畢業(yè)設(shè)計---人體脈搏測量儀的設(shè)計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本課題是人體脈搏測量儀的設(shè)計。由于脈搏信號的特殊性，在設(shè)計時必須要注意實現(xiàn)測量的準確。該系統(tǒng)的重點就在于要求實現(xiàn)測量的簡便化和精確化。系統(tǒng)要在小于十秒的時間內(nèi)，測量出人體一分鐘的脈搏，并且保證誤差在2次以內(nèi)。本系統(tǒng)以89S51單片機作為中心，通過使用單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)最核心的計算脈搏功能。在信號的前端處理上，使用壓電陶瓷片采集

2、人體脈搏信號，然后經(jīng)過AD620放大，施密特觸發(fā)器整形，低通濾波器濾波等一系列操作，將脈搏信號轉(zhuǎn)換為同頻率的脈沖信號輸入到單片機內(nèi)，并利用單片機對其進行計數(shù)。計數(shù)的方法是利用單片機的計時器，計算一次心跳的時間，然后由該周期計算出頻率，繼而就可以求出一分鐘的脈搏數(shù)。按照理論來說，只要有一次心跳信號就可以。但是要考慮到計算的精確性，可以設(shè)定為測量五次心跳信號，然后再求脈搏就可以使結(jié)果比較精確。計數(shù)結(jié)果將最終送至液晶屏1602來進行顯示。雖然

3、壓電陶瓷片的性能并非很好，在信號的采集上不能實現(xiàn)非常精確的采集，但是它的價格低廉，并且在經(jīng)過系統(tǒng)的信號調(diào)理電路后，也能比較滿意的實現(xiàn)我們所要實現(xiàn)的目標。整個系統(tǒng)耗電低，體積小，具有便攜性與精確性。經(jīng)過多次調(diào)試和實驗，本系統(tǒng)基本實現(xiàn)了設(shè)</p><p>　　關(guān)鍵詞：脈搏測量；壓電陶瓷片；液晶顯示屏；單片機</p><p><b>　　目 錄</b></p>

4、<p>　　引言………………………………………………………………………1</p><p>　　1 設(shè)計任務(wù)及要求……………………………………………………3</p><p>　　1.1 設(shè)計任務(wù)………………………………………………………………3</p><p>　　1.2 設(shè)計要求………………………………………………………………3</p>

5、<p>　　1.3 設(shè)計時所遇到的問題………………………………………………… 3</p><p>　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計……………………………………………………… 3</p><p>　　2.1 方案論證…………………………………………………………… 3</p><p>　　2.2 總體設(shè)計框圖…………………………………………………………4</p

6、><p>　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計……………………………………………………… 5</p><p>　　3.1 脈搏信號采集…………………………………………………………5</p><p>　　3.1.1傳感器的選擇…………………………………………………………………5</p><p>　　3.1.2三種方案的優(yōu)缺點比較……………………………………………

7、……… 6</p><p>　　3.1.3壓電陶瓷片介紹………………………………………………………………7</p><p>　　3.2 信號調(diào)理單元…………………………………………………………7</p><p>　　3.2.1一級放大電路…………………………………………………………………8</p><p>　　3.2.2二階濾波器電路………

8、…………………………………………………… 10</p><p>　　3.2.3二級放大電路……………………………………………………………… 12</p><p>　　3.3 整形電路…………………………………………………………… 14</p><p>　　3.4 電源濾波電路……………………………………………………… 16</p><p>　

9、　3.5 單片機電路………………………………………………………… 16</p><p>　　3.6 顯示系統(tǒng)…………………………………………………………… 18</p><p>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計…………………………………………………… 19</p><p>　　4.1 軟件部分設(shè)計……………………………………………………… 19</p><

10、;p>　　4.1.1主程序模塊………………………………………………………………… 20</p><p>　　4.1.2液晶驅(qū)動模塊……………………………………………………………… 21</p><p>　　4.2 軟件開發(fā)環(huán)境……………………………………………………… 21</p><p>　　5 測試方案及結(jié)果………………………………………………… 21

11、</p><p>　　5.1 測試方案……………………………………………………………21</p><p>　　5.2 模擬測試結(jié)果……………………………………………………… 21</p><p>　　5.2 實際測試結(jié)果……………………………………………………… 22</p><p>　　6 結(jié)束語………………………………………………………

12、………22</p><p>　　謝辭……………………………………………………………………24</p><p>　　參考文獻………………………………………………………………25</p><p>　　附錄……………………………………………………………………26</p><p><b>　　引言</b></p>

13、<p>　　在我國傳統(tǒng)中醫(yī)學的診斷中，“望、聞、問、切”是最基本的四個方面。而在其中，切，也就是脈診，占有非常重要的地位。通過脈診，醫(yī)生可以對患者的身體狀況有一個大概的了解，進而對癥下藥。脈搏信號可以直接反應出患者心臟的部分狀況，我國傳統(tǒng)中醫(yī)學認為，通過脈診可以了解到患者臟腑氣血的盛衰，可以探測到病因，病位，預測療效等。</p><p>　　從近代醫(yī)學的角度來看，人體循環(huán)系統(tǒng)承擔著協(xié)調(diào)全身各組織的能量代

14、謝，輸送氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)，運走代謝廢物等重要的工作，還承擔運送抗體、激素等物質(zhì)以協(xié)調(diào)整體的動態(tài)平衡。從整體的角度對疾病進行綜合分析，顯然循環(huán)系統(tǒng)的信息將占很重要的比重；從整個循環(huán)系統(tǒng)來看橈動脈介于大動脈與小動脈之間，由于心臟的舒縮、內(nèi)臟血容量的變化、血管端點阻抗、管道內(nèi)脈波的反射、血液的粘滯性、血管壁的粘彈性等因素使脈象攜帶著有關(guān)心臟運動、內(nèi)臟循環(huán)、外周循環(huán)等豐富的心血管系統(tǒng)及整體的動態(tài)信息。因此脈診的臨床意義很大，它的機理是急待于我們進

15、行研究的。 鑒于脈診的重要性，人們對于脈搏測量一直非常關(guān)注，早在1860年Vierordt 創(chuàng)建了第一臺杠桿式脈搏描記儀，國內(nèi)20世紀50年代初朱顏將脈搏儀引用到中醫(yī)脈診的客觀化研究方面。此后隨著機械及電子技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外在研制中醫(yī)脈象儀方面進展很快，尤其是70年代中期，國內(nèi)天津、上海、廣州、江西等地相繼成立了跨學科的脈象研究協(xié)作組，多學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。</p><p>

16、;　　脈搏測量儀的發(fā)展主要向以下幾個趨勢發(fā)展：</p><p>　　(1) 自動測量脈搏并且對所得到的脈搏進行自動分析。</p><p>　　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內(nèi)容將更加詳細，自動分析診斷功能也更強大。</p>

17、<p>　　(2) 數(shù)字化技術(shù)等先進技術(shù)的應用。</p><p>　　隨著數(shù)字科學技術(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。</p><p>　?。?）多功能化越來越明顯</p><p>　　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

18、儀必然可以實現(xiàn)更多的功能。</p><p>　　本設(shè)計所使用的系統(tǒng)利用壓電陶瓷片將脈博轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過信號調(diào)理后利用AT89S51單片機進行信號采集和處理，在短時間內(nèi)，測量出人體一分鐘的脈搏數(shù)，并將心率進行實時顯示，便于攜帶。達到了方便、快速、準確地測量心率的目的。這樣的脈搏測量系統(tǒng)性能良好，結(jié)構(gòu)簡單，性價比高，輸出顯示穩(wěn)定，比較適應大眾化，適合家庭進行自我檢查以及醫(yī)院護士進行每日的臨床記錄。</p&g

19、t;<p>　　1 設(shè)計任務(wù)及要求</p><p><b>　　1.1 設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　本課題要求利用傳感器對人體脈搏信號進行采集，設(shè)計相應的信號調(diào)理電路，然后利用通過對脈搏信號進行測量，來進行實時顯示測量結(jié)果。</p><p><b>　　1.2 設(shè)計要求</b></p>

20、<p>　　、完成一次測量時間：<10s；</p><p>　　、脈搏測量精度：≤±2次/分鐘；</p><p>　　、能夠?qū)崟r顯示測量結(jié)果。</p><p>　　1.3 設(shè)計時要考慮的問題</p><p>　　由于人體的脈搏信號具有頻率低、幅度小干擾大，不穩(wěn)定度低，隨機性強等特點，使得對脈搏信號的采集放大電路的

21、設(shè)計提出了很嚴格的要求，尤其是抗干擾變?yōu)槭种匾?，需要設(shè)計低通濾波器進行濾波。選擇放大器時需要從增益、頻率響應，輸入阻抗，共模抑制比，噪聲，漂移等幾個方面加以綜合考慮。</p><p><b>　　（1）抗干擾</b></p><p>　　工頻50HZ干擾及其各次諧波</p><p>　　使用頻率為50HZ的市電的電子儀器設(shè)備會對檢測系統(tǒng)會產(chǎn)生

22、較大的干擾，其幅值大約是脈搏信號峰峰值的50%,是主要的干擾源</p><p><b>　　肌電干擾</b></p><p>　　肌肉的收縮會產(chǎn)生微伏級的電勢，其幅值大約是脈搏信號峰峰值的10％，維持時間大約是50ms，頻帶范圍可以在0HZ~10000HZ。</p><p>　　由于呼吸引起的基線漂移和ECG幅度變化</p>&l

23、t;p>　　呼吸引起的基線漂移可以看成是一個以呼吸的頻率加入ECG信號的竇性成分（正弦曲線），這個正弦成分的幅度和頻率是變化的。呼吸所引起的ECG信號的幅度的變化可以達到15％?；€漂移的頻率是從0.15～0.3HZ。</p><p><b>　　低噪聲、低漂移</b></p><p>　　在脈搏信號放大器中，由于增益較高，噪聲和漂移是兩個較重要的參數(shù)。脈搏信號

24、放大器運行過程中的噪聲主要表現(xiàn)為電子線路的固有熱噪聲和散粒噪聲，這些都屬于白噪聲，其幅值為正態(tài)分布。為了獲得一定信噪比的輸出信號，對放大器的低噪聲性能有嚴格要求。另外，溫度變化會造成零點漂移，漂移現(xiàn)象限制了放大器的輸入范圍，使得微弱的緩變信號無法被放大。而脈搏信號具有很低的頻率成分，為了能正常測量，必須采取措施來限制放大器的漂移。所以放大器應選用低漂移，高輸入阻抗并且具有高共模抑制比的集成運放電路。</p><p&g

25、t;<b>　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計</b></p><p><b>　　2.1 方案論證</b></p><p>　　脈搏測量儀要實現(xiàn)對脈搏信號的檢測，并且能夠?qū)γ}搏信號進行處理，并進而求得脈搏數(shù)來顯示。考慮到系統(tǒng)的實現(xiàn)，有兩種方案可以實現(xiàn)。</p><p>　　方案一：使用純硬件電路來實現(xiàn)。整個系統(tǒng)的框圖如下圖圖2.1所示

26、</p><p>　　圖2.1 純硬件脈搏測量儀框圖</p><p>　　方案二：使用單片機電路來實現(xiàn)。通過信號調(diào)理電路，將脈搏信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后利用單片機來實現(xiàn)脈搏測量功能。使用該方案其框圖如下圖圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 單片機脈搏測量儀框圖</p><p>　　通過比較以上兩種方案。方案一由于使用純硬件方式，系

27、統(tǒng)穩(wěn)定度比較高。但是功能有限，靈活度較低，也不能很好的實現(xiàn)鍛煉自己的目的。而單片機方案有較大的活動空間，不但能實現(xiàn)所要求的功能而且能在很大的程度上擴展功能，而且還可以方便的對系統(tǒng)進行升級，所以我們采用后一種方案。</p><p>　　2.2 總體設(shè)計框圖</p><p>　　脈搏測量儀系統(tǒng)總框圖，如圖2.3所示。系統(tǒng)由五個部分組成：信號采集單元，信號調(diào)理單元，信號整形單元，單片機單元，顯示

28、單元。其中信號采集單元主要是選用合適的傳感器將脈搏的壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，一般傳感器輸出的電壓都在幾毫伏左右。信號調(diào)理單元主要包括信號的低通濾波，以及實現(xiàn)信號的放大，經(jīng)過信號調(diào)理單元，幾毫伏的脈搏信號的電壓被放大為4V-5V左右。信號整形單元則將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，將脈搏信號轉(zhuǎn)換為同頻率的脈沖。單片機單元通過計時器求出一次脈搏的時間，并進而得出脈搏數(shù)，然后將該數(shù)據(jù)送到顯示單元進行顯示。顯示單元選擇數(shù)碼管或者液晶屏，對數(shù)據(jù)進行實時顯示

29、。</p><p>　　圖2.3 系統(tǒng)總體框圖</p><p><b>　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計</b></p><p>　　系統(tǒng)的硬件框圖如圖2.3所示，包括五個部分組成。下面將分別介紹該五個單元。</p><p>　　3.1 脈搏信號的采集</p><p>　　該單元要將脈搏跳動的壓力信號轉(zhuǎn)換為

30、電信號，因此需要使用傳感器來實現(xiàn)。</p><p>　　3.1.1傳感器的選擇</p><p><b>　　①壓電式傳感器</b></p><p>　　目前常用的是一次性心電電極,它是用印刷方法制得的Ag/ Agcl傳感器。這種傳感器采用接扣與敏感區(qū)分離的方法,能明顯的減少由于人體運動產(chǎn)生的干擾。電極的好壞對采集到的心電信號質(zhì)量起著至關(guān)重要的作

31、用,采用的電極應有貼力強,能緊附在人體表面,柔軟、吸汗、極化電壓低、導電性良好等特點。當選用電極傳感器時,需要3個電極分別置于左右手和左腿,構(gòu)成標準導聯(lián)。臨床上為了統(tǒng)一和便于比較所獲得的脈搏信號,在檢測脈搏信號時,對電極的位置,引線與放大器的連接方式都有嚴格的統(tǒng)一規(guī)定。</p><p>　　目前市場上有一種采用新型高分子壓電材料聚偏氟乙烯研制的壓電傳感器,其靈敏度高,頻帶范圍好,結(jié)構(gòu)簡單,便于使用。當手指前端受到

32、輕微的壓力時，可以感覺到手指前端在血壓的作用下有一張一弛的感覺，將這個信號用傳感器提取出來，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，通過指脈的波形檢測，就可以獲得人體的脈搏信號。</p><p><b>　　光電式傳感器</b></p><p>　　血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比血液中大幾十倍，據(jù)此特點，采用光電效應手指脈搏傳感器來拾取脈搏信號。反向偏壓的光敏二極管，它的

33、反向電流具有隨光照強度增加而增加的光電效應特性，在一定光強范圍內(nèi)，光敏二極管的反向電流與光強呈線性關(guān)系。指端血管的容積和透光度隨心搏改變時，將使光電三極管極管收到不同的光強，并由此產(chǎn)生的光電流均隨之作相應變化。常用檢測脈搏的光電傳感器分為紅外對管和紅外放射管。</p><p>　　采用紅外對管。將對管夾于手指端部，通過手指的血液濃度會隨著心臟的跳動發(fā)生變化，紅外對管對應的信號便會發(fā)生相應的變化，采集此信號經(jīng)過放大

34、，濾波，比較等處理便可以得到理想的信號。。</p><p>　　采用反射式的紅外管。現(xiàn)在市場上的心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)，因此便不用考慮每個人手指情況不同所造成的麻煩。接收的是血液漫反射回來的光，此信號可以精確地測得血管內(nèi)容積變化。</p><p><b>　　集成傳感器</b></p><p>

35、;　　當前,市面上有很多類型的集成心電傳感器,其靈敏度高,集成度高,直接就可以反映出心率的變化,且已包含了濾波等抗干擾電路,波形經(jīng)過放大可以直接處理使用。缺點是價格非常昂貴，一般均在五百元以上，就本次設(shè)計來說，考慮到經(jīng)費以及鍛煉自己的目的，不選擇使用該型傳感器。</p><p>　　3.1.2三種方案的優(yōu)缺點比較</p><p><b>　　光電式：</b></

36、p><p>　　優(yōu)點：靈敏度高，易于操作,響應速度快，結(jié)構(gòu)簡單。</p><p>　　缺點：1、外部光源的變化對測量結(jié)果的影響較大；</p><p>　　2、需要購買專門的醫(yī)用光電傳感器，價格較貴且不易購買；</p><p>　　3、對這樣的器件接觸很少，對其進行調(diào)試時可能會出現(xiàn)較大困難。</p><p><b>

37、;　　壓電式：</b></p><p>　　優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，實時性好，工作頻帶寬，應用電路簡單，且價格低廉。</p><p>　　缺點：直接與人體相接觸，容易因為人體肌肉的顫動等而產(chǎn)生干擾。并且容易受到外界其他信號的干擾。</p><p><b>　　集成式:</b></p><p>　　優(yōu)點:集成度高,包含

38、了濾波,放大電路,可以直接輸出信號,便于操作,有效的減少了各種干擾。</p><p>　　缺點:降低了本任務(wù)的難度,如果采用該傳感器，只需將其直接接上單片機即可實現(xiàn)功能，且價格非常昂貴。</p><p>　　考慮到種種情況，結(jié)合本系統(tǒng)的設(shè)計要求以及經(jīng)費的考慮，最終選擇壓電式陶瓷片。該傳感器價格較低，而且輸出電壓變化較為明顯，可以實現(xiàn)我們的實驗目的。</p><p>

39、　　3.1.3壓電陶瓷片介紹</p><p>　　壓電陶瓷片的外觀和電路符號如下圖3.2所示。壓電片包括三個部分，鍍銀層，壓電陶瓷，以及銅片。外部壓力作用于銅片時，壓電陶瓷就可以感受壓力而產(chǎn)生電信號，并最終通過鍍銀層將該信號輸出。在使用時，壓電陶瓷片要通過導線與電路板連接,注意在焊接壓電陶瓷片時,時間不能太長以免燙壞壓電陶瓷片的鍍銀層。</p><p>　　圖3.1 壓電陶瓷片的符號及外觀

40、</p><p>　　由于壓電陶瓷片的資料比較少，為了確定使用該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)本次設(shè)計的目的，先要對其進行實驗，來確定它的輸出電壓是否符合要求。</p><p>　　使用實驗室砝碼來測試，其結(jié)果如下表表3.1所示。</p><p>　　表3.1 壓電陶瓷片輸出電壓測試表</p><p>　　由于只需要4mv-5mv左右的電壓輸出，就可以實現(xiàn)

41、設(shè)計要求。由本次試驗，可以得知壓電陶瓷片可以實現(xiàn)我們所要達到的目標。</p><p>　　3.2 信號調(diào)理單元</p><p>　　信號調(diào)理電路包括對信號的放大和濾波兩個部分。由于傳感器輸出的電壓比較小，在幾毫伏左右，且頻率較低，需要低噪聲，低漂移，高輸入阻抗的放大器，所以選擇使用儀表放大器。肌電干擾可能會導致放大器的靜態(tài)工作點偏移，甚至使放大器達到飽和，所以第一級放大器的放大倍數(shù)不能太高

42、。因此還需要另一個放大器。此外，為了濾去高頻信號和市電的干擾，還需要設(shè)計一個低通濾波器。這部分電路的框圖如下圖圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 信號調(diào)理單元框圖</p><p>　　下面，將分別介紹三個部分。</p><p>　　3.2.1一級放大電路</p><p>　　一級放大電路是整個系統(tǒng)設(shè)計的重點,脈搏測量儀要求在脈搏

43、信號頻率范圍內(nèi)，不失真的放大所采集的微弱信號,這要求所用的放大器必須具有低噪聲,低漂移,低失調(diào)參數(shù),高共模抑制比,高輸入阻抗,線形度小等特點。</p><p>　　為了達到上述要求,并聯(lián)型雙運放放大電路能滿足其要求</p><p>　　圖3.3 并聯(lián)型雙運放放大電路</p><p>　　前兩個運放為同向比例放大器,輸入阻抗很高,它對共模信號有很高的抑制比。由于

44、Rx連接于這兩個放大器的求和點之間,當一個差分電壓加到醫(yī)用放大器的輸入端時,整個輸入的電壓都呈現(xiàn)在Rx兩端。由于Rx兩端的電壓等于V2-V1,所以流過Rx的電流等于(V2-V1)/Rx,因此輸入信號將通過放大器獲得增益并且得到放大。</p><p>　　這種電路的優(yōu)點在于：</p><p><b>　　a,高共模抑制比；</b></p><p>

45、;　　b,通常只需改變電阻Rx大小可改變增益。</p><p>　　以上電路需要三個運放，在調(diào)試的時候會比較復雜。現(xiàn)在的很多儀表放大器的內(nèi)部電路與這個電路相同，而且儀表放大器都有成品可以買到,只需調(diào)整外界電阻就可以調(diào)整放大器的放大倍數(shù)，準確而且方便。</p><p>　　以下是幾種常用的集成儀表放大器,其主要參數(shù)如表3.2</p><p>　　表3.2 三種集成醫(yī)

46、用放大器參數(shù)</p><p>　　脈搏信號是在強噪聲下的微弱信號，它對前置放大器的共模抑制比，輸入阻抗，輸入噪聲，輸入失調(diào)電壓有較嚴格的要求，由表3.2知AD620是最為理想的。 AD620參數(shù)如下表表3.3所示。</p><p>　　表3.3 AD620參數(shù)表</p><p>　　AD620的芯片引腳如下圖圖3.4所示</p><p>　

47、　圖3.4 AD620芯片引腳圖</p><p>　　其中增益為 </p><p>　　由于肌電干擾可能造成前置放大器靜態(tài)工作點的偏移，甚至截至飽和，所以前置放大器的增益不能太大。所以設(shè)計時考慮兩級放大,第一級采用AD620,外接一個4.7K的電阻,放大倍數(shù)由公式大約放大十倍左右。</p><p>　　實際的一級放大電路原理圖如圖3.5所示。</p&

48、gt;<p>　　圖3.5 一級放大電路</p><p>　　3.2.2二階濾波器電路</p><p>　　由于脈搏信號的頻率在1.33HZ左右，正常情況下不會出現(xiàn)高于2HZ的信號，因此需要設(shè)計一個低通濾波器，用來濾去高頻信號。在這個系統(tǒng)中最大的干擾就是來自市電的50HZ干擾信號，考慮到有些病人在患病時可能會出現(xiàn)較高的脈搏，因此在設(shè)計濾波器的截止頻率在4HZ左右，這樣不但能保

49、證不濾去脈搏信號，而且能很好的將干擾濾去。</p><p><b>　?。?）方案選擇：</b></p><p><b>　?、贌o源濾波器</b></p><p>　　采用RC低通濾波器。其電路如圖3.6所示，特點是電路簡單，阻帶衰減太慢，選擇性較差。其幅頻特性如圖3.7所示。

50、 </p><p>　　圖3.6 一階無源濾波</p><p>　　圖3.7 一階無源濾波器幅頻特性</p><p><b>　?、诙A低通濾波器</b></p><p>　　采用二階有源濾波器，通帶內(nèi)幅頻特性曲線比較平坦，而且二階也可以達到較陡的衰減的特性。由于主要的干擾出現(xiàn)在50HZ左右，所以在截止頻率較低

51、時，采用二階濾波器即可達到很好的濾波效果。二階有源濾波器的電路圖如下圖3.8所示。其幅頻特性如圖3.9所示。</p><p>　　圖3.8 二階有源濾波器</p><p>　　圖3.9 有源濾波器幅頻特性</p><p><b>　　（2）參數(shù)確定</b></p><p>　　電容C的容量宜在微法數(shù)量級以下,電阻器的

52、阻值一般應在幾百千歐以內(nèi)。我們現(xiàn)在設(shè)定C1=C2=0.33uF，R1=R2=100K。</p><p><b>　　根據(jù)</b></p><p>　　可以計算出，該濾波器的截止頻率為4.8HZ。符合所要達到的指標。同時，為了更好的實現(xiàn)效果，也可以使用一些稍大的電阻，如110K等。</p><p><b>　?。?）方案確定</b

53、></p><p>　　由于使用二階有源濾波器能夠很好的實現(xiàn)系統(tǒng)的濾波目的，所以選擇使用方案②，即二階有源濾波器。其電路原理圖如圖3.10所示。</p><p>　　圖3.10 二階濾波器</p><p>　　3.2.3第二級放大電路</p><p>　　第二級放大采用同相放大器,其電路圖為</p><p>　

54、　圖3.11 同相放大器電路</p><p><b>　　其閉環(huán)電壓增益</b></p><p><b>　　AVF=1+</b></p><p>　　輸入電阻 Ri=ric</p><p>　　輸出電阻 R0=0</p><

55、;p>　　平衡電阻 RP=R1//RF</p><p>　　其中，ric為運放本身同相端對地的共模輸入電阻，一般為108歐姆。</p><p>　　同相放大器具有輸入阻抗高，輸出阻抗很低的特點，廣泛用于前置放大級。若RF≈0，R1=∞（開路），則為電壓跟隨器，與晶體管電壓跟隨器（射極輸出器）相比，集成運放的電壓跟隨器的輸入阻抗更高，幾乎不從信號源吸取電流；輸

56、出阻抗更小，可視作電壓源，是較理想的阻抗變換器。</p><p>　　在設(shè)計時，選用的運放為TL082，該運放具有較小的輸入偏置電壓和偏移電流，輸出設(shè)有短路保護，輸入級有較高的輸入阻抗，完全可以達到設(shè)計要求。同時，設(shè)定RF=100K,R1=1K,</p><p><b>　　由AVF=1+</b></p><p>　　可以得到第二級的放大倍數(shù)為

57、101倍,可以實現(xiàn)系統(tǒng)所要達到的放大參數(shù)。</p><p>　　二級放大電路的電路圖如圖3.12所示。</p><p>　　圖3.12 二級放大器電路</p><p><b>　　3.3 整形電路</b></p><p>　　由于單片機只能檢測到數(shù)字信號，因此，經(jīng)過信號調(diào)理電路后得到的模擬信號必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這里有

58、兩個方案可以選擇。</p><p>　　方案一: 使用三極管進行整形.</p><p>　　圖3.13 三極管整形電路</p><p>　　方案二：使用施密特觸發(fā)器來實現(xiàn)整形。</p><p>　　只要使用一個施密特觸發(fā)器，就可以實現(xiàn)對于信號的整流作用。</p><p>　　由于三極管的調(diào)試較為復雜，且工作性能不如施

59、密特觸發(fā)器穩(wěn)定，所以我們選用施密特觸發(fā)器?，F(xiàn)在的施密特觸發(fā)器一般分為由555芯片構(gòu)成和用TTL電路構(gòu)成兩種。使用由555芯片構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，因此選用555芯片來完成該項任務(wù)。</p><p>　　由555芯片構(gòu)成的施密特觸發(fā)器如下圖圖3.14所示。</p><p>　　圖3.14 555施密特觸發(fā)器電路圖</p><p>　　使用施密特觸

60、發(fā)器后，其輸入輸出波形的變化如下圖圖3.15所示。</p><p>　　圖3.15 施密特觸發(fā)器工作波形</p><p>　　由于VCC=5V，所以，當輸入電壓大于2/3VCC，也就是3.33V時，電路就可以輸出高電平，然后一直持續(xù)到1/3VCC，也就是1.67V時，電路開始輸出低電平。在前面的電路中，脈搏信號被轉(zhuǎn)化為5V左右的信號，經(jīng)過實驗驗證，脈搏信號在本級可以被轉(zhuǎn)化為能被單片機識別

61、的數(shù)字信號。</p><p>　　圖3.16 整形電路</p><p>　　3.4 電源濾波電路</p><p>　　由于脈搏信號非常小，很容易收到外部干擾，因此設(shè)計電源濾波電路。使用該濾波電路，能夠?qū)㈦娫粗械母叩皖l雜波濾去。電路如下圖圖3.17所示。</p><p>　　圖3.17 電源濾波電路</p><p>　　

62、3.5 單片機電路</p><p>　　在這里，單片機要實現(xiàn)對脈搏信號的處理。為了能夠在不到10s的時間內(nèi)，測量出一分鐘的脈搏，可以使用單片機的定時器來實現(xiàn)。在檢測到第一個脈沖到達時，開啟定時器，然后在下一個脈沖到達時，關(guān)閉計時器，如此就可以求得一次心跳所需要的時間，然后由該周期就可以得到一分鐘的脈搏數(shù)。</p><p>　　考慮到單片機要實現(xiàn)以上功能，選擇使用AT89S51來構(gòu)成電路。

63、AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。<

64、;/p><p>　　AT89S51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 </p><p>　　此外，AT89S51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟

65、件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。</p><p><b>　　該單片機主要特性：</b></p><p>　　? 8031 CPU與MCS-51

66、兼容</p><p>　　? 4K字節(jié)可編程FLASH存儲器(壽命：1000寫/擦循環(huán))</p><p>　　? 全靜態(tài)工作：0Hz-24KHz</p><p>　　? 三級程序存儲器保密鎖定</p><p>　　? 128*8位內(nèi)部RAM</p><p>　　? 32條可編程I/O線</p><p

67、>　　? 兩個16位定時器/計數(shù)器</p><p><b>　　? 6個中斷源</b></p><p><b>　　? 可編程串行通道</b></p><p>　　? 低功耗的閑置和掉電模式</p><p>　　? 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路</p><p>　　經(jīng)過整形的信

68、號由單片機的INT0口輸入，使用單片機的外部中斷0。單片機的P0口作為數(shù)據(jù)口，與顯示屏相接，來輸出單片機所計算的脈搏值。單片機的P2.5，P2.6,P2.7口接到液晶屏的控制端，來控制單片機工作。設(shè)置定時/計數(shù)器1屏蔽，定時/計數(shù)器0工作方式為16位計數(shù)器，并對中斷做出定義。</p><p>　　當?shù)皖l信號的下降沿到來時，中斷觸發(fā)。記錄這個周期內(nèi)計數(shù)器記錄的時鐘周期數(shù)。當系統(tǒng)時鐘為12M時，周期T與時鐘周期數(shù)S的

69、關(guān)系是</p><p>　　當T＞0.065535s時，計數(shù)器記錄的時鐘周期數(shù)會溢出，這時，需要記錄計數(shù)器溢出次數(shù)C，然后再將計數(shù)器清零，重新記錄。</p><p>　　設(shè)定單片機在檢測到5次心跳信號后再計算時間，然后求5次的平均數(shù)來計算一次心跳的周期，那么可以得知，一次心跳的周期T為</p><p>　　這時的T即是以秒為單位的。求出T之后，一分鐘的脈搏數(shù)F就可以

70、很容易的得到</p><p>　　單片機電路如下圖圖3.18所示。</p><p>　　圖3.18 單片機電路</p><p><b>　　3.6 顯示系統(tǒng)</b></p><p>　　顯示系統(tǒng)既可以選擇使用LED，也可以選擇使用LCD。就本系統(tǒng)的功能來說，使用LED已經(jīng)可以實現(xiàn)功能，不過考慮到使用LCD，可以輸出英文

71、字符，從而使得顯示系統(tǒng)能夠更加美觀，同時也能更好的達到提高自己的目的，所以最后選擇使用液晶屏LCD。</p><p>　　由于本次設(shè)計所要顯示的內(nèi)容不多，并不需要太大的液晶屏來顯示。所以選擇使用1602來進行顯示。1602液晶每次可以顯示2行16個字符，總共32個字符，而且可以顯示所有的ASCII碼，包括標點，數(shù)字，英文大小寫等，因此，使用該液晶屏可以很好的實現(xiàn)顯示功能。</p><p>

72、　　1602顯示屏的主要技術(shù)指標如表3.4所示。</p><p>　　表3.4 1602液晶顯示屏的主要技術(shù)指標</p><p>　　1602液晶顯示屏共有16個引腳，其各個引腳的功能如下表，表3.5中所示。</p><p>　　表3.5 1602液晶顯示屏的各個引腳功能</p><p>　　使用1602，所設(shè)計的顯示電路部分如下圖圖3.

73、19所示。</p><p>　　圖3.19 液晶顯示電路</p><p><b>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計</b></p><p><b>　　4.1軟件設(shè)計</b></p><p>　　軟件部分包括兩個模塊，一個是主程序模塊，而另一個則是液晶屏的驅(qū)動模塊。下面將分別介紹這兩個模塊。</p&g

74、t;<p>　　4.1.1主程序模塊</p><p>　　本程序的主要思路是，利用單片機的計數(shù)器，統(tǒng)計兩次脈沖之間的時間，即可得出心跳一次的時間，然后便可以得出一分鐘的脈搏數(shù)。由于單片機的精確度非常高，所以該方法精度較高，本程序的流程圖如下圖圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1主程序流程圖</p><p>　　4.1.2液晶驅(qū)動模塊</p

75、><p>　　選用1602液晶屏，在液晶屏的第一行將顯示出字符“your pulse is：”,在第二行顯示出脈搏數(shù)。其數(shù)據(jù)口為P0口。</p><p>　　sbit RS = P2^5; //H數(shù)據(jù)，L指令</p><p>　　sbit RW = P2^6; //H讀，L寫</p><p>　　sbit E = P2^7;

76、 //片使能信號，控制其工作。</p><p>　　#define LCD_Data P0 //數(shù)據(jù)口</p><p><b>　　其驅(qū)動程序見附錄。</b></p><p>　　4.2 軟件開發(fā)環(huán)境</p><p>　　單片機應用系統(tǒng)設(shè)計與一般電子系統(tǒng)設(shè)計的差別在于，它既要構(gòu)成硬件邏輯電路，也要設(shè)計相

77、應的支持軟件。Keil C51是美國Keil Software 公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)全WINDOWS界面且?guī)旌瘮?shù)豐富，調(diào)試功能強大、生成代碼率很高。因此，本課題軟件的軟件調(diào)試選用該開環(huán)境來完成。</p><p>　　5 測試方案和測試結(jié)果。</p><p><b>　　5.1 測試方案</b></p><p>

78、;　　系統(tǒng)整體功能實現(xiàn)后，就要對其進行測試。設(shè)計使用一個夾子，將傳感器夾在人的手腕處，這樣能夠減少因此身體抖動而產(chǎn)生的干擾。</p><p>　　5.2 模擬測試結(jié)果</p><p>　　首先，使用信號源輸入與脈搏信號相仿的信號，來測試整個系統(tǒng)的工作情況。我們設(shè)定輸入信號幅度為5mv，偏置為2.5mv，則模擬測試結(jié)果如下表所示。</p><p>　　表5.1 模擬測

79、試結(jié)果表</p><p>　　可見，在3HZ以前，系統(tǒng)的測試結(jié)果非常準確，但是在之后，由于濾波器的作用，結(jié)果無法顯示。由此可以得知，系統(tǒng)的測頻和濾波作用都實現(xiàn)了預期的效果。</p><p>　　5.3 實際測試結(jié)果。</p><p>　　單片機上電后會首先對液晶進行初始化，然后直到檢測完脈搏，才會出現(xiàn)顯示內(nèi)容。因此需要大概幾秒的時間。我們選擇了三位同學來測試本系統(tǒng)，

80、其結(jié)果記錄在下面的表中。其實際值由統(tǒng)計一分鐘脈搏數(shù)得出。其測試結(jié)果如下表所示。</p><p>　　表5.2 實際測試結(jié)果記錄表</p><p>　　由上表可以看出，由于傳感器的粗糙，在測量時，仍然存在著較大的誤差，個別值的誤差還比較大，不過結(jié)合模擬測試結(jié)果，可以看出，本設(shè)計基本上實現(xiàn)了對脈搏的測量。同時也知道，該設(shè)計仍有很多的不足之處，需要進行改進設(shè)計。</p><

81、p><b>　　附圖1 原理圖</b></p><p><b>　　附錄3 主程序</b></p><p>　　#include <reg52.h></p><p>　　#include "LCD_1602.c"</p><p>　　//定義周期測頻法測式的周

82、期數(shù)，這個值越大，結(jié)果越精確，但也需</p><p><b>　　//要更多的時間。</b></p><p>　　#define TF_TIMES 3</p><p><b>　　//頻率暫存字</b></p><p>　　unsigned long g_Ftmp;</p>&l

83、t;p>　　unsigned long g_Ftmp_All;</p><p>　　//單周期信號結(jié)束標志 0未測試完成 1初始化 2測試完成</p><p>　　unsigned int g_flag;</p><p>　　//定時器T0溢出次數(shù)統(tǒng)計</p><p>　　unsigned long g_T0count;</p&g

84、t;<p><b>　　//每分鐘心跳次數(shù)</b></p><p>　　unsigned int g_CountMinu;</p><p>　　unsigned char code string1[]="Your Pulse Is:";</p><p>　　void INT0ISR( void ) interr

85、upt 0 //外部中斷0中斷服務(wù)函數(shù)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　//IE0 = 0; //外部中斷0標志位清0 在邊沿觸發(fā)模式下</p><p><b>　　//會由硬件清零</b></p><p>　　TR0 = 0;

86、 //停止計數(shù)</p><p>　　if(1 != g_flag)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　g_Ftmp = g_T0count * 65535;</p><p>　　g_Ftmp += (unsigned int)(TH0<<8)+TL0;</p&

87、gt;<p>　　g_flag = 2;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　g_flag = 0;</p><p><b&

88、gt;　　}</b></p><p><b>　　TH0 = 0;</b></p><p><b>　　TL0 = 0;</b></p><p>　　g_T0count = 0;</p><p>　　TR0 = 1; //啟動定時器進行下一周期測頻</p

89、><p><b>　　}</b></p><p>　　void T0ISR( void ) interrupt 1 //定時器0溢出中斷服務(wù)函數(shù)</p><p>　　{TH0 = 0; </p><p><b>　　TL0 = 0;</b></p><p>　　g_T0c

90、ount++;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void TFInit( void ) //初始化函數(shù)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　EX0 = 1; //使能外部中斷0</p><p>　

91、　IT0 = 1; //外部中斷0觸發(fā)方式為邊沿觸發(fā) 高-->低</p><p>　　ET0 = 1; //使能T0溢出中斷</p><p>　　PX0 = 1; //外部中斷0為高優(yōu)先級</p><p>　　PT0 = 0; //定時器0溢出中斷為低優(yōu)先級</p><p>　　TMOD = 0x01;

92、 //屏蔽T1,GATE = 0: 軟件控制TR0啟動定時器</p><p>　　// C/T = 0: T0工作在定時器方式</p><p>　　// M1\M0= 01:T0工作方式為16位定時器</p><p>　　TF0 = 0; //清零標志位,T0溢出中斷請求</p><p>　　IE0 = 0;

93、 //清零標志位，外部中斷標志位</p><p><b>　　TH0 = 0; </b></p><p><b>　　TL0 = 0;</b></p><p>　　g_T0count = 0;//定時器溢出次數(shù)初始化</p><p>　　g_Ftmp = 0;</p><

94、p>　　g_CountMinu = 0;</p><p>　　g_Ftmp_All = 0;</p><p>　　g_flag = 1; //標志位初始化</p><p>　　EA = 1; //充許全局中斷</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void G

95、etFreq( void ) //求頻率</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned char i;</p><p>　　g_Ftmp_All = 0;</p><p><b>　　EA = 1;</b></p><

96、p>　　for(i=0; i<TF_TIMES; i++) //統(tǒng)計TF_TIMES次T之和</p><p><b>　　{</b></p><p>　　while(2 != g_flag || 1 == g_flag);</p><p>　　g_flag = 0;</p><p>　　LC

97、D_Showchar(31, i+49);</p><p>　　g_Ftmp_All += g_Ftmp; //每個時鐘周期為1us </p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　EA = 0;</b></p><p>

98、;　　g_flag = 1;</p><p>　　g_Ftmp = g_Ftmp_All/TF_TIMES;</p><p>　　g_CountMinu = (60*1000000)/g_Ftmp;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void main()</p><p&g

99、t;<b>　　{</b></p><p><b>　　TFInit();</b></p><p>　　LCD_init();</p><p>　　LCD_Showstring(0 , string1);</p><p>　　GetFreq();</p><p>　　TS16

100、02DisInt(22, g_CountMinu);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　附錄4 液晶驅(qū)動程序</p><p>　　#include <reg52.h></p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>

101、　　sbit LCD_RS = P2^5;</p><p>　　sbit LCD_RW = P2^6;</p><p>　　sbit LCD_EN = P2^7;</p><p>　　#define LCD_Bus P0</p><p>　　void LCD_init();</p><p>　　void LCD_Sh

102、owchar(unsigned char position , unsigned char z);//顯示字符函數(shù)，并指定相應的位置</p><p>　　void LCD_Showstring(unsigned char line , unsigned char str[]);//顯示字符串，并指定相應的行</p><p>　　void TS1602DisInt (unsigned cha

103、r X, unsigned long Num );</p><p>　　void delay(unsigned char t)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned char i , j , k;</p><p>　　for(i=0;i<t;i++)</p>&

104、lt;p>　　for(j=0;j<2;j++)</p><p>　　for(k=0;k<255;k++);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　//------寫命令子函數(shù)</p><p>　　void WriteCode(unsigned char c)</p>

105、<p><b>　　{</b></p><p><b>　　delay(5);</b></p><p>　　LCD_RS=0;//低電平有效時寫命令，選擇指令寄存器</p><p>　　LCD_RW=0; //RW=0，選擇寫模式</p><p>　　delay(10);</p&g

106、t;<p><b>　　LCD_EN=1;</b></p><p>　　LCD_Bus=c;</p><p>　　delay(10);</p><p>　　LCD_EN=0; //lcd使能端，當是下降沿的時候?qū)憯?shù)據(jù)和命令</p><p><b>　　}</b></p>

107、;<p>　　//-----寫數(shù)據(jù)子函數(shù)</p><p>　　void WriteData(unsigned char w)</p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　delay(5);</b></p><p>　　LCD_RS=1; //選擇數(shù)據(jù)寄存

108、器</p><p>　　LCD_RW=0; //選擇寫模式</p><p>　　delay(10); </p><p><b>　　LCD_EN=1;</b></p><p>　　LCD_Bus=w;</p><p>　　delay(10);</p><p><b

109、>　　LCD_EN=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　//顯示字符子程序，同時寫上要顯示的位置和要顯示的字符</p><p>　　void LCD_Showchar(unsigned char position,unsigned char z )</p><p>

110、<b>　　{</b></p><p>　　unsigned char p;</p><p>　　if(position<16)</p><p>　　p=position+0x80;</p><p><b>　　else</b></p><p>　　p=position

111、+0xB0; </p><p>　　WriteCode(p);</p><p>　　WriteData(z);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　//顯示字符串的程序，同時寫上要顯示第幾行和字符串的名字</p><p>　　void LCD_Showstring(u

112、nsigned char line , unsigned char str[])</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned char i , j;</p><p>　　i=line*0x10;</p><p>　　for(j=0;str[j]!='\0';j++)<

113、;/p><p>　　LCD_Showchar(i++,str[j]);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*******************在特定位置顯示整數(shù)***********************/</p><p>　　void TS1602DisInt (unsigned char

114、X, unsigned long Num )</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned char i = 0, a[7];</p><p><b>　　do</b></p><p><b>　　{</b></p><p&g

115、t;　　a[i++] = Num%10;</p><p>　　Num = Num/10;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　while(Num);</p><p>　　for( ; i; )</p><p><b>　　{</b></p>

116、<p>　　LCD_Showchar(X++,a[--i]+48);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　//------液晶初始化函數(shù)-----</p><p>　　void LCD_init(void)</p&g

117、t;<p><b>　　{</b></p><p>　　delay(10);</p><p>　　WriteCode(0x80);</p><p>　　WriteCode(0x01); //應該先清屏并復位光標</p><p>　　WriteCode(0x38); //設(shè)置8位，

118、2行，5X7點陣</p><p>　　WriteCode(0x0C); //開顯示器， 開啟光標，且光標允許閃爍</p><p>　　WriteCode(0x06); //文字不動，光標自動右移</p><p>　　//寫入顯示起始地址</p><p><b>　　}</b></p>