脈搏心率測(cè)試儀測(cè)試與制作報(bào)告

#成績(jī)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)號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師陳鵬講師報(bào)告日期2013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)行數(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)行采集和處理。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)部分設(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。1.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內(nèi)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。本方案選擇的比較簡(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)用中發(fā)展很快,這主要是由于光能避開強(qiáng)烈的電磁干擾,具有很高的絕緣性,且可非侵入地檢測(cè)病人各種癥狀信息。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)通過放大電路模塊實(shí)行電信號(hào)放大，然后信號(hào)通過濾波電路模塊進(jìn)行濾波（特別濾除50Hz市電干擾），再通過整形穩(wěn)壓電路進(jìn)行整形后，得到幅值在0~5v的正弦信號(hào)，再最后將信號(hào)通過斯密特比較器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。其具體總體結(jié)構(gòu)框架如圖1.1：

圖1.1脈搏測(cè)量?jī)x系統(tǒng)框圖圖1.2脈搏信號(hào)提取及處理電路結(jié)構(gòu)圖脈搏信號(hào)提取部分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)擺放以獲得最佳的指向特性。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“0”。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)“A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。+5v+5v圖2.1圖2.1指甲式脈搏傳感器脈搏信號(hào)處理部分DI、D2^P^LED-Rf^^^LED-EeI圖2.2紅外傳感連接電路—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)，這也使得傳感器部分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避免來(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：R2A=1+=2upR3

總增益為：up1-(f/總增益為：up1-(f/f)2+jQ(f/f)HH截止頻率為：12兀RC2兀x10000x3.3x0.000001r——IJ1T—2R1—十一dl1IU1TIZVrI匚C1r——IJ1T—2R1—十一dl1IU1TIZVrI匚C1寸5匸商71-OV圖3.2二階低通濾波電路圖3.1電壓跟隨器電路LM324運(yùn)放3、4用于同相放大電路，如圖3.3所示；NE555芯片用于電壓比較和信號(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附錄圖一。放大倍數(shù)為：R11220kA=1+=1+=23uR1010k

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心5V。而NE555整形芯片在+5V電源供應(yīng)下，其比較閥值為向上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)顯示控制部分此次設(shè)計(jì)中的控制顯示部分主要由STC89C52單片機(jī)和LCD1602液晶顯示器共同構(gòu)成。（1）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，看門狗定時(shí)

器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810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)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。單片機(jī)運(yùn)作的基本電路需復(fù)位電路和振蕩電路（所用晶振為12MHz）。（2）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，內(nèi)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)為寫指令，當(dāng)RS（第4腳）為高電平時(shí)為寫數(shù)據(jù)。1602的程序是根據(jù)PDF資料的寫操作時(shí)序圖進(jìn)行編寫的,通過對(duì)1602寫入指令和寫入數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行顯示。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。GNDVCCLI1VCCPO.OP0.1P0.2P0.3P0.4P0.5LI1VCCPO.OP0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7VCC40T3938~37~363433T75.單片機(jī)軟PSEN91.LCD1602顯示控制電路-16gildVCCveeRSRWEDBODB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7AK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，采用語(yǔ)言進(jìn)行編程。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)低電平并通過定時(shí)顯示程序輸出顯示。除此外，需要借助定P2.6時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，這里以60秒為周期計(jì)算接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:/*頭文件部分*///頭文件maibo.h#ifndef_MAIBO_H_#define_MAIBO_H_#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitkeyl=P「O;sbitkey2=P「l;sbitLCD_RS=P2'5;sbitLCD_RW=P2'6;sbitLCD_EN=P2"7;sbitmaibo=P3"2;#defineLCD_dataP0#endif/*主程序部分*///主程序maibo.c#include<maibo.h>#include<intrins.h>ucharcodedis1[]=ucharcodedis2[]=ucharcodedis3[]=ucharcodedis4[]=ucharcodedis5[]=ucharcodedis6[]=uchartest_res[]=inttest_data;uinttimer;{"WelcomeTo!!!"}{"PulseCounter"}{"StartTesting?"}{"(1)Yes(2)No"}{"TestResults:"}{"PleaseWait!!"}{"00000"};//延時(shí)函數(shù)voiddelay(floatxms){uchari;while(xms--)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&0x80);LCD_EN=0;returnresult;}//寫指令函數(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()//16*2顯示，//16*2顯示，5*7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)//顯示開，關(guān)光標(biāo)//移動(dòng)光標(biāo)//清除LCD的顯示內(nèi)容LCD_wcmd(0x38);LCD_wcmd(0x0c);LCD_wcmd(0x06);LCD_wcmd(0x01);//液晶行定位函數(shù)voidLCD_pos(uintrow,uintcol){ucharpos;pos=0x80|(uchar)(0x40*(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=='\O')//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)開中斷設(shè)置TMOD=0X01;TH0=(65535-50000)/256;TL0=(65535-50000)%256;ET0=1;TR0=0;PT0=1;//定時(shí)器0設(shè)置/*IT0=1;EX0=0;PX0=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(0x01);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;}//主函數(shù)//主函數(shù){uintcounter=0;dis_init();while(1){if(key_coding()==1){LCD_wcmd(0x01);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(0x01);LCD_pos(1,2);LCD_dis(dis6);dis_data();break;}if(key_coding()==2){LCD_wcmd(0x01);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){EX0=0;TR0=0;LCD_wcmd(0x01);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)踐過程中問題及處理方案1)信號(hào)采集電路部分，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。2)信號(hào)放大電路部分，實(shí)際放大增益與理論計(jì)算值有較大的差別。解決方法：通過更換電阻改變?cè)鲆嫦禂?shù)，以達(dá)到最佳輸出電壓增益以及波形輸出?？刂骑@示電路部分，這一部分主要出現(xiàn)在軟件編程中，外部中斷0與定時(shí)器0中斷同時(shí)應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)單片機(jī)出現(xiàn)工作異常，最終通過采集低電平個(gè)數(shù)的方式省掉外部中斷0的使用。調(diào)試過程中，示波器不能正確顯示方波。解決方法：將單片機(jī)部分與整形放大部分電路板共地端，并調(diào)整示波器的耦合方式為直流。7.個(gè)人心得總結(jié)此脈搏技術(shù)其中關(guān)鍵技術(shù)是單片機(jī)編程與傳感器輸出的信號(hào)波形采集。本文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制顯示部分由STC89C52芯片實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)采集與處