脈搏心率測試儀測試與制作報告.doc

1、成績 五邑大學(xué)電子系統(tǒng)課程設(shè)計題 目：脈搏心率測試儀測試與制作院 系 信息工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 陳鵬 講師 報告日期 2013年1月 脈搏心率測試儀測試與制作引 言 脈搏波所呈現(xiàn)出來的形態(tài)、強度、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單片機為核心而制作的一種實用型脈搏測量儀.采用紅外發(fā)射管和接收管對人體的脈搏心率進行數(shù)據(jù)采集,得到的信號濾波放大整形后送入STC89C52單片機進行采集和處理。單片機將采集到的脈搏心率在液晶LCD1602上實時顯示出來。本文將首先描述本設(shè)計的整體思路，然后介紹各

2、個部分設(shè)計中的細(xì)節(jié)，最后列出完善的計算和處理方式與結(jié)果。1. 設(shè)計解析與設(shè)計方案介紹平均心率值是指一分鐘內(nèi)心臟實際跳動的次數(shù)，本心率測量儀是測試平均心率值，測量方法主要有兩種： 一種是心電測量。 即根據(jù)心電圖上相鄰二次波形之間的間隔時間來計算心率值; 另一種是脈搏測量。通常心臟的跳動與脈搏的跳動是同步的， 因此只需測出脈搏跳動次數(shù)就可以知道心率值測量脈搏是通過記錄處理脈搏傳感器發(fā)出的指脈電信號來實現(xiàn)的.本方案選擇的比較簡單直接的脈搏測量方式。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。近年來， 光電檢測技術(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.本系統(tǒng)設(shè)計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.采用指套式的透射型光電傳感器模塊對人體實行心率數(shù)據(jù)采集,采集所得信號通過放大電路模塊實行電信號放大,然后信號通過濾波電路模塊進行濾波（特別濾除50Hz市電干擾），再通過整形穩(wěn)壓電路進行整形后，得到幅值在05v的正弦信號,再最后將信號通過斯密特比較器NE555形成矩形波并送入單片機控制顯示電路模塊實現(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 脈搏測量儀系統(tǒng)框圖 傳感器兩級放大時間與心率顯示波形處

4、理模塊信號提取模塊濾波波形整形電壓跟隨接收顯示模塊單片機圖1.2 脈搏信號提取及處理電路結(jié)構(gòu)圖2. 脈搏信號提取部分光敏二極管的特性是將光信號強弱變化轉(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。此次設(shè)計采用的是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,IC1B 的反相輸入端電位大于同相輸入端電位，Vi 為“O”。當(dāng)手指處于測量位置時，會出現(xiàn)二種情況

5、：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，由于紅外接收二極管中存在暗電流,仍有l(wèi)A 的暗電流會造成Vi 電位略低于2。5 V。二是有脈期。當(dāng)有跳動的脈搏時，血脈使手指透光性變差，紅外接收二極管中的暗電流減小，Vi 電位上升.由此看來，所謂脈搏信號的拾取實際上是通過紅外接收二極管，在有脈和無脈時暗電流的微弱變化，最終輸出20mv左右電壓信號.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，將變化的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號.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. 脈搏信號處理部分LM324運放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，這也使得傳感器部分輸入的微弱電壓信號得以有效輸入,為下面的濾波放大提供保障（2） 起到做緩沖級，隔離電路干擾作用。電壓跟隨器作緩沖級,能有效防止后級對于前級的干擾，從而隔離了后級的可能存在的干擾.因為脈搏信號本身穩(wěn)定性很差，極易受到外界或是來自電路本身的干擾，電壓跟隨器的存在能有效避免來自電路的干擾LM324運放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頻率為4。8HZ及以下時

7、，信號正常放大Au倍后輸出；在輸入信號頻率大于4。8HZ時,信號將快速衰減，最終無法導(dǎo)通。因而,濾波部分電路最多能檢測脈搏信號近300次每分鐘，使得使用者有較大的測量空間，且能有效地攔截市電的50HZ干擾信號。 圖3.1 電壓跟隨器電路 圖3.2 二階低通濾波電路LM324運放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波形整形,如圖3.4所示。信號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,在輸入信號低至5mV時，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采集識別。因而,總體設(shè)計符合要求 圖3。3 同相比例放大電路 圖3.4 NE555整形電路4單片機顯示控制部分此次設(shè)計中的控制顯示部分主要由STC89C52單片機和LCD1602液晶顯示器共同構(gòu)成。(1）STC89C52單片機介紹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，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM,MAX810復(fù)位電路，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。單片機運作的基本電路需復(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，帶背光,可顯示兩行，每行16個字符，不能顯示漢字，內(nèi)置含128個字符ASCII字符集字庫。將1602的8位數(shù)據(jù)口與單片機的P0口相連接。當(dāng)R/W腳（1602第5腳）為低電平時為寫操作狀態(tài)，這里可

10、以一直讓其為低電平。而當(dāng)RS（第4腳）為低電平時為寫指令,當(dāng)RS（第4腳）為高電平時為寫數(shù)據(jù).1602的程序是根據(jù)PDF資料的寫操作時序圖進行編寫的,通過對1602寫入指令和寫入數(shù)據(jù)來進行顯示。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.單片機軟件設(shè)計部分該脈搏測量儀的單片機程序，主要是LCD1602液晶的操作和顯示程序,采用C語言進行編程。主要用到的單片機定時器。當(dāng)矩形波信號由P3。2口輸入時，由單片機記錄每一個低電平并通過定時顯示程序輸出顯示。除此外，需要借助定時器進行計時，這里以60秒為周期計算接受整形

11、后波形的低電平個數(shù),即得出我們需要脈搏數(shù)。以下便是ATC89C52單片機信號采集和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<reg52。h>#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_da

12、ta P0#endif/*主程序部分*/主程序maibo.c#include<maibo。h>#include<intrins.h>uchar 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 Wai

13、t!！"；uchar test_res = "00-000"；int test_data;uint timer;/延時函數(shù)void delay（float xms）uchar i；while（xms） for(i=0；i110;i+） _nop_(）； _nop_（); _nop_（）； _nop_()； /忙檢測函數(shù)bit LCD_busy(）bit result;LCD_RS = 0;LCD_RW = 1;LCD_EN = 1;_nop_（）;_nop_();result=(bit)(LCD_data0x80）；LCD_EN = 0;return result

14、;/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_data=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_(）

15、；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點陣，8位數(shù)據(jù)LCD_wcmd（0x0c)； /顯示開,關(guān)光標(biāo)LCD_wcmd(0x06)； /移動光標(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)uc

16、har i,arra;for（i=0；i<16；i+=1)arra=disi;if(arra=0'）/字符串結(jié)尾標(biāo)志break;elseLCD_wdat（arra);/人機界面初始化void dis_init()maibo=1；EA = 1 ;/單片機開中斷設(shè)置TMOD=0X01；TH0=(6553550000)/256； TL0=（65535-50000)%256;ET0 = 1； TR0 = 0； PT0 = 1;/定時器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(

17、1,2）;LCD_dis（dis1);delay(3000)；LCD_wcmd(0x01);LCD_pos（1,2） ；LCD_dis（dis2);void dis_data（）test_res0=0+(uint）(timer/10）； test_res1='0'+(uint)（timer%10）；test_res5=0'+(uint)(test_data/100)； test_res6='0+（uint)(test_data100）/10）； test_res7=0+（uint）(test_data10）;LCD_pos（2,5);LCD_dis（test_r

18、es)；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 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

19、（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) ；LCD_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.實踐過程中問題及處理方案（1） 信號采集電路部分，紅外對的靈敏性不夠。解決方法：直接使用信號發(fā)生器來模擬紅外對管生成44mV輸入電壓。（2） 信號放大電路部分，實際放大增益與理論計算值有較大的差別。解決方法:通過更換電阻改變增益系數(shù)，以達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與定時器0中斷同時應(yīng)用時發(fā)現(xiàn)