基于单片机设计的脉搏测量仪.docx

基于单片机设计的脉搏测量仪基于单片机设计的脉搏测量仪基于单片机设计的脉搏测量仪基于单片机设计的脉搏测量仪 周 静 0601电气技术 摘 要 医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。为了节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测量10秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以6即得到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高。本文介绍一种用单片机制作的脉搏测量仪，只要人把手指放在传感器内2秒钟就可以精确测量出每分钟脉搏数，测量结果用三位数字显示。 关键词：AT89C2051 单片机 脉搏测量仪 SingleSingleSingleSingle-chip design based on the pulse measuring chip design based on the pulse measuring chip design based on the pulse measuring chip design based on the pulse measuring instrumentinstrumentinstrumentinstrument Zhou Jing 0601 Electrical Technology Abstract: Nurse hospital wants to give in hospital every day the patient takes the pulse to record the patient each minute pulse number, the method is with the hand according to on the patient wrists department artery, carries on the counting according to pulses beat. For the saving of time, will not make 1 minute survey generally, usually will be surveys in 10 seconds time palpitations number, will be multiplied by again the result 6 namely obtains each minute palpitation number, even if will do this is quite time-consuming, moreover the precision will not be high. This article introduced that one kind the pulse measuring instrument which manufactures with the monolithic integrated circuit, so long as the human places the finger in the sensor 2 seconds to be possible the precision measuring each minute pulse number, the measurement result showed with three digit. Key words: AT89C2051 monolithic integrated circuit pulse measuring instrument第一章第一章第一章第一章 引引引引 言言言言 脉搏测量属于检测有无脉博的测量，有脉搏时遮挡光线，无脉搏时透光强，所采用的传感器是红外接收二极管和红外发射二极管。用于体育测量用的脉搏测量大致有指脉和耳脉二种方式。这二种测量方式各有优缺点，指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降；耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确。 从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。几乎世界上所有的民族都用过“摸脉”作为诊断疾病的手段。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此对脉搏波采集和。 处理具有很高的医学价值和应用前景。但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号, 脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号, 必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。 第第第第二二二二章章章章 硬件电路设计硬件电路设计硬件电路设计硬件电路设计 2222.1 .1 .1 .1 AT89C2051AT89C2051AT89C2051AT89C2051主要性能主要性能主要性能主要性能 AT89C2051是ATMEL公司生产的带2K字节闪速可编程可擦除只读存储器(EEPROM)的8位单片机,它具有如下主要特性： （1）和MCS-51产品的兼容 （2）2K字节可重编程闪速存储器 （3）耐久性：1,000写擦除周期 （4）2.7V6V的操作范围 （5）全静态 图2-1 AT89C2051的结构框图 操作：0Hz24MHz 两级加密程序存储器 1288位内部RAM 15根可编程I/O引线 两个16位定时器/计数器 六个中断源 可编程串行UART通道 直接LED驱动输出 片内模拟比较器 低功耗空载和掉电方式和MCS-51产品的兼容 2K字节可重编程闪速存储器 耐久性：1,000写擦除周期 2.7V6V的操作范围 全静态操作：0Hz24MHz 两级加密程序存储器 1288位内部RAM 15根可编程I/O引线 两个16位定时器/计数器 六个中断源 可编程串行UART通道 直接LED驱动输出 片内模拟比较器 低功耗空载和掉电方式 和MCS-51产品的兼容 2K字节可重编程闪速存储器 耐久性：1,000写擦除周期 2.7V6V的操作范围 全静态操作：0Hz24MHz 两级加密程序存储器 1288位内部RAM 15根可编程I/O引线 两个16位定时器/计数器 六个中断源 可编程串行UART通道 直接LED驱动输出 片内模拟比较器 低功耗空载和掉电方式。 2222.2.2.2.2 AT89C2051AT89C2051AT89C2051AT89C2051的结构框图的结构框图的结构框图的结构框图 AT89C2051是一带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储体(EEPROM)的低电压,高性能8位CMOS微型计算机。如图10.2所示。它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS51指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的CPL1和闪速存储器,ATMEL AT89C2051是一强劲的微型计算机,它对许多嵌入式控制应用提供一高度灵活和成本低的解决办法。 图2-2 AT89C2051内部结构图 此外,从AT89C2051内部结构图也可看出,其内部结构与8051内部结构基本一致（除模拟比较器外）,引脚RST、XTAL1、XTAL2的特性和外部连接电路也完全与51系列单片机相应引脚一致,但P1口、P3口有其独特之处。 2222.3333 AT89C2051AT89C2051AT89C2051AT89C2051的引脚说明的引脚说明的引脚说明的引脚说明 AT89C2051是一个有20个引脚的芯片,引脚如图10.1所示,与8051内部结构进行对比可发现,AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口）,使它最大可能地减少了对外引脚,因而芯片尺寸有所减少。 AT89C2051芯片的20个引脚功能为： 1. Vcc：电源电压。 2. GND：地。 3. P1口：P1口是一8位双向I/O口。口引脚P1.2P1.7提供内部上拉电阻。 P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(AIN0)和反相输入（AIN1)。P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。当P1口引脚写入“1”时,其可用作输入端。当引脚P1.2P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而流出电流(IIL)。 P1口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据。 4. P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/0引脚。P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。P3口缓冲器可吸收20mA电流。当P3口引脚写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。用作输入时,被外部拉低的P3口引脚将用上拉电阻而流出电流(IIL)。P3口还用于实现AT89C2051的各种功能,如下表10-1所示。P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 5. RST：复位输入。RST一旦变成高电平,所有的I/O引脚就复位到“1”。当振荡器正在运行时,持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。 6. XTAL1：作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。 7. XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。从上述引脚说明可看出，AT89C2051没有提供外部扩展存储器与I/O设备所需的地址、数据、控制信号,因此利用AT89C2051构成的单片机应用系统不能在AT89C2051之外扩展存储器或I/O设备，也即AT89C2051本身即构成了最小单片机系统。 2222.4.4.4.4 复位电路复位电路复位电路复位电路图2-3 复位电路图 时钟电路工作后，在REST管脚上加两个机器周期的高电平，芯片内部开始进行初始复位（如图23）第第第第三三三三章章章章 基本结构模块基本结构模块基本结构模块基本结构模块 3333.1.1.1.1 脉搏波检测电路脉搏波检测电路脉搏波检测电路脉搏波检测电路 目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：光电容积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。近年来, 光电检测技术在临床医学应用中发展很快, 这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰, 具有很高的绝缘性, 且可非侵入地检测病人各种症状信息。用光电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生物医学仪器工作的专家和学者的重视。本系统设计了指套式的透射型光电传感器, 实现了光电隔离,减少了对后级模拟电路的干扰，结构如图1 所示。 图3-1 透射式光电传感器图 传感器由发光二级管和光敏二极管组成, 其工作原理是: 发光二极管发出的光透射过手指,经过手指组织的血液吸收和衰减，由光敏二极管接收。由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的吸收和衰减也是周期性脉动的, 于是光敏二极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。 3333.2.2.2.2 脉搏信号拾取电路脉搏信号拾取电路脉搏信号拾取电路脉搏信号拾取电路 如图2所示，IClA为单位增益缓冲器，用于产生2.5V的基准电压。红外接收二极管在红外光的照射下能产生电能，单个二极管能产生O.4 V电压，0.5 mA电流。BPW83型红外接收二极管和IR333型红外发射二极管工作波长都是940 nm，在指夹中，红外接收二极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大。在图l中，RO选100 是基于红外接收二极管感应红外光灵敏度考虑的。R0过大，通过红外发射二极管的电流偏小，BPW83型红外接收二极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R0过小，通过的电流偏大，红外接收二极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当红外发射二极管发射的红外光直接照射到红外接收二极管上时，IC1B的反相输入端电位大于同相输入端电位，Vi为“O”。当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期。虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是，由于红外接收二极管中存在暗电流，仍有lA的暗电流会造成Vi电位略低于2.5 V。二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收二极管中的暗电流减小，Vi电位上升。 由此看来，所谓脉搏信号的拾取实际上是通过红外接收二极管，在有脉和无脉时暗电流的微弱变化，再经过IClB的放大而得到的。所拾取的信号为2V左右的电压信号。3333.3.3.3.3 信号放大信号放大信号放大信号放大 按人体脉搏在运动后最高跳动次数达240次/分计算来设计低通放大器，它由IC2A和C04等组成，如图2所示。转折频率由R07、C04、R08和C05决定，放大倍数由R08和R06的比值决定。放大倍数为 H=-R08/