光電傳感器的脈搏信息檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于光電傳感器的脈搏信息檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)PAGEPAGE19目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 1.1設(shè)計(jì)目的 1.2基本要求 2設(shè)計(jì)思路 3設(shè)計(jì)方框圖 4各部分電路設(shè)計(jì) 4.1.1脈搏信號(hào)的檢測 4.1.2信號(hào)處理電路 4.2.軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.2.1計(jì)數(shù)部分處理 4.2.2顯示電路的處理 4.2.4顯示模塊 4.2.5復(fù)位電路 4.2.6時(shí)鐘電路 4.2.7最小系統(tǒng)電源 5工作過程分析 5.1光電感應(yīng)過程 5.2調(diào)試放大過程 5.3計(jì)數(shù)顯示過程 6元器件清單 7主要元器件介紹 7.1單片機(jī)C8051簡介 7.2CD405A譯碼器 7.2LED顯示器簡介 8軟件流程圖 小結(jié) 致謝 參考文獻(xiàn) 附錄A1邏輯電路圖一 附錄A2邏輯電路圖二 1緒論1設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及要求1.1設(shè)計(jì)目的：（1）了解脈搏檢測相關(guān)背景知識(shí)以及電工電子學(xué)、單片機(jī)、傳感器等相關(guān)技術(shù)。

（2）初步掌握常用脈搏檢測方法的特點(diǎn)和應(yīng)用場合，并選擇恰當(dāng)方法應(yīng)用于本設(shè)計(jì)。

（3）通過學(xué)習(xí)，具體掌握所選擇脈搏測量傳感器的使用特點(diǎn)、測量電路和使用方法。1.2基本要求（1）要求設(shè)計(jì)相關(guān)的硬件電路，選擇合適的傳感器、MCU和顯示系統(tǒng)。（2）設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)臏y量電路，包括信號(hào)的放大、濾波及抗干擾設(shè)計(jì)等。（3）設(shè)計(jì)異常心跳的報(bào)警電路。2設(shè)計(jì)思路該裝置是根據(jù)手指毛細(xì)血管的血容量隨心臟搏動(dòng)而改變這一生理特點(diǎn)，利用光電轉(zhuǎn)換原理以及單片機(jī)計(jì)數(shù)測量原理完成對(duì)心率次數(shù)的測量。測量脈搏的裝置是以脈沖跳動(dòng)間隔時(shí)間為基準(zhǔn)的倒計(jì)數(shù)方式，從而保證在幾秒鐘內(nèi)得到精確的每分鐘脈沖次數(shù)，并提高了快速測量的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)采用光電傳感器進(jìn)行測量，在傳感器兩端加上一定的工作電壓，則其輸出電壓隨著光照強(qiáng)度的變化而變化，產(chǎn)生電壓信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過濾波處理后，再由運(yùn)放轉(zhuǎn)將信號(hào)放大，然后送入單片機(jī)進(jìn)行處理。在進(jìn)行處理前，信號(hào)將要分為兩路，一路經(jīng)波形變換后得脈沖信號(hào)，送單片機(jī)進(jìn)行對(duì)電壓信號(hào)的測頻處理，并計(jì)算1min內(nèi)脈搏跳動(dòng)的次數(shù)；另一路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī)處理系統(tǒng)進(jìn)行波形測量與顯示。單片機(jī)把傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過譯碼器顯示在液晶屏上，同時(shí)當(dāng)測得脈搏跳動(dòng)次數(shù)超于規(guī)定脈搏跳動(dòng)次數(shù)范圍時(shí)，電路將自動(dòng)進(jìn)入中斷，發(fā)光二極管閃爍，蜂鳴器報(bào)警。鍵盤控制器用于功能選擇。系統(tǒng)的測頻利用軟件進(jìn)行精度的調(diào)整，節(jié)省了資源。3設(shè)計(jì)方框圖傳感器傳感器A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)處理系統(tǒng)波形轉(zhuǎn)換低通濾波放大器A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)處理系統(tǒng)波形轉(zhuǎn)換低通濾波放大器顯示器鍵盤控制顯示器鍵盤控制4各部分電路設(shè)計(jì)4.1.硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖4.1硬件數(shù)字前置電路設(shè)計(jì)圖4.1．1.脈搏信號(hào)的檢測硬件電路中，關(guān)鍵部分在于脈搏信號(hào)的檢測。系統(tǒng)采用紅色發(fā)光二極管和硫化鎘光敏電阻組成投射遮光指套式光電傳感器發(fā)光二極管穩(wěn)定性好，遮光指套式的裝置式的裝置減少了外界光的干擾，只需要將待測手指插入，便可以進(jìn)行測量。測試時(shí)，被測手指正好處在光敏二極管和光敏電阻之間，這樣一來，光敏電阻的阻值便將隨著手指的血容量的變換而變化。4.1．2.信號(hào)處理電路圖4.1中，＋5V電源經(jīng)限流電阻R1點(diǎn)亮紅色發(fā)光二極管LED，同時(shí)＋5V電源經(jīng)R2為光敏電阻RL提供電壓，使傳感器工作在準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)手指插入傳感器時(shí)，RL的阻值便將隨著手指的血流量的變化而變化，從而導(dǎo)致RL兩端電壓的變化，該電壓由10uF電容耦合送至濾波放大電路進(jìn)行處理，濾波電路采用壓控電壓源型低通濾波器完成。壓控電壓源型低通濾波器為同相濾波器，使用元件少，比較容易調(diào)整，傳遞函數(shù)為：其中，根據(jù)脈搏信號(hào)的特點(diǎn)，選擇根據(jù)頻率fc(根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)fc=10HZ)，選擇R6=R7=50kΩ,R9=R10=100kΩ則計(jì)算得到，由于脈搏信號(hào)非常微弱，系統(tǒng)對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行兩次放大，放大倍數(shù)共10000倍，放大后得到的脈搏信號(hào)達(dá)到了V級(jí)，約1到3V。由于系統(tǒng)既要測量脈搏跳動(dòng)的次數(shù)，又要完成次數(shù)顯示功能。所以此時(shí)信號(hào)分為兩路，一路送A/D傳感器進(jìn)行脈搏的測量，另一路進(jìn)行波形的轉(zhuǎn)換，將脈波信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)。每個(gè)人脈搏跳動(dòng)的強(qiáng)弱不同，血容量也有所不同，所測得的脈搏信號(hào)的精度也有所不同，所以不能采用一般的電壓比較器來完成波形變換這一功能，應(yīng)采用峰值比較電路來完成，這一方法，有效解決了脈壓峰值檢測難題。4.2軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖4.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖軟件系統(tǒng)不僅要完成各部分硬件的控制和協(xié)調(diào)，同時(shí)還要完成對(duì)脈搏的計(jì)數(shù)以及顯示功能?？傮w框圖如圖所示。前置電路外部晶振前置電路外部晶振單片機(jī)單片機(jī)譯碼器顯示器報(bào)警4.2.1計(jì)數(shù)部分處理首先將由前置電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)輸入到單片機(jī)中，使其在單片機(jī)中進(jìn)行自動(dòng)的程序分析。其次，我們?cè)趩纹瑱C(jī)輸入端也接入了外部晶體振蕩器，目的是使其產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率，從而保證在幾秒鐘內(nèi)得到精確的每分鐘脈搏次數(shù)，并提高了快速測量的準(zhǔn)確性。另外，為了實(shí)現(xiàn)異常心跳報(bào)警電路的功能，單片機(jī)程序中會(huì)加入中斷判斷語句或者判斷子程序，當(dāng)收到的脈沖信號(hào)超出正常范圍時(shí)，與單片機(jī)相連的報(bào)警喇叭就會(huì)想響起。報(bào)警低限脈搏為40次/分，高限脈搏脈搏為200次/分。正常脈搏次數(shù)應(yīng)在此范圍之間。4.2.2顯示電路的處理顯示電路中主要應(yīng)用了譯碼器和數(shù)碼管。譯碼顯示電路的連接如圖4.2所示首先，我們要了解顯示譯碼器的作用。我們應(yīng)用的是，CD405A顯示譯碼器，CD405A是將8421BCD碼經(jīng)過譯碼后以十進(jìn)制數(shù)實(shí)現(xiàn)的裝置。譯碼就是把給定的代碼進(jìn)行翻譯，變成相應(yīng)的狀態(tài)，用于驅(qū)動(dòng)LED七段數(shù)碼管，只要在它的輸入端輸入8421碼，七段數(shù)碼管就能顯示十進(jìn)制數(shù)字。選用的譯碼器為CD405A，輸出高電平有效，接共陰極七段顯示器。在此次設(shè)計(jì)中，我們用到了3個(gè)LED七段數(shù)碼管，分別顯示計(jì)數(shù)結(jié)果的個(gè)位、十位、百位。當(dāng)脈沖信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)計(jì)數(shù)得出結(jié)果后，如果輸出小于10則只在一個(gè)顯示器里顯示結(jié)果，另兩個(gè)沒有輸出；如果得數(shù)大于等于10，且小于100則在兩個(gè)顯示器里顯示計(jì)數(shù)結(jié)果；若計(jì)數(shù)結(jié)果大于100，則三個(gè)顯示器都將顯示數(shù)據(jù)。5工作過程分析5.1光電感應(yīng)過程光電感應(yīng)主要是由光電指套式傳感器實(shí)現(xiàn)的，LED發(fā)出的光線通過人手指照射在光敏三極管VT的感光窗口上，隨著微血管脈壓波動(dòng)的變化，其透光度也隨其變化，這樣光敏三極管的電流也發(fā)生波動(dòng)性變化，這樣的話也就完成了將光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，完成了第一步工作過程。5.2調(diào)試放大過程電壓信號(hào)進(jìn)入放大電路中后，由于信號(hào)微弱，首先要進(jìn)行初步放大，放大倍數(shù)較小，其次要經(jīng)過低通濾波器濾波，剔除雜余信號(hào)，經(jīng)過此階段后，再將信號(hào)輸入第二級(jí)放大器，將信號(hào)放大到足夠倍數(shù)，最后信號(hào)將進(jìn)入最后一級(jí)放大器，將前幾階段得到的正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，形成脈沖輸入到單片機(jī)中。5.3計(jì)數(shù)顯示過程信號(hào)輸入單片機(jī)中后，在單片機(jī)的另一輸入口將輸入由外部晶體振蕩器產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率，被測脈沖信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較后，產(chǎn)生計(jì)數(shù)；在單片機(jī)程序中，將開啟報(bào)警子程序或者報(bào)警中斷，使脈搏次數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)才能顯示出來。單片機(jī)將通過譯碼器編譯顯示在LED七段數(shù)碼管上，達(dá)到計(jì)數(shù)顯示的功能。6元器件清單名稱型號(hào)數(shù)量電阻50k2電阻100k4電阻1M2電阻8.2M1電阻10k5電阻1k1電容1uF1電容0.1uF1電容10uf1電容3uF1電容2.2uF1電容33uf1紅外接收二極管BPW831紅外發(fā)射二極管IR3331發(fā)光二極管1運(yùn)算放大器LM3584譯碼管CD405A3蜂鳴器1單片機(jī)C8051f0201數(shù)碼管37主要元器件介紹7.1單片機(jī)C8051簡介C8051F020單片機(jī)是Cygnal公司生產(chǎn)的，它是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(SOC)。采用全速、非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試接口，提供C編譯調(diào)試環(huán)境，可以大大提高產(chǎn)品開發(fā)速度和效率。我們使用的C8051單片機(jī)是目前各大高校及市場上應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)型.其內(nèi)部包含:一個(gè)8位的CPU;4K的程序存儲(chǔ)空間ROM;128字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器;兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器;可尋址64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64KB外部程序存儲(chǔ)器空間的控制電路;32條可編程的I/O線;具有兩個(gè)優(yōu)先級(jí)嵌套的中斷結(jié)構(gòu)的5個(gè)中斷源。其引腳圖如下圖7-3。圖7-1C8051引腳圖7.2CD405A譯碼器74HC4511譯碼器將四位的BCD碼轉(zhuǎn)換成數(shù)碼管能識(shí)別的8位數(shù)據(jù)，圖7.1是該器件的引腳圖。其中D0~D3就是BCD碼的輸入端，3端和4端是燈亮和燈滅的測試端口，在使用時(shí)須接高電平，5端接地，Vcc端接高電平，Qa~Qf是數(shù)據(jù)輸出端。圖7.2CD405A引腳圖7.3LED顯示器簡介LED數(shù)碼管分共陽極與共陰極兩種，其工作特點(diǎn)是，當(dāng)筆段電極接低電平，公共陽極接高電平時(shí)，相應(yīng)筆段可以發(fā)光。共陰極LED數(shù)碼管則與之相反，它是將發(fā)光二極管的陰極(負(fù)極)短接后作為公共陰極。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平、?端接低電平時(shí)，才能發(fā)光。LED的輸出光譜決定其發(fā)光顏色以及光輻射純度，也反映出半導(dǎo)體材料的特性。常見管芯材料有磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、氮化鎵(GaN)等，其中氮化鎵可發(fā)藍(lán)光。發(fā)光顏色不僅與管芯材料有關(guān)，還與所摻雜質(zhì)有關(guān)，因此用同一種管芯材料可以制成發(fā)出紅、橙、黃、綠等不同顏色的數(shù)碼管。其他顏色LED數(shù)碼管的光譜曲線形狀與之相似，僅入，值不同。LED數(shù)碼管的產(chǎn)品中，以發(fā)紅光、綠光的居多、這兩種顏色也比較醒目。LED數(shù)碼管等效于多只具有發(fā)光性能的PN結(jié)。當(dāng)PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)，依靠少數(shù)載流子的注人及隨后的復(fù)合而輻射發(fā)光，其伏安特性與普通二極管相似。在正向?qū)ㄖ?，正向電流近似于零，筆段不發(fā)光。當(dāng)電壓超過開啟電壓時(shí)，電流就急劇上升，筆段發(fā)光。因此，LED數(shù)碼管屬于電流控制型器件，其發(fā)光亮度L與正向電流IF有關(guān)，用公式表示：L=KIF即亮度與正向電流成正比。LED的正向電壓U，則與正向電流以及管芯材料有關(guān)。使用LED數(shù)碼管時(shí)，工作電流一般選10mA左右／段，既保證亮度適中，又不會(huì)損壞器件。圖7-3LED顯示器引腳圖8軟件流程圖開始開始關(guān)看門狗關(guān)看門狗液晶片顯示液晶片顯示計(jì)數(shù)器初始化計(jì)數(shù)器初始化蜂鳴報(bào)警檢測脈搏測得脈搏﹤蜂鳴報(bào)警檢測脈搏測得脈搏﹤40次＞200次結(jié)束NNY液晶顯示小結(jié)通過為期兩周的課程設(shè)計(jì)的鍛煉，我深刻體會(huì)到自己知識(shí)的匱乏，也深深的感覺到自己對(duì)所學(xué)知識(shí)了解得是多么膚淺。曾經(jīng)在課堂上所學(xué)的東西只是一個(gè)表面性的，理論性的，而且是理想化的，根本不能夠解決在現(xiàn)實(shí)中所存在的需要我們?cè)谖磥斫鉀Q的很多問題。因此，在學(xué)習(xí)過程中，我們應(yīng)注意理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用之間的相互聯(lián)系。光電傳感器的脈搏信息檢測系統(tǒng)是傳感器技術(shù)的一種綜合應(yīng)用，是采用光電傳感器進(jìn)行對(duì)信號(hào)的采集，并經(jīng)過數(shù)字電路的處理實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)到脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并由單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)顯示的裝置。由于使用單片機(jī)作為中央控制器和計(jì)算器件，所以系統(tǒng)電路簡單，設(shè)計(jì)方便，基本完成了脈搏次數(shù)的計(jì)數(shù)與顯示。通過本次設(shè)計(jì)，了解了光電傳感器的基本原理，同時(shí)也很好的掌握了編碼器、放大器、顯示譯碼器等數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。在設(shè)計(jì)的過程中，融入了自己的創(chuàng)新想法，增加了設(shè)計(jì)的興趣。在這充實(shí)的一周中，我們也深深地感受到各組員之間彼此團(tuán)結(jié)互助的精神，每個(gè)人都為了自己的小組一點(diǎn)點(diǎn)努力著，盡管避免不了失敗和摩擦，但我們?nèi)匀换ハ啻驓猓瑸榱嗽O(shè)計(jì)成果獻(xiàn)上各自的一份力量。通過這次對(duì)脈搏信息檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作，更進(jìn)一步地熟悉了放大電路的工作原理和其具體的使用方法。雖然設(shè)計(jì)時(shí)間很緊迫，但在設(shè)計(jì)的過程中我們還是學(xué)到不少東西的，由于有些芯片我們根本沒有學(xué)過，我們?cè)诓檎疫@些資料的過程中就學(xué)到了很多東西，有些芯片本來我們不懂的，但是經(jīng)過查資料我們還是對(duì)那些不懂的芯片有了一定的了解。能有這樣的一次學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，我感到十分的幸運(yùn)，看到了自己一周以來的成果，我也感到十分欣慰，在未來的學(xué)習(xí)生活中，我會(huì)吸取這次學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，爭取取得更出色的成績！致謝寒假之后，我們又開始了為期兩周的實(shí)訓(xùn)，短短一周，有太多汗水，太多耕耘，也有太多欣慰，太多感動(dòng)，我們每個(gè)人都在為自己的任務(wù)盡著自己最大的努力，也在絲毫不保留的贈(zèng)與給彼此最貼心的幫助和溫暖。首先還是要感謝我們的傳感器課講師——祝尚臻老師。新學(xué)期開始，每個(gè)人并不是很習(xí)慣課程中的忙碌，不免會(huì)陷入忙碌和慌亂。我們還要