer saving enabl ,外部程序存儲器讀選通信號。 在讀外 部程序存儲器時有效（低電平）,以實現(xiàn)外部程序存儲器單元的讀操作。在訪問 外部數(shù)據(jù)存儲器、訪問內(nèi)部程序存儲器時psen無效。ea/vpp : （enable address/voltage pulse of programming）,訪問程序存儲控 制信號。當(dāng)ea/vpp = 0時，表示讀外部程序存儲器。只讀取外部的程序存儲 器中的內(nèi)容，讀取的地址范圍為 0000h-ffffh （64kb）,片內(nèi)的8kb flash程 序存儲器不起作用

31、。當(dāng)ea/vpp = 1時，表示對程序存儲器的讀操作是從內(nèi)部 程序存儲器開始，并可延至外部程序存儲器。在pc值不超出0fffh （即不超出片內(nèi)4kb flash存儲器的地址范圍）時，單片機讀片內(nèi)程序存儲器（4kb ）中的 程序，但當(dāng)pc值超出0fffh （即超出片內(nèi)4kb flash地址范圍）時，將自動 轉(zhuǎn)向讀取片外 60kb （1000h-ffffh）程序存儲器空間中的程序。對于 eprom （或flash）型單片機，在eprom編程期間，此引腳需加12.75v或21v的編 程電壓。3、i/o 口弓唧p0 口： p0 口是一組8位漏極開路型雙向i/o 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用 口。作為輸出

32、口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8個ttl邏輯門電路，對端 口寫“1句作為高阻抗轉(zhuǎn)入端用。pl 口： p1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o 口，p1的輸出緩沖級可驅(qū) 動（吸收或輸出電流）4個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，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因內(nèi)部存在上拉電阻， 某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。p2 口： p2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o 口，p2的輸出緩沖級可 驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個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，此時可作輸入口， 作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電 阻，某個引

33、腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。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， 每一位功能定義如表3.1所示。表3.1p3 口的第二功能端口引腳第二功能p3.0rxd（串行輸入口）p3.1txd （串行輸出口）p3.2int0（外中斷0）p3.3int1 （外中斷1）p3.4t0 （定時/計數(shù)器0）p3.5t1 （定時/計數(shù)器1）p3.6wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）p3.7rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 ）3.2 脈搏信號采集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。3.2.1 光電傳感器的結(jié)構(gòu)及

34、原理近年來，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。傳感器由紅外發(fā)光二級管和紅外接收三極管組成。 采用gaas紅外發(fā)光二極 管作為光源時，可基本抑制由呼吸運動造成的脈搏波曲線的漂移。 紅外接收三極 管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能，它的特性是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。 在本設(shè)計 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。光電式脈搏傳感器

35、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，實現(xiàn)了光電隔離，減少了對后級模擬電路的干擾。透射式光電傳 感器結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。透射式:光 電傳感器圖3.2透射式光電傳感器結(jié)構(gòu)圖3.2.2 信號采集電路圖3.3是脈搏信號的采集電路，u3是紅外發(fā)射接收裝置，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)射強度就越大，所以對 r21阻值 的選取要求較高。r21選才? 270q同時也是基于紅外接收三極管感應(yīng)紅外光靈敏 度考慮的。r2

36、1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) 別有脈搏和無脈搏時的信號。反之，r21過小，通過的電流偏大，紅外接收三極 管也不能準(zhǔn)確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。當(dāng)手指處于測量位置時，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，但是由于紅外接收三極管中存在暗電流， 會造成輸 出電壓略低。二是有脈期。當(dāng)有跳動的脈搏時，血脈使手指透光性變差，紅外接收三極管中的暗電流減小，輸出電壓上升但該傳感器輸出信號的頻率很低，如當(dāng)脈搏只有為50次/分鐘時，只有0.78hz, 200次/分鐘時也只有3.33hz,因此 信號首先經(jīng)r22、c10濾波以濾除高頻干擾。圖3.3信

37、號采集電路3.3 信號放大電路本設(shè)計采用的放大器是lm3240lm324是四運放集成電路，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算放大器，除電源共用外, 四組運放相互獨立。由于lm324四運放電路具有電源電壓范圍寬， 靜態(tài)功耗小， 可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。由于通過光電式脈搏傳感器檢測到的脈搏波的信號非常微弱，所以在單片 機接受處理前需要進行信號的放大處理。按人體脈搏在運動后跳動次數(shù)達200次 /分鐘的計算來設(shè)計低通放大器， 放大電路如圖3.4所示。r23、c6組成低通濾波 器以進一步濾除殘留的干擾，截止頻率由r23、c6決定，運放u3a

38、將信號放大， 放大倍數(shù)由r23和r27的比值決定。圖3.4放大電路根據(jù)一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)，可得:a(s)=vo(s)vi(s)ao1 - wc(3.1)放大倍數(shù)為:.31 4mk：214(3.2)(3.3)i截止頻率為：f0 = 3.39 hz2二 r23c6按人體的脈搏跳動為200次/分鐘時的頻率是3.3 hz考慮，低頻特性是令人 滿意的。經(jīng)過低通放大后輸出的信號是疊加有噪聲的脈動正弦波。3.4 波形整形電路波形整形電路如圖3.5所示，u2a是一個電壓比較器，c11、r29構(gòu)成一個 微分器，u1a和c7、r32組成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，其脈寬由 c7、r32決定。該比較器的閥值電壓可用

39、r31調(diào)節(jié)在正弦波的幅值范圍內(nèi)，但是對 r31的 調(diào)節(jié)要求并不嚴(yán)格，因為 u2a的輸出信號經(jīng)c11、r29的微分后總是將尖脈沖 送到單片機into腳，進行對心率的計算和顯示。圖3.5整形電路3.5 單片機處理電路單片機處理電路如圖3.6所示，本部分運用了 atmel公司的89s52單片機 作為核心元件，在這里運用單片機能更快更準(zhǔn)確地對數(shù)據(jù)進行運算， 而且可以根 據(jù)實際情況進行編程，所用外圍元件少，輕巧省電，故障率低。單片機外圍電路包括復(fù)位電路和振蕩電路。本設(shè)計采用自激蕩方式，使內(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率振蕩產(chǎn)生時鐘信號。石英晶振選擇頻率為 11.0592mhz,電容選擇30pf。如圖3.6中

40、振蕩電路所示。經(jīng)計算得單片機工作機 器周期為：11.0592 m (1+ 11.0592m ) =1us。時鐘電路工作后，在 rest管腳上加 兩個機器周期(12個晶振周期)以上的高電平，芯片內(nèi)部開始進行初始復(fù)位。來自傳感和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機89s52的into腳,單片機設(shè)為負(fù)跳變中斷觸發(fā)模式，故每次脈沖下降沿到達時觸發(fā)單片機產(chǎn)生中斷并進行 計時，來一個脈沖脈搏次數(shù)就加一；定時器中斷主要完成一分鐘的定時功能。單 片機對一分鐘內(nèi)的脈沖次數(shù)進行累加，通過p0、p2 口把測量過程和結(jié)果送到數(shù)碼管顯示出來。圖3.6單片機處理電路3.6 顯示電路顯示電路如圖3.7所示。i-s8.hb 用

41、hhhh圖3.7 顯示電路本設(shè)計的顯示采用led數(shù)碼管動態(tài)掃描來顯示。動態(tài)顯示方式是指一位一位地輪流點亮每位顯示器（稱為掃描），即每個數(shù)碼管的位選被輪流選中，多個 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，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)， 也與點亮?xí)r間 和間隔時間的比例有關(guān)。通過調(diào)整電流和時間參數(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 8位i/o 口進行動 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 8位口（稱為段 碼輸出）。本設(shè)計采用的led是兩個3位的共陽極led數(shù)碼管組成8位

42、顯示， 其中0、1兩位顯示測量中的時間，3、4兩位顯示測量中的脈搏次數(shù)，6、7兩位 用來顯示上次測量的數(shù)據(jù)。單片機的 p0 口控制顯示字型，p2控制顯示字位。3.7 報警電路根據(jù)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，人體脈搏正常在 60到120之間，當(dāng)數(shù)碼管所顯示的示數(shù)大 于120或小于60時，蜂鳴器響應(yīng)報警；示數(shù)小于120時大于60時，蜂鳴器不響。 因為單片機的端口輸出電流能力低， 無法直接驅(qū)動那些器件，故增加三極管加大 功率，驅(qū)動蜂鳴器工作。報警電路如圖 3.8所示。3.8 本章小結(jié)本章是本設(shè)計的核心。在這里給出了整體的硬件電路設(shè)計思路，并且對電路的各個部分進行分析與解釋。主要介紹了at89s52單片機的結(jié)構(gòu)與引腳功

43、能、光電傳感器采集脈搏波原理和 led等的原理。第4章軟件系統(tǒng)硬件電路設(shè)計完成以后，系統(tǒng)的主要功能將依賴于系統(tǒng)軟件來實現(xiàn)。系統(tǒng)能 否正常可靠地工作，除了硬件的合理設(shè)計外，與功能完善的軟件設(shè)計是分不開的。4.1 主程序流程主流程如圖4.1所示。在軟件設(shè)計中，一般采用模塊化的程序設(shè)計方法，它具有明顯的優(yōu)點。把一 個多功能的復(fù)雜的程序劃分為若干個簡單的、功能單一的程序模塊，有利于程序的設(shè)計和調(diào)試，有利于程序的優(yōu)化和分工， 提高了程序的閱讀性和可靠性，使程 序的結(jié)構(gòu)層次一目了然。應(yīng)用系統(tǒng)的程序由包含多個模塊的主程序和各種子程序 組成。各程序模塊都要完成一個明確的任務(wù)，實現(xiàn)某個具體的功能，在具體需要時調(diào)

44、用相應(yīng)的模塊即可。系統(tǒng)主程序控制單片機系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運行，它是單片機系統(tǒng)程序的 框架。系統(tǒng)上電后，對系統(tǒng)進行初始化。初始化程序主要完成對單片機內(nèi)專用寄 存器、定時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，進行定時器中斷、外部中斷、顯示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序。4.2 定時器中斷程序流程定時器中斷程序流程如圖4.2所示。圖4.2定時器中斷程序流程定時器中斷服務(wù)程序由一分鐘計時、 按鍵檢測、有無測試信號判斷等部分組 成。當(dāng)定時器中斷開始執(zhí)行后，對一分鐘開始計時，1s計時到之后繼續(xù)檢測下1s,直到60s到了再停止并保存測得的脈搏次數(shù)。同時可以對按鍵進行檢測，只 要復(fù)位測

45、試值就可以重新開始測試。主要完成一分鐘的定時功能和保存測得的脈搏次數(shù)。4.3 int中斷程序流程int中斷程序流程如圖4.3所示。外部中斷服務(wù)程序完成對外部信號的測量 和計算。外部中斷采用邊沿觸發(fā)的方式，當(dāng)處于測量狀態(tài)的時候，來一個脈沖脈 搏次數(shù)就加一，由單片機內(nèi)部定時器控制一分鐘，累加得出一分鐘內(nèi)的脈搏次數(shù)。 沒有處于檢測狀態(tài)時，按下按鍵檢測開始，進行脈搏數(shù)的累加。n圖4.3 int中斷程序流程等待按鍵按下4.4 顯示程序流程在單片機的應(yīng)用系統(tǒng)中，為了便于人們觀察和監(jiān)視單片機的運行情況，常常 需要用顯示器顯示運行的中間結(jié)果、 狀態(tài)等信息，因此顯示器也是不可缺少的外 部設(shè)備之一。本設(shè)計的顯示采用led數(shù)碼管動態(tài)掃描來顯示。動態(tài)顯示方式是指 一位一位地輪流點亮每位顯示器（稱為掃描），即每個數(shù)碼管的位選被輪流選中， 多個數(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。兩個 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間，3、4兩位顯示 測量中的脈搏次數(shù)，6、7兩位用來顯示上次測量的數(shù)據(jù)。 單片機的p0口控制顯示 字型，p2 口控制顯示字。顯示程序包括顯示上次的脈搏次數(shù)、 本次測量中的時間和脈搏的次數(shù)。 從中 斷程序中取得結(jié)果后，先顯示上次的脈搏次數(shù)，經(jīng)過 10ms的延時后再顯示測試 中的脈搏次數(shù)，再經(jīng)過10ms的延時顯示測