脈搏測試儀設(shè)計報告

1、脈搏測試儀設(shè)計報告摘要：本系統(tǒng)以ST12C5A60S2單片機為核心，利用紅外線發(fā)射二極管和接收二極管作為信號檢測傳感器，通過LM324信號放大電路，最終使用四位一體數(shù)碼管作為顯示器件。系統(tǒng)利用紅外對管將人體心臟跳動使血管中血液飽和程度的變化將引起光的強度發(fā)生的變化，紅外接收二極管的電流也跟著改變，導致紅外發(fā)射管輸出脈沖信號，經(jīng)過由LM324構(gòu)成的放大電路將脈沖信號放大整形，傳送至單片機進行信號計算處理，最后將數(shù)據(jù)結(jié)果送到數(shù)碼管進行顯示。由此來對人體心率的數(shù)據(jù)進行測量。關(guān)鍵詞：ST12C5A60S2、紅外線發(fā)射二極管、接收二極管、LM324、MY3641AHAbstract：The system

2、 is based on the ST12C5A60S2 single-chip microcomputer as the core, with the infrared emitting diode and receive diode as sensor, signal amplifier circuit with LM324 as the core device, with 2MY3641AH four in one as a digital control display device. Through infrared to control the human beating hear

3、t vascular blood saturation degree of change will cause the light intensity changes, the infrared receiving diode current also change, resulting in the infrared emission tube output pulse signal, after which is composed of LM3243stage amplifying circuit amplifies the pulse signal is transmitted to t

4、he single chip microcomputer, signal processing, finally the data sent to the digital tube display. According to the data measured on human heart rate.Key words: ST12C5A60S2, infrared emitting diode, receiving diode, LM324, MY3641AH目 錄引言：1. 設(shè)計目標2. 設(shè)計總體框圖一、系統(tǒng)方案論證二、理論分析與計算三、電路與程序設(shè)計3.1 硬件電路設(shè)計3.1.1 控制器S

5、T12C5A60S23.1.2 信號采集電路3.1.3 信號放大、整形電路3.1.4 單片機處理電路3.1.5 數(shù)碼顯示電路3.2 軟件程序設(shè)計3.2.1 主程序流程3.2.2 定時器中斷程序流程3.2.3 INT中斷程序流程3.2.4 顯示程序流程四、系統(tǒng)測試結(jié)果分析1測試使用的儀器設(shè)備2測試方法3測試數(shù)據(jù)4測試結(jié)果分析五、心得體會六、參考資料附錄1：硬件設(shè)計圖引言：1. 設(shè)計目標1） 設(shè)計一個脈搏測試儀；2） 能顯示30300次的脈搏跳懂次數(shù)；3） 能繪制出測試變化波形。2. 設(shè)計總體框圖硬件設(shè)計原理框圖如圖1：光電傳感器比較器和振蕩器數(shù)碼顯示電路信號放大器單片機ST12C5A60S2外部

6、晶振圖1 .脈搏測試儀的硬件原理框圖一、 系統(tǒng)方案論證方案一：由光電傳感器采集脈搏信號，經(jīng)過前置放大、濾波、單片機自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣得到脈搏信號的數(shù)據(jù)并存入存儲器中；單片機對所得的數(shù)據(jù)進行數(shù)字信號處理并計算出心率值，結(jié)果送顯示模塊和存儲器中。方案二：由壓電陶瓷片、三個2輸入與或門CD4070組成四倍頻器、555集成定時器、十進制集成塊74160N三片、七段數(shù)碼管(DCH-HEX）組成。， 74160N與它配套使用可直接驅(qū)動顯示。方案三：通過紅外對管將人體心臟跳動使血管中血液飽和程度的變化將引起光的強度發(fā)生的變化，紅外接收二極管的電流也跟著改變，導致紅外發(fā)射管輸出脈沖信號，經(jīng)過由LM324

7、構(gòu)成的放大電路將脈沖信號放大整形，傳送至單片機進行信號計算處理，最后將數(shù)據(jù)結(jié)果送到數(shù)碼管進行顯示。根據(jù)題目要求及電路復(fù)雜程度，我們選擇了方案三。二、 理論分析與計算本系統(tǒng)需要5個電路模塊組成，分別是信號采集模塊、信號放大整形模塊、單片機核心電路模塊、顯示模塊。以ST12C5A60S2單片機為核心，以紅外線發(fā)射二極管和接收二極管作為傳感器，以LM324作為信號放大電路的核心器件，以1個MY3641AH四位一體數(shù)碼管作為顯示器件。通過紅外對管將人體心臟跳動使血管中血液飽和程度的變化將引起光的強度發(fā)生的變化，紅外接收二極管的電流也跟著改變，導致紅外發(fā)射管輸出脈沖信號，經(jīng)過由LM324構(gòu)成的放大電路將

8、脈沖信號放大整形，傳送至ST12C5A60S2單片機進行信號計算處理，最后將數(shù)據(jù)結(jié)果送到數(shù)碼管進行顯示。由此來對人體心率的數(shù)據(jù)進行測量。三、 硬件電路與程序設(shè)計3.1 硬件電路設(shè)計3.1.1控制器ST12C5A60S23.1.2信號采集電路根據(jù)朗伯比爾定律，物質(zhì)在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比。當恒定波長的光照射到人體組織上時，通過人體組織吸收，反射衰減后，測量到的光強將在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生，在人體之間組織中的動脈成分含量高，而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測到的光強相對較大，因此光電式脈搏傳感器的測量部位通常在人

9、體的指尖。手指組織可分為皮膚、肌肉、骨骼等非學業(yè)組織，其中非學業(yè)組織的光吸收量是恒定的，而在血液中，靜脈血的搏動相對動脈血是十分微弱的，可以忽略。因此可以認為光透過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起的，那么在恒定的波長的光源照射下，通過檢測透過手指的光強將可以間接測量到人體的脈搏信號。圖3.1.2是脈搏信號的采樣電路，U3是紅外發(fā)射和接受裝置，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組織的選取要求較高。R21選擇270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)別有脈搏和無脈搏時的信號。

10、反之，當R21過小，通過的電流偏大，紅外接收三極管也不能當手指離開傳感器或檢測到較強的干擾光線時，輸入端的直流電壓會出現(xiàn)很大變化，為了使它不致泄露U2B輸入端而造成錯誤指示，用C8，C9串聯(lián)組成的雙極性耦合電容把他隔斷。當手指處于測量位置時，會出現(xiàn)二種情況：一時無脈期i。雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)著的紅外光，但是由于紅外接收三極管中存在暗流，會造成輸出電壓略低。而是有脈期。當有跳動的脈搏時，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，當該傳感器輸出信號的頻率很低，如當脈搏只有為50次/分鐘時，只有0.78Hz,200次/分鐘時也只有3.3Hz，因此信號首先經(jīng)R22、C

11、10濾波濾除高頻干擾，再由耦合電容C8、C9加到線性放大輸入端。圖3.1.2 脈搏信號的采樣電路3.1.3信號放大整形電路本放大電路采用LM324芯片，LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，他的內(nèi)部包含四組是完全相同的運算放大器，除電源公用外，四組運放相互獨立。每組運算剛大氣可用圖3.1.3（1）所示的符號來表示，他有5個引出腳，其中“+”“-”為兩個信號輸入端，“V+”“V-”為正負電源端，“Vo”為輸出端。連個信號輸入端中，Vi+為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端點的相位相同。LM324的引腳排列可見圖3.1.3（2） 圖3.1.3（1） 圖3.1.3（2

12、）按題目要求來設(shè)計低通放大器 ，如圖3.1.3（3）所示，截止頻率由R4、C2決定，運放U2B將信號放大，放大倍數(shù)由R3和R4的比值決定。圖3.1.3（3）低通放大電路根據(jù)一階有緣濾波電路的傳遞函數(shù)，可得：Gain of each stage = 1 + Rf / Ri = 1 + 510K / 5.1K = 101Cut off Frequency = 1 / 2RfCf = 3.16Hz3.1.4單片機處理電路運用了單片機作為核心元件，在這里運用單片機能更快更準確的對數(shù)據(jù)進行運算，而且可以根據(jù)實際情況編程，所用外圍元件少，輕巧省電，故障率低。3.1.5數(shù)碼顯示電路本設(shè)計的現(xiàn)實采用LED數(shù)碼

13、管動態(tài)掃描來顯示。兩個4位一體的共陽極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位用來顯示上次測量的數(shù)據(jù)局。單片機P0扣控制顯示自行，P2扣控制顯示字位3.2 軟件程序設(shè)計3.2.1主程序流程系統(tǒng)主程序控制單片機系統(tǒng)按預(yù)定的方法運行，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。3.2.2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布恩

14、組成。當定時器中斷開始執(zhí)行后，對一分鐘開始計時，1秒計時到之后繼續(xù)檢測下一秒，知道60秒到了再停止并保存測得的的脈搏次數(shù)。同時可以對按鍵進行檢測，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次數(shù)。3.2.3 INT中斷程序流程 外部中斷服務(wù)成尋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，當處于測量狀態(tài)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)。3.2.4顯示程序流程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)。從中斷程序中虛的結(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

15、搏次數(shù)，在經(jīng)過10ms的延時顯示測試中的時間。四、 系統(tǒng)測試結(jié)果分析1.測試使用的儀器設(shè)備設(shè)備名稱設(shè)備型號設(shè)備數(shù)量備注示波器GDS-16021信號發(fā)生器2毫伏表1直流穩(wěn)壓電源1萬用表UNI-UT39A12.測試方法通過直流穩(wěn)壓電源給整個電路供電，并利用示波器檢測紅外傳感檢測信號；經(jīng)過電路本身運放放大電路，再次利用示波器檢測最終放大信號。3.測試數(shù)據(jù)輸入信號：1.3Hz輸入電壓：10mV輸出電壓1.25V3.05V1.53V3.07V1.58V3.13V1.21V3.02V1.24V3.43V數(shù)碼管顯示脈搏次數(shù)79次輸入信號：1.8Hz輸入電壓：10mV輸出電壓1.43V3.01V1.22V3.

16、31V1.18V3.58V1.22V3.42V1.47V3.61V數(shù)碼管脈搏顯示次數(shù)109次4.測試結(jié)果分析本系統(tǒng)組裝完成，測試沒有達標。經(jīng)測試分析，紅外傳感器所采集信號沒有達到初步預(yù)測結(jié)果。后利用信號發(fā)生器在信號輸入端輸入不同頻率，10mV以上信號，結(jié)果在輸出端顯示較理想波形，在數(shù)碼管上顯示出合理脈搏數(shù)。五、 心得體會本次設(shè)計我們主要運用了51單片機實現(xiàn)了對脈搏的測量。由光電傳感器采集到脈沖信號，經(jīng)過信號的放大，濾波和整形電路將輸出的信號通過單片機的外部中斷獲取并最終在數(shù)碼管上顯示。利用大年紀自身的定時中斷，外部中斷、計數(shù)等功能，不僅能顯示出此脈搏測量的次數(shù)，還能自動儲存這個數(shù)據(jù)。我們這次設(shè)

17、計的測量儀系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、功能穩(wěn)定 、使用方便、應(yīng)用廣泛，具有實際意義。這次的設(shè)計使我受益匪淺。在摸索該如何設(shè)計電路使之實現(xiàn)所需功能的過程中，特別有趣，培養(yǎng)了我的設(shè)計思維，增加了實際操作能力。我覺得以后更要加強這方面的設(shè)計，提高自己的能力.我覺得自己的動手能力有了很大的提高;自信心也增強了.在課程設(shè)計中自己動腦子解決遇到的問題，書本上的知識有了用武之地，這鞏固和深化了自己的知識結(jié)構(gòu)。這次實習恰恰給我們提供了一個應(yīng)用自己所學知識的機會，從到圖書館查找資料到對電路的設(shè)計對電路定位的再到最后電路的成型，都對我所學的知識進行了檢驗?？梢哉f，本次設(shè)計有苦也有甜。 設(shè)計思路是最重要的，只要你的設(shè)計思路是成功的，那你的設(shè)計已經(jīng)成功了一半。因此我們應(yīng)該在設(shè)計前做好充分的準備。我們要熟練地掌握課本上的知識，這樣才能對試驗中出現(xiàn)的問題進行分析解決。 留給我印象最深的是要設(shè)計一個成功的電路，必須要有耐心，要有堅持的毅力。我們會繼續(xù)努力，爭取在以后的項目中做的更好。六、 參考資料1 歐陽俊，謝定等基于BL-410 的指端脈搏波采集系統(tǒng)應(yīng)用研究J實用預(yù)防醫(yī)學，2004，第11卷第2期，242 韓文波，曹維國，張精慧光電式脈搏波監(jiān)測系統(tǒng)J長春光學精密機械學院學報，199