基于單片機的脈搏測量儀的設(shè)計說明

1、 PAGE- 37 - / NUMPAGES80基于單片機的脈搏測量儀的設(shè)計摘 要脈搏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單片機的脈搏測量儀。系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心，以紅外發(fā)光二極管和光敏三極管為傳感器，并利用單片機系統(tǒng)部定時器來計算時間，由光敏三極管感應(yīng)產(chǎn)生脈沖，單片機通過對脈沖累加得到脈搏跳動次數(shù)，時間由定時器定時而得。傳感器把采集到的用于檢測脈搏跳動的紅外光轉(zhuǎn)換成電信號，這些電信號通過信號處理系統(tǒng)進行濾波、放大、整形得到符合要求的脈搏電信號，傳給單片機，并通過單片機進行處理，最后由數(shù)碼管顯示每分鐘的脈搏次

2、數(shù)。系統(tǒng)停止運行時，能夠顯示總的脈搏次數(shù)和時間。經(jīng)測試，系統(tǒng)工作正常，達到設(shè)計要求。這樣的脈搏測量系統(tǒng)性能良好，結(jié)構(gòu)簡單，耗電低，體積小，輸出顯示穩(wěn)定。通過該課題學(xué)習(xí)掌握了脈搏測量的原理、方法、實現(xiàn)過程。學(xué)會了相關(guān)的單片機知識，能夠較全面的融合電路、電子技術(shù)、信號采集和處理、程序設(shè)計等等的專業(yè)知識。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量技術(shù)也越來越先進，對脈搏的測量精度也越來越高,脈搏測量儀的發(fā)展主要向以下幾個趨勢發(fā)展：（1）自動測量脈搏并且對所得到的脈搏進行自動分析。（2） 數(shù)字化技術(shù)等先進技術(shù)的應(yīng)用。（3）多功能化越來越明顯。關(guān)鍵詞： AT89C51單片機；脈搏測量儀；傳感器；信號采集The Des

3、ign of Pulse Measuring Instrument Based on Microcomputer AbstractPulse measuring instrument in our daily lives has been a very wide range of applications. In order to improve the simplicity and accuracy of the pulse measuring instrument, the subject is designed based on 51 single-chip pulse measurin

4、g instrument. System uses AT89C51 microcontroller as the core, the infrared light-emitting diode and the photosensitive triode as sensor, and calculates time with using of the inner timer. The sensor produces pulse and the single-chip microcomputer gets the frequency by accumulating the pulses, and

5、the timer obtains the time.Sensor collected for detecting the pulse of infrared light is converted into electrical signals, these electrical signals by the signal processing system, filtering, amplification, shaping meet the requirements of the pulse signal transmitted to the microcontroller, and pr

6、ocessed by the microcontroller, and finally from the digital display pulse rate per minute. When the system stops running, it is possible to display the total of the pulse frequency and time. After testing, the system works well and meets the design requirements.The pulse measurement system performa

7、nce is good, simple structure, low power consumption, small volume, stable output display. Through the study of the subject grasps the pulse measurement principle, method and implementation process. Learned the related knowledge of single chip microcomputer, can more comprehensive integration of cir

8、cuit, electronic technology, signal acquisition and processing, program design, and so on professional knowledge.With the development of electronic technology, pulse measurement techniques become more and more advanced, the pulse measurement accuracy is getting higher and higher, the pulse measuring

9、 instrument development mainly to the following trends:(1) Automatic measuring pulse and the pulse generated by automatic analysis.(2) The application of the advanced technologies such as digital technology.(3) More functional is more and more obvious.Keywords: AT89C51 microcontroller; pulse measuri

10、ng instrument; sensor; signal acquisition目錄HYPERLINK l _Toc356814509引言 PAGEREF _Toc356814509 h 1HYPERLINK l _Toc356814510第1章緒論 PAGEREF _Toc356814510 h 2HYPERLINK l _Toc3568145111.1選題的背景與意義 PAGEREF _Toc356814511 h 2HYPERLINK l _Toc3568145121.2 國外研究現(xiàn)狀與水平 PAGEREF _Toc356814512 h 2HYPERLINK l _Toc356814

11、5131.3 研究的主要容3HYPERLINK l _Toc356814514第2章硬件電路方案設(shè)計與選擇論證5HYPERLINK l _Toc3568145152.1 系統(tǒng)基本方案5HYPERLINK l _Toc3568145162.2系統(tǒng)各模塊的最終方案5HYPERLINK l _Toc356814517第3章硬件電路系統(tǒng)7HYPERLINK l _Toc3568145183.1 AT89C51的介紹7HYPERLINK l _Toc3568145193.1.1 AT89C51單片機的硬件組成7HYPERLINK l _Toc3568145203.1.2 AT89C51單片機的引腳功能7

12、HYPERLINK l _Toc3568145213.2 晶振電路9HYPERLINK l _Toc3568145233.3 復(fù)位電路 PAGEREF _Toc356814523 h 10HYPERLINK l _Toc3568145253.4 脈搏信號采集電路 PAGEREF _Toc356814525 h 10HYPERLINK l _Toc3568145233.4.1光電傳感器檢測原理 PAGEREF _Toc356814523 h 10HYPERLINK l _Toc3568145233.4.2信號采集電路 PAGEREF _Toc356814523 h 11HYPERLINK l _

13、Toc3568145263.5 放大電路 PAGEREF _Toc356814526 h 11HYPERLINK l _Toc3568145273.6 波形整形電路12HYPERLINK l _Toc3568145283.7 顯示電路13HYPERLINK l _Toc3568145293.7.1 LED 的綜述13HYPERLINK l _Toc3568145303.7.2 LED數(shù)碼管的顯示方法14HYPERLINK l _Toc3568145313.8 報警電路15HYPERLINK l _Toc356814532第4章軟件設(shè)計16HYPERLINK l _Toc3568145334.1

14、 主程序流程16HYPERLINK l _Toc3568145344.2 定時器中斷程序流程17HYPERLINK l _Toc3568145354.2.1 定時器0程序流程17HYPERLINK l _Toc3568145364.2.2 定時器1程序流程18HYPERLINK l _Toc3568145374.3 外部中斷0程序流程19HYPERLINK l _Toc3568145384.4 顯示程序流程20HYPERLINK l _Toc356814539結(jié)論與展望21HYPERLINK l _Toc356814540致22HYPERLINK l _Toc356814541參考文獻23HY

15、PERLINK l _Toc356814542附錄 A 電氣原理圖24附錄 B 外文文獻與其譯文HYPERLINK l _Toc35681454325HYPERLINK l _Toc356814544附錄 C 主要參考文獻題錄與摘要32HYPERLINK l _Toc356814545附錄 D 主要源程序34插圖清單HYPERLINK l _Toc356814544圖 2-1 脈搏測量儀硬件框圖6HYPERLINK l _Toc356814539圖 3-1 AT89C51單片機的片硬件組成框圖7HYPERLINK l _Toc356814539圖 3-2 DIP引腳圖8HYPERLINK l

16、_Toc356814539圖 3-3 振蕩電路圖10HYPERLINK l _Toc356814539圖 3-4 復(fù)位電路圖10HYPERLINK l _Toc356814539圖 3-5 信號采集電路11HYPERLINK l _Toc356814539圖 3-6 放大電路12HYPERLINK l _Toc356814539圖 3-7 整形電路13HYPERLINK l _Toc356814539圖 3-8 整形前后波形對比13HYPERLINK l _Toc356814539圖 3-9 共陰極數(shù)碼管結(jié)構(gòu)14HYPERLINK l _Toc356814539圖 3-10 顯示電路14圖 H

17、YPERLINK l _Toc3568145393-11 報警電路15HYPERLINK l _Toc356814539圖 4-1 主程序流程圖16HYPERLINK l _Toc356814539圖 4-2 定時器0中斷程序流程圖17HYPERLINK l _Toc356814539圖 4-3 定時器1中斷流程圖18HYPERLINK l _Toc356814539圖 4-4 外部中斷0程序流程圖19HYPERLINK l _Toc356814539圖 4-5 顯示程序流程圖20表格清單HYPERLINK l _Toc356814539表 3-1 P3口的第二功能9引言脈搏波所呈現(xiàn)出來的形態(tài)

18、、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,從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。幾乎世界上所有的民族都用過“摸脈”作為診斷疾病的手段。因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價值和應(yīng)用前景。隨著機械與電子技術(shù)的發(fā)展，國外在研制中醫(yī)脈象儀方面進展很快，尤其是70年代中期，國、等地相繼成立了跨學(xué)科的脈象研究協(xié)作組，多學(xué)科共同合作促使中醫(yī)脈象研究工作進入了一個新的境界。脈象探頭式樣很多，有單部、三部、單點、多點、剛性接觸式、軟性接觸式、氣壓式、硅杯式、液態(tài)汞、液態(tài)水、子母式等組成,脈象探頭的主要原件有應(yīng)變片、壓電晶

19、體、單晶硅、光敏元件、PVDF壓電薄膜等，其中以單部單點應(yīng)變片式為最廣泛，不過近年來正在向三部多點式方向設(shè)計3。目前脈搏測量儀在多個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，除了應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如無創(chuàng)心血管功能檢測、妊高癥檢測、中醫(yī)脈象、脈率檢測等等，商業(yè)應(yīng)用也不斷拓展，如運動、健身器材中的心率測試都用到了技術(shù)先進的脈搏測量儀。本設(shè)計以AT89C51單片機為核心，以光電式傳感器檢測脈搏信號，信號通過信號處理系統(tǒng)進行濾波、放大、整形得到符合要求的脈搏電信號，傳給單片機，并通過單片機進行處理，最后由數(shù)碼管顯示每分鐘的脈搏次數(shù)。對于脈搏數(shù)不在正常圍的，該系統(tǒng)能夠給以報警。第1章 緒論1.1 選題的背景與意義 隨著科技發(fā)展的不

20、斷提高，生命科學(xué)和信息科學(xué)的結(jié)合越來越緊密，出現(xiàn)了各種新穎的脈搏測量儀器，特別是電子脈搏儀的出現(xiàn)，使脈搏測量變得非常方便。正常人的脈搏和心跳是一致的。正常成人為60到100次/分，常為每分鐘70-80次，平均約72次/分。老年人較慢，為55到60次/分。正常人脈率規(guī)則，不會出現(xiàn)脈搏間隔時間長短不一的現(xiàn)象。正常人脈搏強弱均等，不會出現(xiàn)強弱交替的現(xiàn)象。脈搏的頻率受年齡和性別的影響，嬰兒每分鐘120140次，幼兒每分鐘90-100次，學(xué)齡期兒童每分鐘80-90次。另外，運動和情緒激動時可使脈搏增快，而休息，睡眠則使脈搏減慢。成人脈率每分鐘超過100次，稱為心動過速；每分鐘低于60次，稱為心動過緩。臨

21、床上有許多疾病，特別是心臟病可使脈搏發(fā)生變化。因此，測量脈搏對病人來講是一個不可缺少的檢查項目。中醫(yī)更將切脈作為診治疾病的主要方法。心動周期中，由于心室收縮和舒的交替進行脈管發(fā)生周期性擴和回位的搏動。病情危重，特別是臨終前脈搏的次數(shù)和脈率都會發(fā)生明顯的變化。脈搏的變化也是醫(yī)生對病人診斷的其中一項依據(jù)。脈診在我國已具有2600多年臨床實踐，是我國傳統(tǒng)中醫(yī)的精髓，其歷史悠久，容豐富，是中醫(yī)“整體觀念”、“辨證論證”的基本精神的體現(xiàn)與應(yīng)用。但祖國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)采用“望、聞、問、切”的手段進行病情診斷，受人為的影響因素較大，首先，切脈單憑醫(yī)生手指感覺辨別脈象的特征，受到感覺、經(jīng)驗和表述的限制，并且難免存在許

22、多主觀臆斷因素，影響了對脈象判斷的規(guī)化；其次，這種用手指切脈的技巧很難掌握；再則，感知的脈象無法記錄和保存影響了對脈象機理的研究。脈診的這種定性化和主觀性，大大影響了其精度與可行性，成為中醫(yī)脈診應(yīng)用、發(fā)展和交流中的制約因素。為了將傳統(tǒng)的中醫(yī)藥學(xué)發(fā)揚光大，促進脈診的應(yīng)用和發(fā)展，必須與現(xiàn)代科技相結(jié)合，實現(xiàn)更科學(xué)、客觀的診斷4。1.2 國外研究現(xiàn)狀與水平在先進科學(xué)技術(shù)的推動下，醫(yī)療儀器的相關(guān)技術(shù)日新月異，全球醫(yī)療儀器的發(fā)展朝微小化邁進。脈搏測量技術(shù)也越來越先進，對脈搏的測量精度也越來越高,國外先后研制了不同類型的脈搏測量儀，便攜式、低功耗的脈搏測量儀會越來越受到人們的青睞。長期以來，各種靜態(tài)的、動態(tài)

23、的、隨身攜帶的、遠程遙控的脈搏測量儀已經(jīng)相繼問世。脈搏測試不再局限于傳統(tǒng)的人工測試法或聽診器測試法，脈搏測量可利用電子儀器測量出精度更就的數(shù)據(jù)。人體脈搏信號中包含豐富的生理信息，也逐漸引起了臨床醫(yī)生的很大興趣，達到了方便、快捷、準確的測量脈搏的目的。隨著電子測量技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代電子測量儀器以極快的速度向數(shù)字化、自動化的方向發(fā)展。制成的脈搏測量儀器性能良好，結(jié)構(gòu)簡單，有較好的應(yīng)用和推廣價值。近年來國外致力于開發(fā)無創(chuàng)非接觸式的傳感器，這類傳感器的重要特征是測量的探測部分不侵入機體，不造成機體創(chuàng)傷，能夠自動消除儀表自身系統(tǒng)的誤差，測量精度高，通常在體外，尤其是在體表間接測量人體的生理和生化參數(shù)。

24、脈搏測量儀的發(fā)展主要向以下幾個趨勢發(fā)展：（1）自動測量脈搏并且對所得到的脈搏進行自動分析。目前很多脈搏測量儀都具有檢測血氧等其他的功能，但是對這些信號的分析和診斷還需要一些有經(jīng)驗的醫(yī)生觀察，進行分析后才能確認結(jié)果，浪費大量的人力，且由人為引入的誤差較大。因此，未來脈搏自動檢測的容將更加詳細，自動分析診斷功能也更強大。（2）數(shù)字化技術(shù)等先進技術(shù)的應(yīng)用。隨著數(shù)字科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量儀集成度將更高，更便于攜帶。數(shù)字信號處理的運用將使干擾更小，測量更為準確。（3）多功能化越來越明顯目前的脈搏測量儀，一般都具有測試血氧，心電圖等等功能，單純的脈搏測量儀已經(jīng)很少見。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量儀必然可

25、以實現(xiàn)更多的功能。通過查閱資料發(fā)現(xiàn)主要的脈率采集有三種方法：采用一對紅色發(fā)光二極管實現(xiàn)、采用反射式的紅外管實現(xiàn)和采用壓電瓷芯片實現(xiàn)。 方法一：檢測的基本原理：隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變。當血液送到人體組織時，組織的半透明度減?。划斞毫骰匦呐K，組織的半透明度增大。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。因此，本脈率計將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的上述部位，并用裝在該部位另一側(cè)或旁邊的紅外光電管來檢測機體組織的透明程度并把它轉(zhuǎn)換成電信號。由于此信號的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比，故只要把它轉(zhuǎn)換成脈沖并進行整形、計數(shù)和顯示，就能實現(xiàn)實時檢測脈搏次數(shù)的目的。

26、方法二：采用反射式的紅外管?，F(xiàn)在市場上的脈率計普遍采用這種傳感器來采集信號，因為此紅外管接收和發(fā)射都在手指的同一側(cè)，所以就不用考慮每個人手指情況不同所造成的麻煩了。但是同樣的，對紅外的知識了解相對匱乏，得到需要的信號也不太容易。 方法三：采用壓電瓷片通過脈搏的跳動采集信號。隨著心臟的搏動，人體手腕的脈搏和頸部的搏動較為明顯，采用壓電傳感器放于上述部位，把壓電傳感器測得的信號轉(zhuǎn)換成脈沖并進行整形、計數(shù)和顯示，就能實現(xiàn)實時檢測脈搏次數(shù)的目的。當脈搏跳動時，壓電瓷片便會產(chǎn)生相應(yīng)的信號，雖然這是一種很舊的方法，但是卻很實用，測試的時候能夠明顯的觀測到信號的變化。1.3 研究的主要容人體心臟周期性的收縮

27、和舒導(dǎo)致主動脈的收縮和舒，是血流壓力以波的形式從主動脈根部開始沿著整個動脈系統(tǒng)傳播，這種波成為脈搏波5。從脈搏波中提取人體的心理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征,因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價值和應(yīng)用前景7。但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號, 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號,因此必需經(jīng)過放大和后級濾波來滿足采集的要求。本課題主要容是基于單片機的光電式傳感器的脈搏測量儀的研制，光電脈搏測量儀是利

28、用光電傳感器作為變換原件，把采集到的用于檢測脈搏跳動的紅外光轉(zhuǎn)換成電信號，這些電信號通過信號處理系統(tǒng)進行濾波、放大、整形得到符合要求的脈搏電信號，傳給單片機，并通過單片機進行處理，最后由數(shù)碼管顯示每分鐘的脈搏次數(shù)。所以，本課題最終的研究對象是如何通過單片機程序?qū)崿F(xiàn)采集微弱的脈搏信號以與如何將微弱的脈搏信號轉(zhuǎn)換成清晰的脈搏波并讀出脈搏跳動的次數(shù)。第2章 硬件電路方案設(shè)計與選擇論證2.1 系統(tǒng)基本方案根據(jù)題目的要求可以將系統(tǒng)模塊基本劃分為：脈搏傳感器部分、波形放大與整形部分、單片機處理電路部分與顯示電路部分。為實現(xiàn)各模塊的功能，分別做了幾種不同的設(shè)計方案病進行了論證。（1）脈搏傳感器部分脈搏傳感器

29、是脈搏檢測系統(tǒng)中重要的組成部分，其基本功能是將切脈壓力和橈動脈搏動壓力這樣一些物理量(非電量)轉(zhuǎn)換成為便于測量的電量。脈搏傳感器的精度、靈敏度、抗干擾能力與安裝方式?jīng)Q定了脈搏測量精度，因此其選型對整個設(shè)計具有決定性的作用。本設(shè)計中，采用光電脈搏傳感器，與傳統(tǒng)的脈搏測量儀相比，光電式脈搏測量儀具有以下特點：1. 測量的探測部分不侵入機體，不造成機體創(chuàng)傷，通常在體外。2. 傳感器可重復(fù)使用且速度快，精度高。3. 測試的適用電壓為5V-9V的直流電壓。4. 穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、磨損小、壽命長、維修方便。5. 由于結(jié)構(gòu)簡單，因此體積小、重量輕、性價比優(yōu)越。6. 測量的有效圍為50次-199次/分鐘

30、。 （2）單片機選擇51單片機是INTEL公司生產(chǎn)的。它具有結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，易于開發(fā)的特點。通用型，有總線擴展，有較強的位處理功能，有全雙工異步串行通信口。本設(shè)計中，單片機只需要對脈搏信號的波動頻率進行測量、計算和顯示，對單片機的要求不是很高。而對51單片機，本人比較熟悉，所以，本設(shè)計中選擇AT89C51單片機作為信息處理中心。（3）放大濾波電路部分因為是對人體脈搏信號進行放大，而脈搏信號頻率比較低，只有幾赫茲，傳感器檢測的信號比較微弱，而且有噪聲，所以可以采用一階有源低通濾波電路。（4）整形電路部分測量脈搏就要對脈搏個數(shù)進行計算，而要單片機對脈搏進行計數(shù)，就需要將波形轉(zhuǎn)化為矩形波，傳感器

31、傳過來的脈沖是很不規(guī)則的波形，單片機計數(shù)會有很大問題。為確保一個波形只計數(shù)一次，就需要對波形進行整形。此處選擇施密特觸發(fā)器，這個電路結(jié)構(gòu)簡單，比較容易實現(xiàn)，整形效果也不錯。（5）顯示部分此設(shè)計只需要顯示測試時間和測試的脈搏數(shù)即可，這些都是數(shù)字，因此對顯示部分采用以下方案：采用數(shù)碼管。數(shù)碼管具有功耗小、輕薄短小無輻射危險，簡單方便等特點。而且編程也比較簡單。2.2系統(tǒng)各模塊的最終方案根據(jù)前一節(jié)分析，結(jié)合器件和設(shè)備等因素，確定如下方案： 1. 采用AT89C51單片機作為控制器，分別對輸入、顯示、信號的處理和控制。2. 傳感器部分采用光電脈搏傳感器，該器件結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、抗干擾能力強。 3.

32、放大濾波部分用一階有源濾波電路。4. 整形部分用施密特觸發(fā)器。5. 顯示用數(shù)碼管顯示實時脈搏數(shù)和蜂鳴器報警。系統(tǒng)的基本框圖如下圖 2-1所示。脈搏傳感器信號放大與整形電路報警電路單片機AT89C51顯示電路晶振與復(fù)位電路圖 2-1 脈搏測量儀硬件框圖第3章 硬件電路系統(tǒng)3.1AT89C51的介紹單片機就是在一片半導(dǎo)體硅片上集成了中央處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、并行I/O口、串行I/O口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘電路與系統(tǒng)總線的微型計算機。本系統(tǒng)基于51系列單片機來實現(xiàn)。3.1.1AT89C51單片機的硬件組成AT89C51單片機的片硬件組成結(jié)構(gòu)如圖 3-1所示。CPU

33、（運算器）（控制器）程序存儲器4KB Flash ROM特殊功能寄存器（SFR）定時器/計數(shù)器T0、T1 16位中斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器RAM晶振、復(fù)位電路并 行 接 口串行接口 TXD、RXDP0P1P2P3圖3-1 AT89C51單片機的片硬件組成框圖它把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本功能部件都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上，具有如下功能部件和特性：1.8位微處理器（CPU）。2.片有128字節(jié)RAM。3.片有 4K字節(jié) 程序存儲器ROM4.可尋址片外64K字節(jié) 數(shù)據(jù)存儲器RAM (216=65536=1024*64)5.可尋址片外64K字節(jié) 程序存儲器ROM6.片21個特殊功能寄存器(SFR

34、-Special Function Register)7.4個8位并行I/O口(P0-P3)8.1個全雙工串行口(UART)9.2個16位 定時器/計數(shù)器(TIMER/COUNTER)10.可處理5個中斷源,兩級中斷優(yōu)先級3.1.2 AT89C51單片機的引腳功能目前AT89C51單片機多采用40個引腳雙列直插式封裝（DIP）方式如圖 3-2所示。圖 3-2DIP引腳圖引腳按其功能可分為如下3類：電源與時鐘引腳VCC、VSS；XTAL1、XTAL2；控制引腳RST、和；I/O口引腳P0、P1、P2、P3，為4個8位I/O口的外部引腳。下面介紹一些引腳的功能：Vcc：電源電壓GND：接地P0口：

35、P0口是一組8位漏極開路型雙向I/0口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗轉(zhuǎn)入端用。做為普通I/O口使用時,外部一般接10k上拉電阻。當P0口某位為高電平時，可提供400mA的電流；當P0口某位為低電平（0.45V）時，可提供3.2mA的灌電流。Pl口：P1是個帶部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P2口：P2是一個帶有部

36、上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P3口：可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備。作為第二功能使用，每一位功能定義如表3-1 所示。表 3-1 P3口的第二功能P3口引腳功能P3.0RXD(串行輸入端口)P3.1TXD(串行輸出端口)P3.2(外中斷0)P3.3(外中斷1)P3.4T0(定時器0外部輸入)P3.5T1(定時器1外部輸入)P3.6(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通

37、)RST：復(fù)位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振器頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。PSEN：程序存儲允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C51由外部程序存儲器取指令(或數(shù)據(jù))時每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的PSEN信號不出現(xiàn)。：EA0，單片機只訪問外部程序存儲器。只讀取外部的程序存儲器中的容，讀取的地址圍

38、為0000HFFFFH（64KB），片的4KB Flash 程序存儲器不起作用。EA1，單片機訪問部程序存儲器。在PC值不超出0FFFH（即不超出片4KB Flash存儲器的地址圍）時，單片機讀片程序存儲器（4KB）中的程序，但當PC值超出0FFFH （即超出片4KB Flash地址圍）時，將自動轉(zhuǎn)向讀取片外60KB（1000H-FFFFH）程序存儲器空間中的程序。XTAL1：振蕩器反相放大器的與部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。3.2 晶振電路本設(shè)計晶振選擇頻率為12MHz，電容選擇30pF如圖 3-3所示。經(jīng)計算得單片機工作的機器周期為：12（112M）=1us

39、(3-1)圖 3-3 振蕩電路圖3.3復(fù)位電路圖 3-4 復(fù)位電路圖單片機復(fù)位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。無論是在單片機剛開始接上電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復(fù)位。時鐘電路工作后，在REST管腳上加兩個機器周期的高電平，芯片部開始進行初始復(fù)位（如圖 3-4）。3.4脈搏信號采集電路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與應(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,

40、具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、精度高、可重復(fù)好等優(yōu)點6。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學(xué)儀器工作的專家和學(xué)者的重視。3.4.1光電傳感器檢測原理根據(jù)朗伯一比爾(LamberBeer)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4。脈搏主要由人體動脈舒和收縮產(chǎn)生的，在人體指尖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體指尖4。隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變：當血液送到人

41、體組織時，組織的半透明度減小，當血液流回心臟，組織半透明度則增大；這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯7。因此紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的手指部位，經(jīng)過手指組織的反射和衰減由裝在該部位旁邊的光敏三管來接收其透射光并把它轉(zhuǎn)換成電信號。由于手指動脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動變化，所以它對光的反射和衰減也是周期性脈動的, 于是紅外接收三極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化。故只要把此電信號轉(zhuǎn)換成脈沖并進行整形、計數(shù)和顯示，即可實時的測出脈搏的次數(shù)7。3.4.2信號采集電路圖3-5是脈搏信號的采集電路，U4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

42、角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強度就越大，所以對R24阻值的選取要求較高。R24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。R24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。反之，R24過小，通過的電流偏大，紅外接收三極管也不能準確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。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，為了使它不致泄露到下一級電路輸入端而造成錯誤指示，用C6、C7串聯(lián)組成的耦合電容把它隔斷。當手指處于測量位置時，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

43、造成輸出電壓略低。二是有脈期。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3。在做仿真時，由于此傳感器必須采集實際脈搏信號，而仿真做不到，因此仿真電路中，此電路不用，用信號發(fā)生器來取代，可將信號幅度調(diào)小，然后經(jīng)濾波放大、整形、顯示即可。圖 3-5信號采集電路3.5 放大電路按人體脈搏在運動后跳動次數(shù)達240次/分鐘頻率來算，放大器應(yīng)設(shè)計為低通放大器，如圖3-6所示為一階有源低通濾波放大器。R21、C4組成低通濾波器，截止頻率由R21、C4決定，運放U2將信號放大，放大倍數(shù)由R23和R22的比值決定。圖 3-6 放大電路根據(jù)一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)，可得：

44、=（1+）=（1+） (3-2)放大倍數(shù)： =1+=1+=21 (3-3)截止頻率： = 6.06 HZ (3-4)按此頻率計算，每分鐘脈搏跳動約360次，完全是可以的，低頻的截止頻率是滿足這個要求的。3.6 波形整形電路波形整形電路采用施密特觸發(fā)器電路如圖 3-7所示。將兩級反相器串接起來，同時通過分壓電阻將輸出端的電壓反饋到輸入端，就構(gòu)成了施密特觸發(fā)器。正向閾值電壓: (3-5)負向閾值電壓: (3-6)=0.5倍 輸入電壓回差電壓：(3-7)圖 3-7 整形電路通過改變R19和R20的比值可以調(diào)節(jié)、和回差電壓的大小。但R19必須小于R20，否則電路會進入自鎖狀態(tài)，不能正常工作。脈搏信號波

45、形整形前后對比如圖 3-8所示，從圖像看，波形的整形效果不是十分理想，整形后的波形不是十分標準的矩形波，上下沿有點傾斜，可能和整形電路選得有關(guān)，也可能是軟件的原因。從最終結(jié)果看這不影響測量結(jié)果。圖 3-8 整形前后波形對比3.7顯示電路顯示部分一般有數(shù)碼管（LED）和液晶顯示器（LCD）兩種。數(shù)碼管具有功耗小、輕薄短小無輻射危險，簡單方便等特點。而且編程也比較簡單。此設(shè)計只需要顯示測試時間和測試的脈搏數(shù)即可，這些都是數(shù)字，因此對顯示部分采用數(shù)碼管。3.7.1 LED 的綜述在單片機的應(yīng)用系統(tǒng)中，為了便于人們觀察和監(jiān)視單片機的運行情況，常常需要用顯示器顯示運行的中間結(jié)果、狀態(tài)等信息，因此顯示器也

46、是不可缺少的外部設(shè)備之一。顯示器的種類很多，從液晶顯示、發(fā)光二極管顯示到CRT 顯示器，都可以與微機配接。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中常用的顯示器主要有發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器，簡稱LED 顯示器。LED 顯示器具有耗電省、成本低廉、配置簡單靈活、安裝方便、耐振動、壽命長等優(yōu)點。但顯示容有限，不能顯示圖形，因而其應(yīng)用有局限性。如圖 3-9為共陰極數(shù)碼管結(jié)構(gòu)。圖 3-9 共陰極數(shù)碼管結(jié)構(gòu)3.7.2 LED數(shù)碼管的顯示方法靜態(tài)顯示方式是指當顯示器顯示某一字符時，發(fā)光二極管的位選始終被選中。在這種顯示方式下，每一個LED數(shù)碼管顯示器都需要一個8位的輸出口進行控制。由于單片機本身提供的I/O口有限，實際使用中，通常

47、通過擴展I/O口的形式解決輸出口量不足的問題。靜態(tài)顯示主要的優(yōu)點是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導(dǎo)通電流一定的情況下顯示器的亮度大，系統(tǒng)運行過程中，在需要更新顯示容時，CPU才去執(zhí)行顯示更新子程序，這樣既節(jié)約了CPU的時間，又提高了CPU的工作效率。其不足之處是占用硬件資源較多，每個LED數(shù)碼管需要獨占8條輸出線。隨著顯示器位數(shù)的增加，需要的I/O口線也將增加。動態(tài)顯示方式是指一位一位地輪流點亮每位顯示器（稱為掃描），即每個數(shù)碼管的位選被輪流選中，多個數(shù)碼管公用一組段選，段選數(shù)據(jù)僅對位選選中的數(shù)碼管有效。對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點亮?xí)r間和間隔時間的

48、比例有關(guān)。通過調(diào)整電流和時間參數(shù)，可以既保證亮度，又保證顯示。若顯示器的位數(shù)不大于8位，則顯示器的公共端只需一個8位I/O口進行動態(tài)掃描（稱為掃描口），控制每位顯示器所顯示的字形也需一個8位口（稱為段碼輸出）。通過比較，我們可以發(fā)現(xiàn)LED動態(tài)顯示更加適合本設(shè)計，所以就采用此方法。圖 3-10 顯示電路顯示電路如圖 3-10所示。此處用的是六位共陰極八段數(shù)碼管，其中ABCDEFG以與DP是控制數(shù)碼管顯示的形狀，為P0口控制，需要接上拉電阻。123456是控制哪個數(shù)碼管亮，為P2口控制。其中前兩位顯示測試的時間，后三位顯示測試的脈搏數(shù)。3.8報警電路設(shè)計的報警電路如圖 3-11所示，當測試的脈搏數(shù)

49、不正常時，系統(tǒng)給以警報，在軟件中設(shè)置正常的脈搏數(shù)是在40260之間。不在此圍，則開啟定時器中斷，在P3.7引腳產(chǎn)生一定頻率的矩形波，驅(qū)動蜂鳴器，產(chǎn)生警報聲以提醒人。圖 3-11 報警電路第四章 軟件設(shè)計4.1 主程序流程系統(tǒng)主程序控制單片機系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運行, 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專用寄存器、定時器工作方式與各端口的工作狀態(tài)的設(shè)定。系統(tǒng)初始化之后, 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10。流程如圖4-1所示。初始化外部中斷計數(shù)顯示程序開始圖 4-1 主程序流程圖4.2定時器中斷程序流程本設(shè)計中

50、定時器中斷0和定時器中斷1都應(yīng)用到了，定時器中斷0主要是計時，定時器中斷1主要是用來產(chǎn)生矩形波以驅(qū)動蜂鳴器報警。4.2.1 定時器0程序流程定時器中斷0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)。流程如圖4-2所示。定時器初始值設(shè)置到1S？到60S？保存脈搏數(shù)返回NNYY繼續(xù)計時繼續(xù)計時NN定時器0中斷進入圖 4-2 定時器0中斷程序流程圖4.2.2 定時器1程序

51、流程定時器1服務(wù)程序完成矩形波信號的發(fā)生，當測量的脈搏數(shù)不在設(shè)定圍，定時器1便啟動，在P3.7引腳產(chǎn)生矩形波。其流程圖如圖 4-3 所示。定時器初值設(shè)置定時時間到?P3.7引腳值取反，產(chǎn)生方波，用來報警返回Y繼續(xù)計時N定時器1中斷進入圖 4-3 定時器1中斷流程圖4.3 外部中斷0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，當處于測量狀態(tài)的時候，來一個脈沖脈搏次數(shù)就加一，由單片機部定時器控制一分鐘，累加得出一分鐘的脈搏次數(shù)。流程如圖4-4 所示。處于檢測？脈搏數(shù)+1返回YN外部中斷0進入圖4-4 外部中斷0程序流程圖4.4 顯示程序流程顯示程序包括顯示本次測

52、量中的時間和脈搏的次數(shù)。從中斷程序中取得結(jié)果后，顯示測試中的脈搏次數(shù)，再經(jīng)過1ms的延時顯示測試中的時間。流程如圖4-5所示。取測試時間和測試的脈搏數(shù)延時顯示測試中的脈搏次數(shù)延時返回顯示測試時間顯示子程序圖 4-5 顯示程序流程圖結(jié)論與展望單片機的飛速發(fā)展，儼然已成為計算機發(fā)展和應(yīng)用的一個重要方面。另一方面，單片機應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思想和設(shè)計方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機通過軟件方法來實現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。而51單片機作為單片機的主流，隨著集成技術(shù)的發(fā)展，51系列

53、單片機繼承和發(fā)展了MCS-51系列的技術(shù)特色，有逐漸取而代之之勢。本設(shè)計主要是51單片機在脈搏測試系統(tǒng)中的應(yīng)用。重點介紹了單片機的最小系統(tǒng)，通過單片機最小系統(tǒng)實現(xiàn)了脈搏的測量系統(tǒng)，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。利用單片機自身的定時中斷、外部中斷、計數(shù)等功能，不僅能顯示出此次脈搏測量的次數(shù)，還能自動儲存這個數(shù)據(jù)。為了更好的進行電脈搏測量儀的設(shè)計，在近一個學(xué)期的時間里，認真收集有關(guān)資料，并做相關(guān)的整理和閱讀，為這次的設(shè)計做好充分的準備。本次所設(shè)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。由

54、于時間比較短，同時本人掌握的知識有限，本次設(shè)計雖已完成，但其中有很多不足，如程序不夠簡練，波形整形整的不夠標準，數(shù)碼管顯示部分不夠完美等，同時此次設(shè)計的測量儀功能比較單一，沒有如語音系統(tǒng)實現(xiàn)自動讀出脈搏次數(shù)等人性化功能。然而科技的進步勢必會使測量儀的功能日益強大和完善，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U大，將會給我們的生活帶來更多的方便和精彩。經(jīng)過這次畢設(shè)，我收獲了很多，具體總結(jié)如下：（1）通過此次的設(shè)計，使我知道了無論做什么事都應(yīng)該事先做好充分的準備，不應(yīng)該盲目的只為了完成任務(wù)而被動的學(xué)習(xí)。（2）通過此次的設(shè)計，使我了解了脈搏測量儀在國外發(fā)展之迅速、應(yīng)用領(lǐng)域之廣、市場前景之大。（3）通過此次的設(shè)計，使我對硬

55、件設(shè)計和各模塊的功能有了更深的了解，同時提高了動手能力。（4）通過次次的設(shè)計，使我體會到堅持不懈的毅力對完成一件事情起著巨大的作用。（5）通過此次的設(shè)計，使我深刻的體會到團隊合作精神的重要性與相互討論過程中的樂趣。認識來源于實踐，實踐是認識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標準。致隨著本設(shè)計論文的最終定稿，我的大學(xué)生活也即將結(jié)束。在這四年中，我收獲了知識，收獲了友誼，更收獲了為人處事的道理。感學(xué)校為我提供了自我發(fā)揮的舞臺，我在這里盡情展現(xiàn)自己的才能。在本次畢業(yè)設(shè)計中，從查閱資料、分析課題到設(shè)計課題等這些過程中都得到了導(dǎo)師悉心的指導(dǎo)，是我順利完成了畢業(yè)設(shè)計。其實生活的道路一直不是這么平坦的，

56、在前進的道路上，我遇到了很多的困難和挫折，但是憑借著自己的毅力和周圍老師、同學(xué)的幫助，我最終都努力地克服了。在這里我要感我的指導(dǎo)老師 老師，感 同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計上對我的幫助，在此，我還要感我的親人、朋友和同學(xué)們，因為有你們，風(fēng)雨途中，我不是孤單一人。你們的關(guān)愛、關(guān)心與熱情，使我堅強的面對一切。 年 月 日參考文獻1 程光，崇侃指動脈搏波光電傳感器的研制J醫(yī)學(xué)院學(xué)報，1991年第11卷第4期，3293302 朱國富，廖明濤，王博亮袖珍式脈搏波測量儀J電子技術(shù)應(yīng)用，1998，第1期，133 文波，維國，精慧光電式脈搏波監(jiān)測系統(tǒng)J光學(xué)精密機械學(xué)院學(xué)報，1999，第22卷第4期，24 歐陽俊，定等基于B

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59、A 電氣原理圖附錄 B 外文文獻與其譯文Piezoelectric sensor determination of arterial pulse wave velocityArterial pulsewave velocity (APWV) is ameasure of the elasticity (or stiffness)of peripheral arterial blood vessels. The pulse referred to here will be thepressure pulse as opposed to the flow pulse measured by ult

60、rasound Doppler.The pressure pulse velocity varies over the range from about 12 m s1 to15 m s1 in stiff peripheral arteries, whereas in normal arteries it has a velocityin the range of 7 to 9 m s1.The aimof this projectwas the development of a fast and easy to use systemfor the determination of peri