基于51單片機(jī)的脈搏心率測量儀-參考論文

1、基于51單片機(jī)的脈搏測量儀摘要 ：脈搏心率測量儀在我們的日常生活中已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用。為了提高脈搏心率測量儀的簡便性和精確度，本課題設(shè)計了一種基于51單片機(jī)的脈搏心率測量儀。系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)為核心，以紅外反射式傳感器ST188為檢測原件，并利用單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部定時器來計算時間，由紅外反射式傳感器ST188感應(yīng)產(chǎn)生脈沖，單片機(jī)通過對脈沖累加得到脈搏心率跳動次數(shù)，時間由定時器定時而得。系統(tǒng)運(yùn)行中能顯示脈搏心率次數(shù)和時間，系統(tǒng)停止運(yùn)行時，能夠顯示總的脈搏心率次數(shù)和時間。經(jīng)測試，系統(tǒng)工作正常，達(dá)到設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：脈搏心率測量儀；STC89C51單片機(jī)；紅外反射式傳感器 一脈搏心率測量

2、儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)脈搏心率測量儀的設(shè)計，必須是通過采集人體脈搏心率變化引起的一些生物信號，然后把生物信號轉(zhuǎn)化為物理信號，使得這些變化的物理信號能夠表達(dá)人體的脈搏心率變化，最后要得出每分鐘的脈搏心率次數(shù)，就需要通過相應(yīng)的硬件電路及芯片來處理物理變化并存儲脈搏心率次數(shù)。在硬件設(shè)計中一般的物理信號就是電壓變化。1.1 光電脈搏心率測量儀的結(jié)構(gòu)光電脈搏心率測量儀是利用光電傳感器作為變換原件，把采集到的用于檢測脈搏心率跳動的紅外光轉(zhuǎn)換成電信號，用電子儀表進(jìn)行測量和顯示的裝置。本系統(tǒng)的組成包括光電傳感器、信號處理、單片機(jī)電路、數(shù)碼管顯示電路、電源等部分。1光電傳感器即將非電量(紅外光)轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它由紅

3、外發(fā)射二極管和紅外接收三極管組成，它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。2信號處理 即處理光電傳感器采集到的低頻信號的模擬電路(包括放大、濾波、整形等)。3. 單片機(jī)電路即利用單片機(jī)自身的定時中斷計數(shù)功能對輸入的脈沖電平進(jìn)行運(yùn)算得出心率（包括STC89C51、外部晶振、外部中斷等）。4數(shù)碼管顯示電路即把單片機(jī)計算得出的結(jié)果用四位一體數(shù)碼管顯示出來。5. 電源即向光電傳感器、信號處理、單片機(jī)提供的電源，采用直流5V電源供電。1.2工作原理本設(shè)計采用單片機(jī)STC89C51為控制核心，實現(xiàn)脈搏心率測量儀的基本測量功能。脈搏心率測量

4、儀硬件框圖如下圖2.1 所示：放大、整形電路ST188紅外反射傳感器四位一體數(shù)碼管顯示電路STC89C51主控制器復(fù)位電路晶振電路+5V電源圖 2.1 脈搏心率測量儀的工作原理當(dāng)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)生變換。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。該信號經(jīng)放大、濾波、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。單片機(jī)電路對輸入的脈沖信號進(jìn)行計算處理后把結(jié)果送到四位一體數(shù)碼管顯示。圖3.3 信號采集電路二.

5、硬件系統(tǒng)2.1信號采集電路圖3.3是脈搏心率信號的采集電路，U2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R10阻值的選取要求較高。R10選擇470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。R21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)別有脈搏心率和無脈搏心率時的信號。反之，R21過小，通過的電流偏大，紅外接收三極管也不能準(zhǔn)確地辨別有脈搏心率和無脈搏心率時的信號。當(dāng)手指離開傳感器或檢測到較強(qiáng)的干擾光線時，輸入端的直流電壓會出現(xiàn)很大變化，為了使它不致泄露到LM358輸入端而造成錯誤指示，用C4耦合電容把它隔斷10。當(dāng)手

6、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)有跳動的脈搏心率時，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)脈搏心率只有為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)耦合電容C4耦合，再由R5、C5濾波以濾除高頻干擾后，加到線性放大輸入端。2.2信號放大2.1放大器的介紹LM358 是由兩個獨立的高增益運(yùn)算放大器組成?？梢允菃坞娫垂ぷ鳎部梢允请p電源工作，電源的電流消耗與電源電壓大小無關(guān)

7、。應(yīng)用范圍包括變頻放大器、DC 增益部件和所有常規(guī)運(yùn)算放大電路。采用DIP8 或SOP8 封裝形式。每一組運(yùn)算放大器可用圖3.4所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo 的信號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 的信號與該輸入端的相位相同。LM358 的引腳排列見圖3.5。 圖3.4 圖3.5由于LM358 二運(yùn)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。2.3 放大電

8、路按人體脈搏心率在運(yùn)動后跳動次數(shù)達(dá)200次/分鐘的計算來設(shè)計低通放大器，如圖3.6所示。R6、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R6、C6決定，運(yùn)放LM358將信號放大，放大倍數(shù)由R12和R13的比值決定。圖3.6 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：放大倍數(shù)為：200。截止頻率為：3.9HZ。按人體的脈搏心率跳動為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。波形如圖3.7所示。圖3.72.4 波形整形電路波形整形電路如圖3.8所示，LM358是一個電壓比較器。當(dāng)有輸入信號時，LM358在比較

9、器輸入信號的每個后沿到來時輸出低電平，用發(fā)光二極管D1作脈搏心率測量狀態(tài)顯示，脈搏心率每跳動一次發(fā)光二極管就亮一次。同時，該脈沖電平送到單片機(jī)/INTO腳，進(jìn)行對心率的計算和顯示。輸出波形如圖3.所示。圖3.8 波形整形電路經(jīng)過比較器LM358的輸出波形：圖3.92.5單片機(jī)處理電路 如圖3.12所示，本部分運(yùn)用了STC公司的89C51單片機(jī)作為核心元件，在這里運(yùn)用單片機(jī)能更快更準(zhǔn)確地對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，而且可以根據(jù)實際情況進(jìn)行編程，所用外圍元件少，輕巧省電，故障率低。來自傳感和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機(jī)89C51的/INTO腳，單片機(jī)設(shè)為負(fù)跳變中斷觸發(fā)模式，故每次脈沖下降沿到達(dá)時觸發(fā)單片機(jī)

10、產(chǎn)生中斷并進(jìn)行計時，來一個脈沖脈搏心率次數(shù)就加一；定時器中斷主要完成一分鐘的定時功能。單片機(jī)對一分鐘內(nèi)的脈沖次數(shù)進(jìn)行累加，通過P0、P1口把測量過程和結(jié)果送到四位一體數(shù)碼管顯示出來9。圖3.12 單片機(jī)處理電路2.6 顯示電路本設(shè)計的顯示采用四位一體數(shù)碼管來顯示。單片機(jī)的P0口，P1口控圖3.13 顯示電路制顯示器。顯示電路如圖3.13。脈搏心率測量儀電路原理圖圖 3.16 電路原理圖三. 軟件系統(tǒng)3.1 主程序流程：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)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)專用寄存器、定時器工作方式及各端口的工作狀態(tài)的

11、設(shè)定。系統(tǒng)初始化之后, 進(jìn)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12。流程如圖4.1所示。3.2 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心率次數(shù)。同時可以對按鍵進(jìn)行檢測，只要復(fù)位測試值就可以重新開始測試。主要完成一分鐘的定時功能和保存測得的脈搏心率次數(shù)。流程如圖4.2所示。 3.3 INT中斷程序流程：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

12、心率次數(shù)就加一，由單片機(jī)內(nèi)部定時器控制一分鐘，累加得出一分鐘內(nèi)的脈搏心率次數(shù)。流程如圖4.3所示。3.4 代碼： .測量儀使用方法測量儀通電后，數(shù)碼管全部顯示0。把手輕輕置于右下角的傳感器中，以稍微有壓迫感為宜，這時很快就可以看到紅色發(fā)光二極管會伴隨你的脈搏心率而閃爍，讓你直觀的看到自己脈搏心率跳動的速度，按下復(fù)位鍵后單片機(jī)和顯示部分開始工作，單片機(jī)立刻開始計數(shù)，同時數(shù)碼管顯示出你的心率和測試的時間，非常方便。如果偶爾出現(xiàn)不穩(wěn)的情況，請按復(fù)位鍵對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。系統(tǒng)調(diào)試1.放大倍數(shù)的增加 傳感器的輸出端經(jīng)示波器觀察有幅度很小的正弦波，但經(jīng)整形輸出后檢測到的脈沖還是很弱，在確定電路沒有問題的情況下

13、，加強(qiáng)信號的放大倍數(shù)，調(diào)整電阻R12和R13的阻值。2. 時鐘的調(diào)試根據(jù)晶體振蕩頻率計算出內(nèi)部定時器的基本參數(shù)，通過運(yùn)行一段時間可通過秒表來校正后,看時間誤差的量,以這個量為依據(jù)改變程序中的內(nèi)部定時器基本參數(shù),就可使時鐘調(diào)準(zhǔn)確。3. 開機(jī)后無顯示首先檢查交流電源部分，有無交流，若無則可能保險管或變壓器燒壞，如有繼續(xù)查直流有無，如無則電源已燒壞，可更換解決。4. 顯示正常但經(jīng)適當(dāng)運(yùn)動后測量，脈搏心率次數(shù)沒有增加可能是前置放大級有問題，可采用更換的辦法判斷并排除。5. 進(jìn)人測量狀態(tài), 但測量值不穩(wěn)定主要是光電傳感器受到電磁波等干擾，其次是損壞或有虛焊。6. 開機(jī)后顯示不正?；虬存I失靈可查手指擺放的位置或按鍵電路，若無故障則是硬