壓電傳感器SC0073脈搏測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)講解

1、脈搏測(cè)量?jī)x 大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院 自動(dòng)化系自動(dòng)化系 單片機(jī)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告單片機(jī)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 目： 題脈搏測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)自動(dòng)化 專 業(yè)：自動(dòng)化 103 級(jí)： 班 學(xué)生姓名： 王宏剛，勾延偉，金文杰 指導(dǎo)教師： 陳曉云，張秀春 設(shè)計(jì)完成日期： 2012 年 11 月 28 日 脈搏測(cè)量?jī)x 目目 錄錄 1 任務(wù)分析和性能指標(biāo) . 1 1.1 任務(wù)分析 . 1 1.2 性能指標(biāo) . 1 2 總體方案設(shè)計(jì) . 2 2.1 硬件方案 . 2 2.1.1 傳感器. 2 2.1.2 信號(hào)處理. 2 2.1.3 單片機(jī). 2 2.1.4 電源. 2 2.2 軟件方案 . 2

2、 3 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) . 4 3.1 前置放大電路 . 4 3.2 二階有源濾波電路 . 4 3.3 波形整形電路 . 5 3.4 單片機(jī)接口電路 . 6 4 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) . 7 4.1 主程序 . 7 5 調(diào)試及性能分析 . 8 5.1 調(diào)試分析 . 8 總 結(jié) . 9 參考文獻(xiàn) . 10 附錄 1 元器件清單 . 11 附錄 2 調(diào)試系統(tǒng)照片 . 12 附錄 3 源代碼 . 13 1 脈搏測(cè)量?jī)x 1 任務(wù)分析和性能指標(biāo) 1.1 任務(wù)分析 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(dòng)脈上，根據(jù)脈搏的跳動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)。為了節(jié)省時(shí)間，一般不會(huì)作1 分鐘的測(cè)量

3、，通常是測(cè)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。為了提高脈搏測(cè)量的精確與速度，多種脈搏測(cè)量?jī)x被運(yùn)用到醫(yī)學(xué)上來(lái)，從而開(kāi)辟了一條全新的醫(yī)學(xué)診斷方法。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測(cè)量技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)，對(duì)脈搏的測(cè)量精度也越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)外先后研制了不同類型的脈搏測(cè)量?jī)x，而其中關(guān)鍵是對(duì)脈搏傳感器的研究。 動(dòng)態(tài)微壓傳感器是一種高性能、低成本的壓電式小型壓力傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)通過(guò)薄膜變成電荷量，在經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過(guò)載及沖擊波能力強(qiáng)，抗干擾性好、操作簡(jiǎn)便、體積小、重量

4、輕、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。但人體的生物信號(hào)多屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻的弱信號(hào), 脈搏波信號(hào)更是低頻微弱的非電生理信號(hào),因此必需經(jīng)過(guò)放大和后級(jí)濾波以滿足采集的要求。 1.2 性能指標(biāo) 系統(tǒng)能準(zhǔn)確測(cè)量人的脈搏次數(shù)，一分鐘誤差不超過(guò) 1 次，有直觀的顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)要求有自己設(shè)計(jì)電路部分。 1 脈搏測(cè)量?jī)x 2 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 硬件方案 本系統(tǒng)主要由動(dòng)態(tài)微壓傳感器、脈搏信號(hào)調(diào)理模塊、51 單片機(jī)組成。其中模塊信號(hào)調(diào)理模塊包括信號(hào)低通濾波電路、基于 LM358 的信號(hào)放大電路、基于LM339 的信號(hào)整形電路。 2.1.1 傳感器 SC0073 脈搏傳感器，該傳感

5、器采用壓電復(fù)合材料作為換能元件，信號(hào)通過(guò)特殊的匹配層傳遞到換能元件上變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。該傳感器是一種高性能低成本的振動(dòng)傳感器，具有靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍寬、抗過(guò)載及沖擊能力強(qiáng)、抗干擾性好、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。通過(guò)測(cè)試該型號(hào)傳感器性能基本滿足條件。 2.1.2 信號(hào)處理 由于從傳感器輸出的脈搏信號(hào)十分微弱而且有用信號(hào)容易淹沒(méi)在噪聲信號(hào)中，因此需要對(duì)采集到的原始脈搏信號(hào)進(jìn)行放大和濾波等處理，將信號(hào)轉(zhuǎn)化成TTL 電平信號(hào)送給單片機(jī)處理。 2.1.3 單片機(jī) 將處理好的信號(hào)接到單片機(jī)，通過(guò)定時(shí)器定時(shí)對(duì)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算處理后送給數(shù)碼管顯示。 2.1.4 電源 即向脈

6、搏傳感器、信號(hào)處理電路、單片機(jī)提供的電源，可以是 5-12V 直流的電源經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路送給系統(tǒng)。 2.2 軟件方案 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)上電后,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化程序主要完成對(duì)單片機(jī)內(nèi)專用寄 2 脈搏測(cè)量?jī)x 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、顯示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序。 3 脈搏測(cè)量?jī)x 3 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3.1 前置放大電路 前置放大電路對(duì)于脈搏波信號(hào)采集來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，考慮到脈搏信號(hào)的特點(diǎn)，為了放大噪聲環(huán)境中傳感器輸出的弱信號(hào)，對(duì)于放大器要求具有：極高的共模和差

7、模輸入阻抗;很低的輸出阻抗;精確和穩(wěn)定的增益;極高的共模抑制比。基于以上分析，低功耗、高精度放大器 LM358 作為前置放大的核心器件。 圖 3.1.1 前置放大電路 3.2 二階有源濾波電路 噪聲信號(hào)來(lái)源主要有工頻干擾、人為運(yùn)動(dòng)肌電干擾、基線漂移等，其中 50Hz 的肌電干擾最為嚴(yán)重。為了消除這些干擾信號(hào)，在脈搏信號(hào)放大器電路中，應(yīng)加入低通濾波器。為了達(dá)到更好的濾波效果，采用二階有源濾波器，將截至頻率設(shè)為 5Hz 最為理想。 4 脈搏測(cè)量?jī)x 3.2.1 二階有源濾波電路仿真電路圖圖 二階有源濾波電路仿真幅頻特性曲線圖 3.2.2 3.3 波形整形電路 高精度電壓比較器將信號(hào)整形為方波，與單片

8、機(jī)接口相兼容。LM393 用 電壓比較器電路 3.3.1 圖 5 脈搏測(cè)量?jī)x 3.4 單片機(jī)接口電路 圖 3.4.1 單片機(jī)接口電路 信號(hào)處理后的電路接到單片機(jī) P3.0 口，同過(guò)軟件查詢方式來(lái)對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。數(shù)據(jù)處理后送給數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管采用靜態(tài)顯示方式，提高顯示亮度。 6 脈搏測(cè)量?jī)x 4 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4.1 主程序 圖 2.2.1 主程序流程圖 7 脈搏測(cè)量?jī)x 5 調(diào)試及性能分析 5.1 調(diào)試分析 由于程序調(diào)試是否成功，這是關(guān)鍵的一步，因?yàn)閱渭兊挠布o(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目的。因此，對(duì)程序的調(diào)試就同樣重要。調(diào)試這階段發(fā)生過(guò)的故障如：子程序在運(yùn)行時(shí)破壞現(xiàn)場(chǎng)，緩沖單元發(fā)生沖突，零位的建立和清

9、除在設(shè)計(jì)上有失誤，堆棧區(qū)域有溢出等問(wèn)題。采用單步運(yùn)行方式和斷點(diǎn)運(yùn)行方式對(duì)每個(gè)子程序進(jìn)行調(diào)試，單步和斷點(diǎn)調(diào)試后，再進(jìn)行連續(xù)調(diào)試，這是因?yàn)閱尾竭\(yùn)行只能驗(yàn)證該子程序的正確與否，而不能確定定時(shí)精度、CPU 的實(shí)時(shí)響應(yīng)等問(wèn)題。待全部完成后，應(yīng)反復(fù)運(yùn)行多次觀察。 8 脈搏測(cè)量?jī)x 總 結(jié) 本設(shè)計(jì)主要是 51 單片機(jī)在脈搏測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用。重點(diǎn)介紹了單片機(jī)的最 小系統(tǒng)，通過(guò)單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了脈搏的測(cè)量系統(tǒng)，由動(dòng)態(tài)微壓傳感器采集到脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)的濾波、放大和整形電路將輸出的信號(hào)通過(guò)單片機(jī)的外部中斷獲取并最終在數(shù)碼管上顯示。利用單片機(jī)自身的定時(shí)中斷、外部中斷、計(jì)數(shù)等功能，不僅能顯示出此次脈搏測(cè)量的次數(shù)，還能

10、自動(dòng)儲(chǔ)存這個(gè)數(shù)據(jù)。 本次所設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、功能穩(wěn)定、使用方便，應(yīng)用廣泛，具 有實(shí)際意義。由于時(shí)間比較短，同時(shí)本人掌握的知識(shí)有限，本次設(shè)計(jì)雖已完成，但其中有很多不足，如程序不夠簡(jiǎn)練，動(dòng)態(tài)微壓傳感器靈敏度不夠高，數(shù)碼管顯示部分不夠完美等，同時(shí)此次設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x功能比較單一，沒(méi)有如語(yǔ)音系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)讀出脈搏次數(shù)等人性化功能，且在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的運(yùn)放數(shù)量也較多。然而科技的進(jìn)步勢(shì)必會(huì)使測(cè)量?jī)x的功能日益強(qiáng)大和完善，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大，將會(huì)給我們的生活帶來(lái)更多的方便和精彩。 為了更好的進(jìn)行電脈搏測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)，在近一個(gè)學(xué)期的時(shí)間里，認(rèn)真收集有關(guān)資料，并做相關(guān)的整理和閱讀，為這次的設(shè)計(jì)做好充分的準(zhǔn)備。經(jīng)

11、過(guò)這次課設(shè)，我收獲了很多，具體總結(jié)如下：（1）通過(guò)此次的設(shè)計(jì)，使我知道了無(wú)論做什么事都應(yīng)該事先做好充分的準(zhǔn)備，不應(yīng)該盲目的只為了完成任務(wù)而被動(dòng)的學(xué)習(xí)。（2）通過(guò)此次的設(shè)計(jì)，使我了解了脈搏測(cè)量?jī)x在國(guó)內(nèi)外發(fā)展之迅速、應(yīng)用領(lǐng)域之廣、市場(chǎng)前景之大。 （3）通過(guò)此次的設(shè)計(jì)，使我對(duì)硬件設(shè)計(jì)和各模塊的功能有了更深的了解，同時(shí)提高了動(dòng)手能力。 （4）通過(guò)次次的設(shè)計(jì)，使我體會(huì)到堅(jiān)持不懈的毅力對(duì)完成一件事情起著巨大的作用。 （5）通過(guò)此次的設(shè)計(jì)，使我深刻的體會(huì)到團(tuán)隊(duì)合作精神的重要性及相互討論過(guò)程中的樂(lè)趣。 9 脈搏測(cè)量?jī)x 參考文獻(xiàn) 1 郭天祥.新概念 51 單片機(jī) C 語(yǔ)言教程M.北京:電子工業(yè)出版社,2009.

12、 2 胡漢才.單片機(jī)原理與接口技術(shù)M.北京: 清華大學(xué)大學(xué)出版社,2004.1-505. 3 邢國(guó)泉. LM35 溫度傳感器的溫度特性及其應(yīng)用J. 醫(yī)療設(shè)備信息.2007,11,25-28. 4 薛國(guó)紅,趙修斌,盧艷娥等.零漂與增益控制對(duì)量化的影響分析J.西安：空軍工程大學(xué),2008. 5 馬忠梅，劉濱等. 單片機(jī) C 語(yǔ)言 Windows 環(huán)境編程寶典M. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社. 2003. 10 脈搏測(cè)量?jī)x 附錄 1 元器件清單 數(shù)量（個(gè)） 名稱 1 STC89C51 1 LM358 1 LM393 1 74HC04 4 R=100k 5 R=10k 10 R=68k 1 脈搏傳

13、感器 SC0073 11 脈搏測(cè)量?jī)x 附錄 2 調(diào)試系統(tǒng)照片 12 脈搏測(cè)量?jī)x 附錄 3 源代碼 #include #include sbit START=P37; sbit MB=P10; UnsignedcharcodeLED7=0 x3F,0 x06,0 x5B,0 x4F,0 x66,0 x6D,0 x7D,0 x07,0 x7F,0 x6F; int couter=0; unsigned char mb=0; unsigned char maibo=0; unsigned char k=0; unsigned char dis=0; unsigned char shi=0; unsi

14、gned char ge=0; void delay_ms(unsigned int i) unsigned char j; for(;i0;i-) j=1500; while(j-); void Init() ET0=1; TR0=1; TMOD=0 x11; TH0=(65535-50000)/256; TL0=(65535-50000)%6; PT0=0; 13 脈搏測(cè)量?jī)x void main() P0=0 x00; P2=0 x00; Init(); while(1) if(START=0) delay_ms(3); dis=1; mb=0; k=0; EA=1; if(dis=1) if(MB=0) delay_ms(3); if(MB=0) mb+; while(!MB); shi=mb/10; ge=mb_x0010_; P2=LED