紅外線脈搏自動測量儀論文

1、. . . . I / 36紅外線脈搏自動測量儀. . . . II / 36摘要現(xiàn)代醫(yī)學認為心血管疾病己經(jīng)成為危害人類健康的第一殺手因此尋找更加安全，有效和無創(chuàng)傷的心血管診療方法是當前醫(yī)學界人士迫切的需求。從單片機發(fā)出的測量信號經(jīng)光源驅動電路進行功率放大后，送到指套式光電傳感器的紅光和紅外發(fā)射二極管上，使它們發(fā)射光脈沖。測量時將人的中指夾在指套里，光脈沖透過手指，通過分析測量部位的血液隨脈搏波動引起光吸收的變化推算人體的脈搏。通過對信號放大，消抖，用 555 接成施密特觸發(fā)器，整形成方波接入單片機T1 口，通過 TR0 定時，TR1 計數(shù)對數(shù)據(jù)處理，把脈搏數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)碼管輸出。數(shù)碼顯示電路采

2、用動態(tài)顯示，采用 74HC244 鎖存器作為驅動，用彈片機 P2 口作為數(shù)據(jù)輸出端，P1 口進行位選。文章給出了系統(tǒng)的功能特點、設計原理、硬件電路與軟件設計等。該系統(tǒng)在提高精度的同時也大大提高了系統(tǒng)的響應速度;該儀器成本低,可靠性高,操作方便。關鍵詞：紅外線；脈搏；單片機. . . . I / 36AbstractAbstractThe illness of heart is the first killer to health of human race in the modern medicines. Thestudyofpulsewave,includingitsquantitative

3、diagnoseandpropagationisoneofthehottopicsinthefieldsofclinicalmedicine,suchashowtodetectcardiovasculardiseasesandmakeearlydiagnosiswithoutharm.The signal that is from the microprocessor be blew up by lamp-housecircuit sent to the glow and infrared diode of the photoelectricsensor and beamed the ray

4、pulse. Putting the middle finger in the fingertip when the ray pulse permeates the finger and analyzing the signal be absorbed.The pulse is calculated by measuring the variance of light absorption resulted from blood current waving in the measured part of human body .The signal be made blow up and f

5、ace lifting by TR0 timing and TR1 taking count Thearticlegivesthesystemsfunction,designprinciplehardwareelectriccircuitandsoftwaredesignetc.ItadoptsthemethodofANGA(AvoidingNoiseandGlidingAverage)tofiltertheorderlysignal;Intheexaltationaccuracyitincreasetheresponse.Thetestresultexpressthatthesteadyer

6、rorissmaller1%.KeyKeywords:words:pulsetestdigitalfiltering;infrared ray;microprocessor. . . . 1 / 36目錄摘要摘要 IIIIII第第 1 1 章章緒緒論論 3 31.1概述 31.2本課題設計的要求和實現(xiàn)的方案 3第章第章硬件電路設計硬件電路設計 6 62.1脈搏自動測量系統(tǒng)總圖 62.2脈搏信號的數(shù)據(jù)采集 62.3脈搏信號的處理 82.489C51 單片機紅外線脈搏測量系統(tǒng) 112.5LED 脈搏信號數(shù)碼顯示 122.6串行口通信 142.7本章小結 15第第 3 3 章章系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設

7、計 16163.1總體的軟件流程圖 163.2數(shù)碼顯示 173.3定時器/計數(shù)器 193.4中斷 203.5本章小結 21第第 4 4 章章脈搏自動測量系統(tǒng)調試脈搏自動測量系統(tǒng)調試 22224.1脈搏信號采集、處理的調試 224.2單片機系統(tǒng)定時器/計數(shù)器程序的調試 224.3脈搏信號數(shù)碼顯示電路的調試 234.4本章小結 25結結論論 2626致致 2727. . . . 2 / 36參考文獻參考文獻 3232. . . . 3 / 36第 1 章緒論1.1概述從80年代單片機引入我國到現(xiàn)在，單片機已廣泛的應用于電子設計中，使智能化水平在廣度和深度上產(chǎn)生了質的飛躍，而且單片機體積小，功能強，

8、性價比高的特點在智能儀表和工業(yè)控制領域獲得廣泛的應用。數(shù)字式脈搏測量系統(tǒng)的特點是以微處理器為核心，利用微處理器的控制、運算功能、具有智能化的特點。數(shù)字式脈搏測量電路顯示不僅直觀，測量精度高，而且便于進行自動控制，所以獲得廣泛的應用。脈搏是人體活動最重要、最靈敏和最可靠的信源。早在兩千年前，我們的祖先就開始用切脈診治疾病醫(yī)生在3公分長的手腕部位動脈管段上，用手指作為拾取脈搏信號的傳感器，就能斷定五臟六腑之疾，診治、外、婦、兒之癥，這其中必定蘊含著深奧的科學道理有待揭示。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，數(shù)字化、智能化、簡單化成為必然趨勢。使我們不懂醫(yī)學的人，也能夠與時容易地了解自己的身體狀況?，F(xiàn)在取脈搏得

9、方式一般都是用壓力傳感器，依靠脈搏的搏動帶來壓力變換來檢測，來實現(xiàn)測脈搏。日常生活中,智能化電子產(chǎn)品將成為新的潮流趨勢。目前市場上所推出的家庭醫(yī)療電子產(chǎn)品大多以測量血壓為主,智能脈搏測試儀器尚不多見。本文針對市場上的家用醫(yī)療設備的需要與目前儀器所存在的缺陷,1.21.2 本課題設計的要求和實現(xiàn)的方案（1）功能要求與性能指標：1）功能要求：測量人體的脈搏數(shù)能隨時察看數(shù)據(jù)脈搏過高過低有報警功能2）性能指標：測量圍：18-300次分測量精度：3次. . . . 4 / 36測量時間：30S溫度要求：常溫下正常工作（2）實現(xiàn)方案光電測量利用動脈血的氧飽和度的不同帶來透光性的差異來測量脈搏。人體動脈在心

10、臟驅動下的搏動引起全身動脈血曾的擴收縮和血液流量變化反映在被測位就相應地引起光吸收的變化。通過檢測血濃容量波動引起的光吸收量的變化并消除非血液組織的影響測得脈搏信號。通過對采集信號光電轉換以與波形處理，對信號進行計數(shù)實現(xiàn)脈搏的測量。人體生理物理學理論研究表明：氧合血紅蛋白HbO2和還原血紅蛋白（HB）對光普的吸收特性截然不同。如圖1-1所示圖 1-1紅光和紅外光吸收曲線考慮到機體組織對測量精度的影響在選擇光波波長時，要求氧合血紅蛋白HbO2和還原血紅蛋白Hb對該波段的吸光性能相對于非血液組織要強，但不能選擇吸光系數(shù)太大的波段，那樣透射光極弱，很難檢測環(huán)境光的變化可能會對測量結果造成很大影響。由

11、于氧合血紅蛋白Hb02和還原氧合蛋白Hb對600nm以下波長光的吸光系數(shù)過大，不適宜權飽和度檢測從圖1-1看到該光波波長應該在805nm左右，要做到理論上絕對相等是很難實現(xiàn)的。而該點的吸光系數(shù)隨波長變化幅度比較大，這樣當發(fā)光管存在個體差異時很不利于調試替換而在900950nm這個波段，兩曲線變化緩 慢且接近重合所以一般將波長選在此波段。光波長選在650nm附近.因為在該段波長處，光對氧合血紅蛋白HbO2和還原血紅蛋白Hb吸收不數(shù)之差最大。本課題選用660nm紅光和905nm紅外光的兩種單色光。1反射式血氧飽和度檢測系統(tǒng)是將反射式的傳感器貼在人體表面，入射光經(jīng)過人體組織后，由于組織對光的吸收和散

12、射作用，從與入射光位于同一表面的接收部分收集經(jīng)過了血管床中的血流調制的反射光信號，經(jīng)過信號的放大、分離、有源濾波后，削抖。在單片機的控制下通過數(shù)碼管正確的顯示。. . . . 5 / 36人體耳廓、指尖、腳趾、額頭等處毛細血管豐富，組織比較薄，光容易透過組織吸光影響比較小，通常選擇這些地方作為測量部位。光傳感器，一般連用采用體積小、光波長單一性較好的發(fā)光二極管做光源一般有透射式和反射式兩種光傳感器。投射式探頭選用彈性較好的軟橡膠作長夾子形狀，光源和光敏元件鑲嵌在其中，它能夠較穩(wěn)定地夾在耳廓、腳趾或者指尖部位，并能保持測量部位血液地正常流動反射式深頭輕貼在血液較豐富地皮膚表面，如額頭等。. .

13、. . 6 / 36第章硬件電路設計2.1脈搏自動測量系統(tǒng)總圖硬件電路共分四部分：脈搏信號的采集、處理、單片機系統(tǒng)以與數(shù)碼顯示串行通信部分。系統(tǒng)總圖如下：圖 2-脈搏自動測量系統(tǒng)總圖2.2脈搏信號的數(shù)據(jù)采集脈搏信號的采集主要通過紅外傳感器來實現(xiàn)，紅外線傳感器主要部分是光源控制和驅動電路。光源控制和驅動電路原理如下圖所示。它主要是產(chǎn)生序列脈沖,驅動傳感器上的兩個波長分別為660nm和905nm的發(fā)光二極管（LED）。方波發(fā)生器產(chǎn)生頻率. . . . 7 / 36為572Hz、占空比為1/6的方波A經(jīng)過二分頻后產(chǎn)生信號C，C和C與A共同控制產(chǎn)生信D和E，再由D和E信號通過驅動器控制兩個發(fā)光二極管L

14、ED和LED2按時序發(fā)光和熄滅，這里的D和E信號還將在后面的信號。2分離電路中作為模擬開關的控制信號以完成電路對紅光和紅外光信號的分離。圖 2-2光源控制和驅動電路信號時序如圖2-3所示。這樣我們就可以按時序形成紅光、紅外光、不發(fā)光三個工作狀態(tài)，以便消除背景光的干擾，減少誤差，提高測量的準確性。驅動器的作用是為發(fā)光二極管提供合適的工作電流，具體電路中由具有電流放大作用的三極管實現(xiàn)；為保證兩發(fā)光管的光強在同一能級，需注意兩個三極管的參數(shù)應較為接近。圖 2-3信號時序. . . . 8 / 362.3脈搏信號的處理脈搏信號的處理包括信號的放大、低通濾波、高通濾波、方波整形等部分。2.3.1脈搏信號

15、的放大透過動脈血管床的混合光信號經(jīng)過傳感器的接收器件光敏二極管后轉換為電信號，該信號包括紅光、紅外光和暗光信號。由于該信號比較微弱，我們先用一個預放大電路將信號放大。該放大電路是具有較高抑制共模干擾能力的測量放大器，它因具有高輸入阻抗、低失調電壓、穩(wěn)定放大倍數(shù)和低輸出阻抗等優(yōu)點，而被廣泛應用于生物醫(yī)學測量以與那些提供微弱信號而共模干擾較大的場合。3為了消除外界環(huán)境光的干擾影響，采用了同步檢波的正負極性切換電路將暗光信號從有用信號中減去，它由一個運放和模擬開關4066組成，如圖2.5所示。其原理是：模擬開關受A控制，當A0時開關斷開，運放的同相輸入端為高阻抗輸入，輸入信號未經(jīng)衰減而輸入，受運放控

16、制，使其反相輸入端電位為正電位，其輸入和輸出電位一樣,R上沒有電流流過，相當于一個同相緩沖器，輸出的信號和輸入信號一樣。當A1時開關導通，運放此時作為反向放大器工作，增益為-1，輸入和輸出信號反向。經(jīng)過同步檢波的正/負極性切換電路后暗光信號轉換為負信號，而有用信號為正，再通過后面電路的積分作用使兩信號極性相反的成分相減，從而從有用的復合信號中除去暗光信號。經(jīng)過同步檢波的正負極性切換電路后，運用傳感器控制部分產(chǎn)生的信號D和E控制模擬開關4066閉合和斷開，使信號分成紅光和紅外光兩路，然后我們分別對這兩路信號進行低通濾波和高通濾波。圖 2-4信號放大. . . . 9 / 36圖 2-5同步檢波2

17、.3.2低通濾波采用低通濾波器主要是消除容積脈搏波信號中高頻噪聲的干擾。為了得到更好的濾波效果，采用了一個截止頻率為40HZ的二階低通濾波器，如圖2-6所示。圖 2-6低通濾波2.3.3高通濾波經(jīng)過低通濾波后容積脈搏波信號含有伏特級的直流信號和毫伏級的容積脈搏波交流信號，將此信號采集進計算機后就可以作為計算脈搏血氧飽和度所需要的直流成分。高通濾波器采用了截止頻率為0.1Hz的二階高通濾波器，如圖2-7所示。最后，將高通濾波后的信號進行交流放大就可以采集進計算機作為計算脈搏血氧飽和度所需要的交流成分。圖 2-7高通濾波. . . . 10 / 362.3.4方波整形圖 2-8 施密特觸發(fā)器只要將

18、555定時器的2號腳和6號腳接在一起，就可以構成施密特觸發(fā)器。我們簡記為“二六一搭“。這個施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性是反相的。5號腳懸空時，正向閾值電壓和負向閾值電壓分別為2/3Vcc和1/3Vcc。5號腳接控制電壓Vco時，正向閾值電壓和負向閾值電壓分別為Vco和1/2Vco。能實現(xiàn)波形整，整形成方波。圖 2-9波形圖. . . . 11 / 362.489C51 單片機紅外線脈搏測量系統(tǒng)89C51 單片機承擔系統(tǒng)各項功能管理和數(shù)據(jù)處理的任務。經(jīng)過轉換后的數(shù)字信號由單片機通過 T1 采集，并以串口（RS-232）通信方式送入計算機進行處理，脈搏數(shù)字也可由數(shù)碼管直接顯示。本系統(tǒng)采用的單片機是美

19、國 ATmel 公司的AT89C51 芯片，主要負責在定時計算。AT89C51 單片機性能介紹 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器。（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。42

20、.4.1主要特性與 MCS-51 兼容 ；4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器；壽命：1000 寫/擦；循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10 年；全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz；三級程序存儲器鎖128*8 位部 RAM；32 可編程 I/O 線；兩個 16 位定時器/計數(shù)器；5 個中斷源；可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式；片振蕩器和時鐘電路。52.4.2管腳說明VCC：供電電壓。GND：接地。P0 口：P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在 FIASH

21、編程時，P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。P1 口：P1 口是一個部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。6P2 口：P2 口為一個部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“1”時，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外

22、部拉低，將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。. . . . 12 / 36P3 口：P3 口管腳是 8 個帶部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當 P3 口寫入“1”后，它們被部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。2.4.3振蕩器

23、特性XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片振蕩器。石晶振蕩和瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2 應不接。有余輸入至部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 2.4.4芯片擦寫整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51 設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電

24、模式。在閑置模式下，CPU 停止工作。但 RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。72.5LED 脈搏信號數(shù)碼顯示P2 口作為驅動口，P1 口實現(xiàn)位選。數(shù)據(jù)從 P2 口輸出后經(jīng)過 74HC244 緩沖器對信號的放大，驅動數(shù)碼管顯示。通過 P1 口決定哪一個數(shù)碼管亮。本電路采用的是動態(tài)顯示。動態(tài)掃描顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的 8 個筆劃段 a-h 同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極 COM 是各自獨立地受 I/O 線控制。CPU 向字段輸出口

25、送出字形碼時，所有顯示器接收到一樣的字形碼，但究竟是那個顯示器亮，則取決于 COM 端，而這一端是由 I/O 控制的，所以我們就可以自行決定何時顯示哪一位了。而所謂動態(tài)掃描就是指我們采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的 COM 端，使各個顯示器輪流點亮。. . . . 13 / 36圖 2-10緩沖器實現(xiàn)數(shù)碼顯示也可以采用移位寄存器來實現(xiàn)動態(tài)顯示穿行輸入并行輸出。信號從 P2.0 輸出，只有一位數(shù)據(jù)輸出端。每一個數(shù)是 8 位的所以要傳輸一個數(shù)字要輸出 8 次，而后通過 74LS164 并行輸出。由 P1 口決定哪一個數(shù)碼管點亮。圖 2-11移位寄存器實現(xiàn)數(shù)碼顯示. . . . 14 / 362

26、.6串行口通信串行接口的一般概念 單片機與外界進行信息交換稱之為通訊。 8051 單片機的通訊方式有兩種：并行通訊:數(shù)據(jù)的各位同時發(fā)送或接收。串行通訊:數(shù)據(jù)一位一位順序發(fā)送或接收。圖 2-12并行通訊與串行通訊異步通訊：它用一個起始位表示字符的開始，用停止位表示字符的結束。其每幀的格式如下：在一幀格式中，先是一個起始位 0，然后是 8 個數(shù)據(jù)位，規(guī)定低位在前，高位在后，接下來是奇偶校驗位（可以省略）最后是停止位 1。用這種格式表示字符，則字符可以一個接一個地傳送。8波特率即數(shù)據(jù)傳送的速率，其定義是每秒鐘傳送的二進制數(shù)的位數(shù)。例如，數(shù)據(jù)傳送的速率是 120 字符/s，而每個字符如上述規(guī)定包含 1

27、0 數(shù)位，則傳送波特率為 1200 波特。同步通訊：在同步通訊中，每個字符要用起始位和停止位作為字符開始和結束的標志，占用了時間；所以在數(shù)據(jù)塊傳遞時，為了提高速度，常去掉這些標志，采用同步傳送。由于數(shù)據(jù)塊傳遞開始要用同步字符來指示，同時要求由時鐘來實現(xiàn)發(fā)送端與接收端之間的同步，故硬件較復雜。在異步通訊中，CPU 與外設之間必須有兩項規(guī)定，即字符格式和波特率。字符格式的規(guī)定是雙方能夠在對同一種 0 和 1 的串理解成同一種意義。原則上字符格式可以由通訊的雙方自由制定，但從通用、方便的角度出發(fā)，一般還是使用一些標準為好，如采用 ASCII 標準。9通訊方向：在串行通訊中，把通訊接口只能發(fā)送或接收的

28、單向傳送方法叫單工傳送；而把數(shù)據(jù)在甲乙兩機之間的雙向傳遞，稱之為雙工傳送。在雙工傳送方式中又分為半雙工傳送和全雙工傳送。半雙工傳送是兩機之間不能同時進行發(fā)送. . . . 15 / 36和接收，任一時，只能發(fā)或者只能收信息。8051 串行接口是一個可編程的全雙工串行通訊接口。它可用作異步通訊方式（UART），與串行傳送信息的外部設備相連接，或用于通過標準異步通訊協(xié)議進行全雙工的 8051 多機系統(tǒng)也可以通過同步方式，使用 TTL 或 CMOS 移位寄存器來擴充 I/O 口。8051 單片機通過引腳 RXD（P3.0，串行數(shù)據(jù)接收端）和引腳 TXD（P3.1，串行數(shù)據(jù)發(fā)送端）與外界通訊。SBUF

29、 是串行口緩沖寄存器，包括發(fā)送寄存器和接收寄存器。它們有一樣名字和地址空間，但不會出現(xiàn)沖突，因為它們兩個一個只能被 CPU 讀出數(shù)據(jù)，一個只能被 CPU 寫入數(shù)據(jù)。2.7本章小結本設計實現(xiàn)了一種基于單片機的脈搏測量系統(tǒng)，在硬件結構上分為信號采集電路、信號處理電路、單片機小系統(tǒng)、顯示電路。它們各司其職，密切完成整個脈搏測量顯示功能。通過軟件編程進行控制，實現(xiàn)整個設計的要求：單片機進行控制，發(fā)送和接受命令；傳感器將脈搏信號量轉化為電信號發(fā)送給單片機處理；顯示電路將單片機發(fā)來的數(shù)據(jù)顯示出來。硬件設計簡單易行，成本低；硬件部分各電路緊密相連，調試容易進行；各部分電路完成的功能明確，對完成脈搏測量都有不

30、可或缺的作用。10. . . . 16 / 36第 3 章系統(tǒng)軟件設計3.1總體的軟件流程圖圖 3-1總體軟件流程圖首先打開控制開關，系統(tǒng)開始工作，顯示緩沖區(qū)清零，這時候數(shù)碼管被點亮，. . . . 17 / 36顯示全零；判斷開關是否接高電平，如果不為高電平則繼續(xù)判斷，數(shù)碼顯示繼續(xù)為零，如果接高電平計數(shù)器/定時器開始工作初始化，開中斷啟動定時器/計數(shù)器；定時時間到顯示脈搏數(shù)；繼續(xù)判斷開關是否接低電平，如果接低電平，則關閉定時器/計數(shù)器，如果接高電平則繼續(xù)顯示脈搏數(shù)。11紅外線脈搏測量單片機系統(tǒng)，采用匯編語言。匯編語言是一種與硬件緊密相關的程序語言，是機械語言的便于記憶和理解的符號化形式。但計

31、算機的 CPU 不能直接識別機械語言，故交由計算機前，必須將他們翻譯成機械語言，這一編譯過程稱之為匯編。123.2數(shù)碼顯示在單片機系統(tǒng)中，通常用 LED 數(shù)碼顯示器來顯示各種數(shù)字或符號。由于它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長的特點，因此使用非常廣泛。共陰和共陽結構的 LED 顯示器各筆劃段名和安排位置是一樣的。當二極管導通時，相應的筆劃段發(fā)亮，由發(fā)亮的筆劃段組合而顯示的各種字符。8 個筆劃段hgfedcba 對應于一個字節(jié)（8 位）的 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,于是用 8 位二進制碼就可以表示欲顯示字符的字形代碼。例如，對于共陰 LED 顯示器，當公共陰極接地（為

32、零電平），而陽極 hgfedcba 各段為 0111011 時，顯示器顯示P字符，即對于共陰極 LED 顯示器，“P”字符的字形碼是 73H。如果是共陽 LED 顯示器，公共陽極接高電平，顯示“P”字符的字形代碼應為 10001100（8CH）。八段 LED 顯示器由 8 個發(fā)光二極管組成?；?7 個長條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個賀點形的發(fā)光管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點用，它能顯示各種數(shù)字與部份英文字母。LED 顯示器有兩種不同的形式：一種是 8 個發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極 LED 顯示器；另一種是 8 個發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極 LED 顯示

33、器。13在單片機應用系統(tǒng)中，顯示器顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的 I/O 接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機中 CPU 的開銷小。動態(tài)掃描顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的 8 個筆劃段 a-h 同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極COM 是各自獨立地受 I/O 線控制。CPU 向字段輸出口送出字形碼時，所有顯示器接收到一樣的字形碼，但究竟是那個顯示器亮，則取決于 C

34、OM 端，而這一端是由I/O 控制的，所以我們就可以自行決定何時顯示哪一位了。而所謂動態(tài)掃描就是指我們采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的 COM 端，使各個顯示器輪流點亮。. . . . 18 / 36在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮時間是極為短暫的（約 1ms），但由于人的視覺暫留現(xiàn)象與發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位顯示器并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。143.2.1顯示子程序流程圖：圖 3-2顯示子程序把 R0 對應存放數(shù)據(jù)的首地址，R2 附值 0FEH，R3 對應 03H；關顯示器通過位選置高電平來實現(xiàn)，應為采用的是共陰

35、極數(shù)碼管；調用延時子程序；查表；繼續(xù)調用延時子程序；R0 指向下一位地址，R2 不帶進位左移，R3 減 1；判斷 R3 是否為零，不為零則繼續(xù)位選管腳置高電平，為零則指向把 R0 對應存放數(shù)據(jù)的首地址進行下一輪次的掃描動態(tài)顯示。153.2.2顯示子程序DD: MOV R0,#60H MOV R2,#0FEH MOV R7,#03H MOV DPTR,#TAB;. . . . 19 / 36DI: MOV P1,#0FH MOV R3,#20 DJNZ R3,$ MOV A,R0; MOVC A,A+DPTR; MOV P2,A; MOV A,R2 ANL P1,ADELAY1: MOV R5,

36、#0FH; DL6: MOV R6,#0BH; DL5: NOP; NOP; DJNZ R6,DL5; DJNZ R5,DL6; INC R0;MOV A,R2RL A MOV R2,A DJNZ R7,DI LJMP DDTAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH3.3定時器/計數(shù)器89C51 單片機中有兩個計數(shù)器，分別稱之為 T0 和 T1，這兩個計數(shù)器分別是由兩個 8 位的 RAM 單元組成的，即每個計數(shù)器都是 16 位的計數(shù)器，最大的計數(shù)量是 65536。只要計數(shù)脈沖的間隔相等，則計數(shù)值就代表了時間的流逝。由此，單片機中的定時器

37、和計數(shù)器是一個，只不過計數(shù)器是記錄的外界發(fā)生的事情，而定時器則是由單片機提供一個非常穩(wěn)定的計數(shù)源。計數(shù)源是由單片機的晶振經(jīng)過12 分頻后獲得的一個脈沖源。晶振的頻率當然很準，所以這個計數(shù)脈沖的時間間隔也很準。我們采用預置數(shù)的方法實現(xiàn)任意定時與計數(shù)。計數(shù)器的容量是 16 位，也就是最大的計數(shù)值到 65536，因此計數(shù)計到 65536 就會產(chǎn)生溢出。我們采用預置數(shù)的方法，我要計 100，那我就先放進 65436，再來 100 個脈沖，不就到了65536 了。單片機中的定時/計數(shù)器都可以有多種用途，這就要通過定時/計數(shù)器的方式控制字來設置。在單片機中有兩個特殊功能寄存器與定時/計數(shù)有關，這就是TMO

38、D 和 TCON。TMOD 和 TCON 是名稱，我們在寫程序時就可以直接用這個名稱來指定它們，當然也可以直接用它們的地址 89H 和 88H 來指定它們. . . . 20 / 36圖 3-3TMOD從圖 3-3 中我們可以看出，TMOD 被分成兩部份，每部份 4 位。分別用于控制T1 和 T0。圖 3-4TCON從 圖 3-4 中我們可以看出，TCON 也被分成兩部份，高 4 位用于定時/計數(shù)器，低 4 位則用于中斷。而 TF1（0）當計數(shù)溢出后 TF1（0）就由 0 變?yōu)?1。計數(shù)脈沖要進入計數(shù)器要層層過關要，就是 TR0（1）要為 1，開關才能合上，脈沖才能過來。因此，TR0（1）稱之

39、為運行控制位，可用指令 SETB 來置位以啟動計數(shù)器/定時器運行，用指令 CLR 來關閉定時/計數(shù)器的工作。圖 3.5計數(shù)器3.4中斷中斷響應可以分為以下幾個步驟：1、保護斷點，即保存下一將要執(zhí)行的指令的地址，就是把這個地址送入堆棧。2、尋找中斷入口，根據(jù) 5 個不同的中斷源所產(chǎn)生的中斷，查找 5 個不同的入口地址。以上工作是由計算機自動完成的，與編程者無關。在這 5 個入口地址處存放有中斷處理程序（這是程序編寫時放在那兒的，如果沒把中斷程序放在那兒，就錯了，中斷程序就不能被執(zhí)行到）。. . . . 21 / 363、執(zhí)行中斷處理程序。4、中斷返回：執(zhí)行完中斷指令后，就從中斷處返回到主程序，繼

40、續(xù)執(zhí)行。外部中斷請求源：即外中斷 0 和 1，經(jīng)由外部引腳引入的，在單片機上有兩個引腳，名稱為 INT0、INT1，也就是 P3.2、P3.3 這兩個引腳。在部的 TCON 中有四位是與外中斷有關的。IT0：INT0 觸發(fā)方式控制位，可由軟件進和置位和復位，IT0=0，INT0 為低電平觸發(fā)方式，IT0=1，INT0 為負跳變觸發(fā)方式。這兩種方式的差異將在以后再談。IE0：INT0 中斷請求標志位。當有外部的中斷請求時，這位就會置 1（這由硬件來完成），在 CPU 響應中斷后，由硬件將 IE0 清0。IT1、IE1 的用途和 IT0、IE0 一樣。（2）部中斷請求源 TF0：定時器 T0 的溢

41、出中斷標記，當 T0 計數(shù)產(chǎn)生溢出時，由硬件置位 TF0。當 CPU 響應中斷后，再由硬件將 TF0 清 0。TF1：與 TF0 類似。TI、RI：串行口發(fā)送、接收中斷，在串口中再講解。2、中斷允許寄存器 IE 在 MCS51 中斷系統(tǒng)中，中斷的允許或禁止是由片可進行位尋址的 8 位中斷允許寄存器 IE 來控制的。16其中 EA 是總開關，如果它等于 0，則所有中斷都不允許。ES 串行口中斷允許 ET1 定時器 1 中斷允許 EX1 外中斷 1 中斷允許。ET0定時器 0 中斷允許 EX0外中斷 0 中斷允許。中斷有關的特殊功能寄存器、中斷入口、順序查詢邏輯電路等組成，包括 5個中斷請求源，4

42、 個用于中斷控制的寄存器 IE、IP、ECON 和 SCON 來控制中斷、中斷的開、關和各種中斷源的優(yōu)先級確定。3.5本章小結基于單片機的紅外線脈搏測量系統(tǒng)功能的實現(xiàn)是依靠軟硬件結合設計來完成的，硬件的主要功能是完成對光電傳感器的控制、對數(shù)據(jù)的采集、處理，以與LED 的顯示。而軟件的實現(xiàn)對信號得處理、削抖，對數(shù)據(jù)的分離、定時、計數(shù)最后實現(xiàn)正確的數(shù)碼顯示。整個設計過程都稟著充分利用單片機的部資源的原則進行。本章在介紹整體原則和設計思想后，對各個子環(huán)節(jié)進行了詳細的分析和闡述，將各部分的功能和實現(xiàn)方案都清楚地表達出來了，最后附上一些程序以更好的進行解釋設計思路。. . . . 22 / 36第 4

43、章脈搏自動測量系統(tǒng)調試4.1脈搏信號采集、處理的調試脈搏波是低頻、微弱的生理信號,必需濾波和放大,以滿足采集的要求。動脈脈搏信號頻率基本限制在 0.120Hz 以,為了去除高頻干擾,尤其是 50Hz 的工頻干擾,我們設計了一個一階 RC 低通濾波器,其截止頻率為 45Hz。對放大器電路,要求運放具有較高的輸入阻抗,低輸入失調電壓,小的漂移。采用 TL072（雙動放）,可以較好地滿足要求。A/D 轉換器要求輸入信號是單極性的（05V）,我們將TL072 的另一個放大器用作加法器,對放大后的信號作直流校正,以滿足極性要求。另外采樣頻率確定為 125Hz。波峰是這樣確定的:首先設定門限。在每一數(shù)據(jù)段

44、 512 個樣本數(shù)據(jù)中,尋找最大值 Max,定義門限 t=0.8Max。如果某點滿足下面兩個條件,則認為此點為波峰。17此點與前后各 5 點,共 11 個樣本均值大于門限 t。此點為 11 個樣本點中的局部最大值。確定了波峰,就可按上面的公式計算出脈率。實際應用表明,此算法是簡單而實用的。4.2單片機系統(tǒng)定時器/計數(shù)器程序的調試這部分調試過程中遇到問題就是關于中斷的理解不夠清楚什么時候中斷，程序怎么運行不清楚，導致調試了很長時間。中斷有關的特殊功能寄存器、中斷入口、順序查詢邏輯電路等組成，包括 5 個中斷請求源，4 個用于中斷控制的寄存器 IE、IP、ECON 和 SCON 來控制中斷、中斷的

45、開、關和各種中斷源的優(yōu)先級確定應該足夠的認識理解。五個中斷源的自然優(yōu)先級與中斷服務入口地址外中斷 0：0003H 定時器0：000BH 外中斷 1：0013H 定時器 1：001BH 串口：0023H 它們的自然優(yōu)先級由高到低排列。中斷程序完成后，一定要執(zhí)行一條 RETI 指令，執(zhí)行這條指令后，CPU 將會把堆棧中保存著的地址取出，送回 PC，那么程序就會從主程序的中斷處繼續(xù)往下執(zhí)行了。注意：CPU 所做的保護工作是很有限的，只保護了一個地址，而其它的所有東西都不保護，所以如果你在主程序中用到了如 A、PSW 等，在中斷程序中又. . . . 23 / 36要用它們，還要保證回到主程序后這里面

46、的數(shù)據(jù)還是沒執(zhí)行中斷以前的數(shù)據(jù)，就得自己保護起來。定時器與計數(shù)器初始值的設定也應該足夠的理解。我在這部分調試的時候定時部分采用了一段程序如下：LED: MOV TH1,#00H MOV TL1,#00H MOV 50H,#20 MOV 51H,#30 MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H MOV TMOD,#51H SETB EASETB ET0 SETB TR0SETB TR1L3:C TF0,L4 SJMP L3 L4:MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H DJNZ 50H,L3 MOV 50H,#20 DJNZ 51H,L3MOV 51H,#30由于在定時

47、部分缺少了把 51H 再次付給初值 30 導致定時不正常，因為這部分是個循環(huán)語句，如果不給他再次付給初值 30 程序執(zhí)行過程就會，每調用一次30 減少 1，直到為零，而后不給付初值就會變成負數(shù)直到 255 溢出。所以定時時間就會很長。184.3脈搏信號數(shù)碼顯示電路的調試本部分花費很長時間，開始硬件電路設計有問題，對單片機的 P0 口沒有深刻的理解，P0 口做驅動沒有接上拉電阻。原圖如下：. . . . 24 / 36圖 4-1錯誤的數(shù)碼顯示導致信號不能正確的輸出，加上連線比較多，硬件電路比較雜亂。一開始調試沒有多少經(jīng)驗，以為只是軟件的問題，改程序好幾天沒有效果。于是開始懷疑硬件電路的設計。結果

48、發(fā)現(xiàn) P0 口與 P1,P2 口不同，部沒有接上拉電阻，不能直接驅動。19于是決定重新設計電路。74HC244 用了三個浪費資源，一個就能驅動多個數(shù)碼管。而數(shù)碼顯示部分可以用集成的共陰管。這樣數(shù)碼顯示部分的電路就比較簡單，連線也省了好多。電路圖如下：圖 4-2緩沖器驅動的數(shù)碼顯示采用的動態(tài)驅動的方式。在這部分調試過程中，試驗了多種顯示方法比如用移位寄存器驅動。穿行輸入并行輸出，只占用了單片機 6 個管腳就能實現(xiàn)輸出。. . . . 25 / 36圖 4-3移位寄存器驅動的數(shù)碼顯示無論是哪種方法都是動態(tài)顯示，發(fā)現(xiàn)這種顯示方法硬件比較節(jié)省，軟件實現(xiàn)起來想對于靜態(tài)顯示比較復雜，并且占用 CPU 比較

49、多，所以要看情況決定選擇哪種方式。在程序設計與調試的時候采取如下進程。先用簡單的程序判斷 CPU 是否工作。比如付給管腳數(shù)值看看各個管腳的輸出是否正常。注意 P0 口要接上拉電阻才能正確的輸出。檢查數(shù)碼管能否正常的工作，先讓他每一位都能正確的輸出，顯示。讓他們先能夠靜態(tài)的顯示一個數(shù)字。而后在復雜一起顯示。204.4本章小結通過對脈搏信號的采集與調試，以與對單片機系統(tǒng)數(shù)碼顯示程序的調試，實現(xiàn)了脈搏的正確的測量顯示，能正確的輸出結果。對于搭建硬件系統(tǒng)以與軟件的調試有了足夠的理解和認識。硬件是整個系統(tǒng)的最基礎的部分，所以它必須保證足夠的正確。深入的了解各個元器件的性能是搭建硬件系統(tǒng)的前提。本系統(tǒng)在搭

50、建的過程中曾犯了致命的錯誤，而本人沒有注意到就進行了軟件的調試，以至花費了很大的精力。. . . . 26 / 36結論本實驗能夠實現(xiàn)脈搏的自動測量和實時顯示的功能要求，能夠較為準確地測量數(shù)據(jù)。實驗電路簡單，占用的空間比較小，滿足了便攜要求，能夠較為方便的為用戶與時提供自己的心率數(shù)據(jù)。消除干擾是本課題系統(tǒng)設計中需要重點解決的問題是關系到測量準確性、精度。（1）對于環(huán)境光干擾,可以通過軟件去暗光方法和改進探頭結來消除。（2）對于心率不齊,可以通過檢波程序進行取舍采集的峰峰值來消除。（3）對于電源工頻干擾,采用工頻整數(shù)倍采樣頻率進行消除。（4）對于一般性電磁干擾，采用高阻抗、輸入以提高信噪比、低通

51、濾波來削除高頻來實現(xiàn)。目前主要在以下幾個方面做的還不夠理想：傳感器部分受外界環(huán)境影響較大由于脈搏波是一種以低頻成分為主的生理信號，不像心電信號中有一個頻率相對比較高的 QRS 波群，如之受生理狀態(tài)、個體差異和傳感檢測手段等因索的形響脈搏波信號在形態(tài)上往往差異很大而且常常伴隨著比較大的基線漂移和噪聲干擾如何對脈搏波進行有效的處理，準確識別脈搏波以正確劃分脈搏波周期，并在相應周期提取脈搏波峰峰值。軟件設計方面：加強抗干擾的算法。滑動平均值法:采用先進先出的循環(huán)隊列作為測量數(shù)據(jù)緩沖器,其長度固定為L,每進行一次新的采樣,把測量結果放入隊尾,而扔掉隊首的數(shù)據(jù),再將新隊列的算術平均值作為輸入數(shù)據(jù)。此方案

52、大大提高了系統(tǒng)的響應速度,但是受到脈沖干擾的采樣數(shù)據(jù)會平均到結果上去從而降低了精度。防脈沖干擾平均值法:在讀入 L 個采樣數(shù)據(jù)后先濾去其中的最大值和最小值,再將剩下數(shù)據(jù)的平均值作為輸入數(shù)據(jù),這樣就大大提高了系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性。實際設計上中,可以將上述兩種算法結合起來,既有效地抑制了干擾信號,保證了系統(tǒng)精度,又能對信號進行快速響應,實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時刷新處理。. . . . 27 / 36致在本次畢業(yè)設計的過程中，我的指導教師胡廣洲給了我很大的幫助。不僅使我在規(guī)定的時間完成了系統(tǒng)的設計，同時還使我學到了很多有益的經(jīng)驗。在此，我謹向她表示最衷心的感。同時，學校給了我這次畢業(yè)設計的機會，使我得到了很好的

53、鍛煉，在此，我也向學校的各位老師表示最誠摯的感。. . . . 28 / 36附錄 A：主程序： ORG 0000H LJMP MAINMAIN: SETB TR1 MOV 60H,#00H MOV 61H,#00H MOV 62H,#00HLOOP0: AJMP DIRLOOP: JNB P1.4,LOOP0 AJMP LEDDIR: MOV R0,#60H MOV R2,#0FEH MOV R7,#03H MOV DPTR,#TAB;DIR1: MOV P1,#0FH MOV R3,#20 DJNZ R3,$ MOV A,R0; MOVC A,A+DPTR; MOV P2,A; MOV A,R2 ANL P1,ADELAY: MOV R5,#2H; DL2: MOV R6,#2H; DL1: NOP; NOP; DJNZ R6,DL1; DJNZ R5,DL2; INC R0; MOV A,R2 RL A. . . . 29 / 36 MOV R2,A DJNZ R7,DIR1 LJMP LOOPLED: MOV TH1,#00H MOV TL1,#00H MOV 50H,#20 MOV 51H,#30 MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H MOV TMOD,#