脈搏心率測(cè)試儀測(cè)試制作報(bào)告

.z成績(jī)五邑大學(xué)電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題目：脈搏心率測(cè)試儀測(cè)試與制作院系信息工程學(xué)院專業(yè)電子信息工程**學(xué)生指導(dǎo)教師鵬講師報(bào)告日期2021年1月脈搏心率測(cè)試儀測(cè)試與制作引言脈搏波所呈現(xiàn)出來(lái)的形態(tài)、強(qiáng)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(jī)為核心而制作的一種實(shí)用型脈搏測(cè)量?jī)x。采用紅外發(fā)射管和接收管對(duì)人體的脈搏心率進(jìn)展數(shù)據(jù)采集，得到的信號(hào)濾波放大整形后送入STC89C52單片機(jī)進(jìn)展采集和處理。單片機(jī)將采集到的脈搏心率在液晶LCD1602上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。本文將首先描述本設(shè)計(jì)的整體思路，然后介紹各個(gè)局部設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)，最后列出完善的計(jì)算和處理方式與結(jié)果。設(shè)計(jì)解析與設(shè)計(jì)方案介紹平均心率值是指一分鐘心臟實(shí)際跳動(dòng)的次數(shù)，本心率測(cè)量?jī)x是測(cè)試平均心率值，測(cè)量方法主要有兩種:一種是心電測(cè)量.即根據(jù)心電圖上相鄰二次波形之間的間隔時(shí)間來(lái)計(jì)算心率值;另一種是脈搏測(cè)量。通常心臟的跳動(dòng)與脈搏的跳動(dòng)是同步的,因此只需測(cè)出脈搏跳動(dòng)次數(shù)就可以知道心率值測(cè)量脈搏是通過(guò)記錄處理脈搏傳感器發(fā)出的指脈電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本方案選擇的比擬簡(jiǎn)單直接的脈搏測(cè)量方式。目前脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)有以下幾種檢測(cè)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(lái),光電檢測(cè)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中開(kāi)展很快,這主要是由于光能避開(kāi)強(qiáng)烈的電磁干擾,具有很高的絕緣性,且可非侵入地檢測(cè)病人各種病癥信息。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了指套式的透射型光電傳感器,實(shí)現(xiàn)了光電隔離,減少了對(duì)后級(jí)模擬電路的干擾。采用指套式的透射型光電傳感器模塊對(duì)人體實(shí)行心率數(shù)據(jù)采集，采集所得信號(hào)通過(guò)放大電路模塊實(shí)行電信號(hào)放大，然后信號(hào)通過(guò)濾波電路模塊進(jìn)展濾波〔特別濾除50Hz市電干擾〕，再通過(guò)整形穩(wěn)壓電路進(jìn)展整形后，得到幅值在0~5v的正弦信號(hào)，再最后將信號(hào)通過(guò)斯密特比擬器NE555形成矩形波并送入單片機(jī)控制顯示電路模塊實(shí)現(xiàn)平均心率結(jié)果顯示。其具體總體構(gòu)造框架如圖1.1：圖1.1脈搏測(cè)量?jī)x系統(tǒng)框圖傳感器傳感器兩級(jí)放大時(shí)間與心率顯示波形處理模塊信號(hào)提取模塊濾波波形整形電壓跟隨接收顯示模塊單片機(jī)圖1.2脈搏信號(hào)提取及處理電路構(gòu)造圖脈搏信號(hào)提取局部光敏二極管的特性是將光信號(hào)強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換為電流變化，通過(guò)電路轉(zhuǎn)換再轉(zhuǎn)變成變化的電壓信號(hào)。此次設(shè)計(jì)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(zhǎng)都是940nm。在指夾中，紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管相對(duì)擺放以獲得最正確的指向特性。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(qiáng)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(shí)，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(cè)量位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)二種情況：一是無(wú)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)μA的暗電流會(huì)造成Vi電位略低于2.5V。二是有脈期。當(dāng)有跳動(dòng)的脈搏時(shí)，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(lái)，所謂脈搏信號(hào)的拾取實(shí)際上是通過(guò)紅外接收二極管，在有脈和無(wú)脈時(shí)暗電流的微弱變化，最終輸出20mv左右電壓信號(hào)。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(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。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紅外傳感連接電路脈搏信號(hào)處理局部LM324運(yùn)放1用于電壓跟隨器，如圖3.1所示；其主要作用有：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(diǎn)，這也使得傳感器局部輸入的微弱電壓信號(hào)得以有效輸入，為下面的濾波放大提供保障起到做緩沖級(jí)，隔離電路干擾作用。電壓跟隨器作緩沖級(jí)，能有效防止后級(jí)對(duì)于前級(jí)的干擾，從而隔離了后級(jí)的可能存在的干擾。因?yàn)槊}搏信號(hào)本身穩(wěn)定性很差，極易受到外界或是來(lái)自電路本身的干擾，電壓跟隨器的存在能有效防止來(lái)自電路的干擾LM324運(yùn)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，濾波局部為二階低通濾波電路；由所求截止頻率可知，該局部電路在輸入信號(hào)頻率為4.8HZ及以下時(shí)，信號(hào)正常放大Au倍后輸出；在輸入信號(hào)頻率大于4.8HZ時(shí)，信號(hào)將快速衰減，最終無(wú)法導(dǎo)通。因而，濾波局部電路最多能檢測(cè)脈搏信號(hào)近300次每分鐘，使得使用者有較大的測(cè)量空間，且能有效地?cái)r截市電的50HZ干擾信號(hào)。 圖3.1電壓跟隨器電路圖3.2二階低通濾波電路LM324運(yùn)放3、4用于同相放大電路，如圖3.3所示；NE555芯片用于電壓比擬和信號(hào)波形整形，如圖3.4所示。信號(hào)提取模塊電路總的原理圖見(jiàn)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(hào)低至5mV時(shí)，放大后輸出波形峰峰值近5mV*1058=5290mV≈5V。而NE555整形芯片在+5V電源供給下，其比擬閥值為向上2/3Vcc向下1/3Vcc，所以輸入信號(hào)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(shí)別。因而，總體設(shè)計(jì)符合要求圖3.3同相比例放大電路圖3.4NE555整形電路4．單片機(jī)顯示控制局部此次設(shè)計(jì)中的控制顯示局部主要由STC89C52單片機(jī)和LCD1602液晶顯示器共同構(gòu)成?！?〕STC89C52單片機(jī)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(chǔ)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(mén)狗定時(shí)器，置4KBEEPROM，MA*810復(fù)位電路，三個(gè)16位

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷構(gòu)造，全雙工串行口。單片機(jī)運(yùn)作的根本電路需復(fù)位電路和振蕩電路〔所用晶振為12MHz〕?！?〕LCD1602液晶模塊介紹LCD1602液晶為5V電壓驅(qū)動(dòng)，帶背光，可顯示兩行，每行16個(gè)字符，不能顯示漢字，置含128個(gè)字符ASCII字符集字庫(kù)。將1602的8位數(shù)據(jù)口與單片機(jī)的P0口相連接。當(dāng)R/W腳〔1602第5腳〕為低電平時(shí)為寫(xiě)操作狀態(tài)，這里可以一直讓其為低電平。而當(dāng)RS〔第4腳〕為低電平時(shí)為寫(xiě)指令，當(dāng)RS〔第4腳〕為高電平時(shí)為寫(xiě)數(shù)據(jù)。1602的程序是根據(jù)PDF資料的寫(xiě)操作時(shí)序圖進(jìn)展編寫(xiě)的，通過(guò)對(duì)1602寫(xiě)入指令和寫(xiě)入數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)展顯示。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4.1LCD1602顯示控制電路5.單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)局部該脈搏測(cè)量?jī)x的單片機(jī)程序，主要是LCD1602液晶的操作和顯示程序，采用C語(yǔ)言進(jìn)展編程。主要用到的單片機(jī)定時(shí)器。當(dāng)矩形波信號(hào)由P3.2口輸入時(shí)，由單片機(jī)記錄每一個(gè)低電平并通過(guò)定時(shí)顯示程序輸出顯示。除此外，需要借助定時(shí)器進(jìn)展計(jì)時(shí)，這里以60秒為周期計(jì)算承受整形后波形的低電平個(gè)數(shù)，即得出我們需要脈搏數(shù)。以下便是ATC89C52單片機(jī)信號(hào)采集和LCD1602顯示控制的具體程序：/*頭文件局部*///頭文件maibo.h*ifndef_MAIBO_H_*define_MAIBO_H_*include<reg52.h>*defineucharunsignedchar*defineuintunsignedintsbitkey1=P1^0;sbitkey2=P1^1;sbitLCD_RS=P2^5;sbitLCD_RW=P2^6;sbitLCD_EN=P2^7;sbitmaibo=P3^2;*defineLCD_dataP0*endif/*主程序局部*///主程序maibo.c*include<maibo.h>*include<intrins.h>ucharcodedis1[]={"WeleTo!!!"};ucharcodedis2[]={"PulseCounter"};ucharcodedis3[]={"StartTesting?"};ucharcodedis4[]={"(1)Yes(2)No"};ucharcodedis5[]={"TestResults:"};ucharcodedis6[]={"PleaseWait!!"};uchartest_res[]={"00000"};inttest_data;uinttimer;//延時(shí)函數(shù)voiddelay(float*ms){ uchari; while(*ms--) { for(i=0;i<110;i++) { _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); } }}//忙檢測(cè)函數(shù)bitLCD_busy(){ bitresult; LCD_RS=0; LCD_RW=1; LCD_EN=1; _nop_(); _nop_(); result=(bit)(LCD_data&0*80); LCD_EN=0; returnresult;}//寫(xiě)指令函數(shù)voidLCD_wcmd(ucharcmd){ 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(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)voidLCD_wdat(uchardat){ while(LCD_busy()); LCD_RS=1; LCD_RW=0; LCD_EN=0; _nop_(); _nop_(); LCD_data=dat; _nop_(); _nop_(); LCD_EN=1; _nop_(); _nop_(); LCD_EN=0;}//液晶初始化函數(shù)voidLCD_init(){ LCD_wcmd(0*38);//16*2顯示，5*7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù) LCD_wcmd(0*0c);//顯示開(kāi)，關(guān)光標(biāo) LCD_wcmd(0*06);//移動(dòng)光標(biāo) LCD_wcmd(0*01);//去除LCD的顯示容}//液晶行定位函數(shù)voidLCD_pos(uintrow,uintcol){ ucharpos; pos=0*80|(uchar)(0*40*(row-1)+(col-1)); LCD_wcmd(pos); }//數(shù)組顯示函數(shù)voidLCD_dis(uchardis[]){ uchari,arra; for(i=0;i<16;i+=1) { arra=dis[i]; if(arra=='\0')//字符串結(jié)尾標(biāo)志 { break; } else { LCD_wdat(arra); } }}//人機(jī)界面初始化voiddis_init(){ maibo=1; EA=1;//單片機(jī)開(kāi)中斷設(shè)置 TMOD=0*01; TH0=(65535-50000)/256; TL0=(65535-50000)%256; ET0=1; TR0=0;PT0=1;//定時(shí)器0設(shè)置/* IT0=1; E*0=0;P*0=0;//外部中斷0設(shè)置*/ LCD_init(); timer=0; test_data=0; LCD_pos(1,2); LCD_dis(dis1); delay(3000); LCD_wcmd(0*01); LCD_pos(1,2); LCD_dis(dis2); }voiddis_data(){ test_res[0]='0'+(uint)(timer/10); test_res[1]='0'+(uint)(timer%10); test_res[5]='0'+(uint)(test_data/100); test_res[6]='0'+(uint)((test_data%100)/10); test_res[7]='0'+(uint)(test_data%10); LCD_pos(2,5); LCD_dis(test_res);}uintkey_coding(){ uintcod; cod=0; if(key1==0) { delay(8); while(~key1); cod=1; } if(key2==0) { delay(8); while(~key2); cod=2; } returncod; }voidmain() //主函數(shù){ uintcounter=0; dis_init(); while(1) { if(key_coding()==1) { LCD_wcmd(0*01); LCD_pos(1,2); LCD_dis(dis3); LCD_pos(2,1); LCD_dis(dis4); timer=0; test_data=0; TR0=0; while(1) { if(key_coding()==1) { LCD_wcmd(0*01); LCD_pos(1,2); LCD_dis(dis6); dis_data(); break; } if(key_coding()==2) { LCD_wcmd(0*01); 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) { E*0=0; TR0=0; LCD_wcmd(0*01); 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(shí)踐過(guò)程中問(wèn)題及處理方案信號(hào)采集電路局部，紅外對(duì)的靈敏性不夠。解決方法：直接使用信號(hào)發(fā)生器來(lái)模擬紅外對(duì)管生成44mV輸入電壓。信號(hào)放大電路局部，實(shí)際放大增益與理論計(jì)算值有較大的差異。解決方法：通過(guò)更換電阻改變?cè)鲆嫦禂?shù)，以