智能脉搏计的系统设计

江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 1 页 共 44 页 智能脉搏记录仪设计 摘要 脉搏测量仪在日常生活中已经得到广泛的应用 为了提高脉搏测量的简 便性和精确度 本文介绍一款以 AT89S52 单片机为核心控制模块的智能脉博记录仪 该仪器通过红外发射管 FBCB30 与红外接收管 TBBB30 组成的光电传感器采集脉搏模 拟信号 利用 LM358 芯片构成的放大整形电路将采集到的模拟信号处理成数字信号送 给单片机处理 通过 LCD1602 液晶屏将单片机处理后得到每分钟的脉搏跳动次数显示 出来 经过多次实验表明 该仪器较为精确的测量出人体一分钟内脉搏跳动次数 而 且操作方便简洁 关键词 AT89S52 脉搏测量 信号处理 计数 The Design of Intelligent Pulse Recorder Abstract Pulse measuring instrument in daily life has been widely used In order to improve the simplicity and definition this paper introduces a AT89S52 microcontroller as the core control module intelligent pulse recorder The instrument FBCB30 and the infrared receiving tube photoelectric sensor acquisition pulse TBBB30 composed of analog signal through the infrared emission tube using the LM358 chip shaping circuit consisting of the collected analog signal into digital signal to the microcontroller processing the microcontroller via LCD 1602 obtained after processing the pulse beats per minute is displayed After several experiments show that the instrument is more accurately measure the human pulse beats a minute and the operation is simple and convenient Key words AT89S52 microcontroller Pulse measuring Signal Processing Count 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 2 页 共 44 页 目 录 前 言 1 第 1 章 系统总体设计 3 1 1 系统设计方案确定 3 1 2 系统模块设计方案论证 4 1 3 系统技术指标 5 第 2 章 系统硬件设计 6 2 1 主控制模块 6 2 1 1 AT89S52 芯片简介 6 2 1 2 单片机最小系统设计 10 2 2 脉搏感应模块 12 2 2 1 光电传感器简介 12 2 2 2 信号采集电路 13 2 3 信号处理模块 15 2 3 1 LM358 芯片简介 15 2 3 2 低通滤波放大电路设计 16 2 3 3 整形电路设计 18 2 4 脉搏跳动提示模块 19 2 5 LCD 显示模块 20 2 5 1 LCD1602 简介 20 2 5 2 LCD1602 显示电路设计 22 2 6 测量结束提示模块 23 2 7 电源电路设计 24 第 3 章 系统软件设计 25 3 1 主程序设计 25 3 2 外部中断子程序设计 26 3 3 定时中断服务子程序设计 27 3 4 LCD 显示子程序设计 28 第 4 章 系统调试 29 4 1 硬件调试 29 4 2 软件调试 30 4 3 误差分析 30 第 5 章 总结 32 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 3 页 共 44 页 参考文献 33 致 谢 35 附录一 电路原理图 36 附录二 PCB 图 37 附录三 实物图 38 附录四 元器件清单 39 附录五 程序清单 40 前 言 脉搏每分钟跳动次数和频率可以反映出人身体的健康状况 在我国中医 望 闻 问 切 四诊中 脉诊占据着重要的位置 脉诊作为我国传统医学中最具特色的一项 绿色无创 诊断的手段和方法 引起了国内外人士的广泛关注 虽然脉诊以简便 无创 无痛的特点为广大患者所接受 但是中医的医师靠手指获取脉搏信息的方法 在长期的医疗实践中存在一定的局限性 1 首先 医生切脉时单凭手指感觉和经验来 辨别脉象的特征 表述过程中难免存在许多主观臆断因素 不能规范地判断脉象 其 次 用手指切脉的技巧难以掌握 感知的脉象难以记录和保存 对脉象机理的研究产 生影响 脉诊的这种定性化和主观性 影响了脉搏测量的精度与可行性 很大程度上 制约了中医脉诊的应用 发展和交流 为了提高诊脉的精确度和规范化 需要将诊脉 与现代科学技术结合起来 使得脉诊结果更加准确 切脉的方式更加便捷 随着科学技术的飞速发展 脉搏测量技术也逐渐成熟 对脉搏的测量精度要求也 越来越高 国内外先后研制了各种类型的脉搏测量仪 其中脉搏测量的关键是脉搏传 感器的研究 如今 脉搏传感器主要分为接触式脉搏传感器和非接触式脉搏传感器 利用接触式脉搏传感器所研制的脉搏测量仪各有其优缺点 指夹式脉测量仪比较方便 简单 但手指上的汗腺较多 常年使用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 但耳脉信号较弱 尤其是当季节变化时 所测信 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 4 页 共 44 页 号受环境温度影响明显 造成测量结果不准确 人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张 血流压力以波的形式从 主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播 这种波称为脉搏波 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 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 近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器 其中以光 电式脉搏传感器的发展为主 光电式传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器 通 过对手指末端透光度的监测 间接检测出脉搏信号 具有结构简单 无损伤 精度高 可重复使用等优点 通过光电式脉搏传感器所研制的脉搏测量仪已经应用到临床医学 等各个方面并收到了理想效果 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 因此 必须经过放大和后级滤波以满足 采集的要求 本课题设计是一个智能脉搏记录仪系统 利用人体血液循环对光的吸收与衰减呈 周期性变化的原理来测量人体的脉搏 通过红外光电传感器采集人体脉搏信号 转换 为模拟信号 经过滤波 放大整形电路处理成可供单片机使用的数字信号 单片机对 信号计算并通过 LCD 液晶屏显示每分种脉搏跳动的次数 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 5 页 共 44 页 第 1 章 系统总体设计 1 1 系统设计方案确定 智能脉搏记录仪系统的设计 通过采集人体脉搏跳动变化引起的一些生物信号 使之转化为可以被测量的物理信号 这些变化的物理信号能够反应人体脉搏的变化 通过后级滤波 放大及整形的方法对转化后的低频微弱物理信号进行处理 处理后的 信号送入单片机 单片机将计算得出的每分钟脉搏跳动次数输出到液晶屏上显示 设 计的实现 需要运用相应的硬件电路及芯片来处理变化的物理信号并存储脉搏次数 可以根据脉搏信号转化成电信号的思路开始本次设计 通过硬件电路设计和软件编程 来实现智能脉搏记录仪的功能要求 根据上面所述 本次智能脉搏记录仪的设计主要分为以下几个模块 单片机控制 模块 脉搏感应模块 信号处理模块 测量结束提示模块 脉搏跳动提示模块 LCD 显示模块 电源电路模块 晶振模块 复位电路模块 整体系统结构如图 1 1 所示 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 6 页 共 44 页 单片机控制模块 脉搏感应模块 晶振模块 信号处理模块 脉搏跳动提示模块 测量结束提示模块 电源电路模块 复位模块 LCD显示模块 图 1 1 系统框图 图 1 1 中 系统各模块功能如下 脉搏感应模块 采用红外发射接收对管对人体手指之间的脉搏信号进行检测与采 集 将非电量的脉搏信号转化成电信号 信号处理模块 转化后的模拟信号经过低通滤波 放大电路和整形电路的处理 使之转变成能够供单片机使用的数字信号 脉搏跳动提示模块 处理后的数字信号通过对 LED 发光二极管的点亮和熄灭的方 式 提示脉搏跳动的状态 单片机控制模块 单片机作为主控制模块对传递进来的数字信号进行定时 计数 及运算处理 计算出每分钟脉搏跳动的次数 测量结束提示模块 当一次脉搏计数结束后 该模块中的蜂鸣器就会导通 提示 本次脉搏测量结束 LCD 显示模块 采用 LCD1602 显示每分钟脉搏跳动的次数 电源电路模块 产生直流 5V 电压给其它电路供电 复位模块 采用复位电路为单片机实现上电复位和手动复位功能 晶振模块 采用晶振电路为单片机提供时钟频率 1 2 系统模块设计方案论证 1 单片机控制模块方案 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 7 页 共 44 页 方案一 采用 AT89S52 单片机 AT89S52 单片机是一种低功耗 高性能 CMOS 8 位微控制器 具有 8K 在系统可 编程 Flash 存储器 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程 亦适于常规编程器 在 单片机芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使得 AT89S52 单片机为 众多嵌入式控制应用系统提供高灵活 超有效的解决方案 方案二 采用 FPGA 单片机 FPGA Field Programmable Gate Array 即现场可编程门阵列 它是在 PAL GAL CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物 它是作为专用集成电路 ASIC 领域中的一种半定制电路而出现的 既解决了定制电路的不足 又克服了原 有可编程器件门电路数有限的缺点 本设计采用方案一 选用 AT89S52 单片机作为主控制模块 因为 FPGA 可编程器 件接口复杂 操作繁琐 AT89S52 单片机使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术 制造 与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容 功耗低 操作简单方便 易于实现 2 脉搏感应模块方案 方案一 HK 2000A 集成化脉搏传感器 HK 2000A 集成化脉搏传感器采用高度集成化工艺 将力敏元件 PVDF 压电膜 灵敏度温度补偿元件 感温元件 信号调理电路集成在传感器内 HK 2000A 集成化 脉搏传感器的原理是采集信号 输出的模拟信号同步于脉搏波动的脉冲信号 脉搏波 动一次 输出一个正脉冲 该产品可用于脉率检测 如运动 健身器材设备中的心率 测试 方案二 光电传感器 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件 它是把光信号 红外 可见及紫外光辐射 转变成为电信号的器件 光电式传感器是以光电器件 作为转换元件的传感器 它可用于检测直接引起光量变化的非电量 如光强 光照 度 辐射测温 气体成分分析等 可以利用红外光电元器件接收脉搏信号并转换成 电信号 本设计采用方案二作为脉搏感应模块的控制模块 HK 2000A 集成化脉搏传感 器 集成化程度高 工作过程复杂 价格比较高 光电传感器有 精度高 反应快 非接触等优点 而且可测参数多 传感器的结构简单 形式灵活多样 价格比较便 宜 操作方便 在检测和控制中应用非常广泛 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 8 页 共 44 页 1 3 系统技术指标 本课题设计要求具体技术指标如下 1 实现一分钟脉搏跳动次数的测量 并显示其数值 2 测量误差小于等于 3 次每分钟 3 在脉搏测量时要有脉搏跳动指示 4 设计功耗低 体积小 交互性强 第 2 章 系统硬件设计 FBCB30 TBBB30红外发射 接收对管采集脉搏信号 AT89S52单片机LCD1602显示 蜂鸣器测量结束提示 LM358构成低通滤波放 大 整形处理 LED脉搏指示灯跳动 图 2 1 系统硬件框图 图 2 1 系统硬件框图中 光电传感器红外发射管 FBCB30 发射的红外线透过手指 指尖组织 由红外接收管 TBBB30 接收脉搏信号 转化为电信号后经过由运算放大器 LM358 构成的低通滤波放大电路 滤除高频信号并放大输入的电压 再通过由运算放 大器 LM358 构成的电压比较器对放大好的信号进行整形 比较器将模拟信号整形成数 字信号 整形好的数字信号一路送入 LED 脉搏指示电路 根据脉搏跳动节奏闪烁 另 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 9 页 共 44 页 一路送入 AT89S52 单片机 P3 2 口 单片机对脉冲信号计数和运算 最后 把计算的结 果输出到 LCD1602 液晶显示 脉搏测试结束后蜂鸣器提示测量完成 2 1 主控制模块 2 1 1 AT89S52 芯片简介 单片微型计算机简称单片机 是典型的嵌入式微控制器 Microcontroller Unit 常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机 单片机又称单片微控制器 它不是完成某一个 逻辑功能的芯片 而是把一个计算机系统集成到一个芯片上 单片机由运算器 控制 器 存储器 输入输出设备构成 相当于一个微型的计算机 最小系统 与计算机 相比 单片机缺少了外围设备等 单片机的体积小 质量轻 价格便宜 为学习 应 用和开发提供了便利条件 同时 学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选 择 AT89S52 系列是 AT89 系列中新推出的高档型系列 在这个系列中 目前已推出 4 种产品 AT89S51 是这个系列的基本型 AT89S52 是本系列的增强型 存储器容量 扩大了一倍 增加了两个中断源 16 位定时 计数器 增加了一个功能极强的定时 计 数 2 AT89S52 单片机是一种低功耗 高性能 CMOS 8 位微控制器 具有 8K 在系统 可编程 Flash 存储器 2 使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造 与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容 AT89S52 单片机在众多嵌入式控制应用系统中得到 广泛应用 AT89S52 单片机引脚图如图 2 2 所示 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 10 页 共 44 页 图 2 2 AT89S52单片机引脚图 1 AT89S52 单片机的主要性能参数如下 1 8 位字长 CPU 2 振荡器和时钟电路 全静态操作 0 33MHz 3 片内 256 字节 RAM 数据存储器 4 片内 8K 字节系统内可编程 Flash 存储器 5 4 个 8 位并行 I O 端口 P0 P1 P2 P3 共 32 线 6 3 个 16 位的定时器 计数器 7 全双工 UART 串行口通道 8 ISP 端口 9 定时监视器 看门狗 10 双数据指针 DPTR 11 20 多个特殊功能寄存器 12 电源下降标志 2 AT89S52 引脚功能说明 VSS GND 电源地电平 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 11 页 共 44 页 VCC 电源供电电压 4 5V P0 口 P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I O 口 作为输出口 每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平 对 P0 端口写 1 时 引脚用作高阻抗输入 当访问外部程序和数据 存储器时 P0 口也被作为低 8 位地址 数据复用 在这种模式下 P0 具有内部上拉电 阻 在 flash 编程时 P0 口也用来接收指令字节 在程序校验时 输出指令字节 程序 校时 需要外部上拉电阻 P1 口 P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P1 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为 输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL 此外 P1 0 和 P1 2 分别作定时器 计数器 2 的外部计数输入和时器 计数器 2 的触发输入 P1 口引脚第二功能 P1 0 定时器 计数器 T2 的外部计数输入 时钟输出 P1 1 定时器 计数器 T2 的捕捉 重载触发信号和方向控制 P1 5 在系统编程用 P1 6 在系统编程用 P1 7 在系统编程用 P2 口 P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P2 口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为输入 口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器 P3 口 P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平 P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能 第二功能 在 flash 编程和校 验时 P3 口也接收一些控制信号 P3 口引脚第二功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INTO 外中断 0 P3 3 INT1 外中断 1 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 12 页 共 44 页 P3 4 TO 定时 计数器 0 P3 5 T1 定时 计数器 1 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 RST 复位输入 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将是 单片机复位 ALE PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时 ALE 地址锁存允许 输 出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节 一般情况下 ALE 仍以时钟振荡频率的 1 6 输出 固定的脉冲信号 因此它可对外输出时钟或用于定时目的 要注意的是 每当访问外 部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲 对 flash 存储器编程期间 该引脚还用于输入 编程脉冲 PROG 如有必要 可通过对特殊功能寄存器 SFR 区中的 8EH 单元的 D0 位置位 可禁止 ALE 操作 该位置位后 只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激活 此外 该引脚会被微弱拉高 单片机执行外部程序时 应设置 ALE 禁止位 无效 PSEN 程序储存允许 PSEN 输出是外部程序存储器的读选通信号 当 AT89S52 由外部程序存储器取指令 或数据 时 每个机器周期两次 PSEN 有效 即 输出两个脉冲 在此期间 当访问外部数据存储器 将跳过两次 PSEN 信号 EA VPP 外部访问允许 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 EA 端必须保持低电 平 接地 需注意的是 如果加密位 LB1 被编程 复位时内部会锁存 EA 端状态 如 EA 端为高电平 接 Vcc 端 CPU 则执行内部程序存储器的指令 FLASH 存储器 编程时 该引脚加上 12V 的编程允许电源 Vpp 当然这必须是该器件是使用 12V 编程 电压 Vpp XTAL1 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 寄存器 并不是所有的地址都被定义了 片上没有定义的地址是不能用的 读这 些地址 一般将得到一个随机数据 写入的数据将会无效 用户不应该给这些未定义 的地址写入数据 1 由于这些寄存器在将来可能被赋予新的功能 复位后 这些位 都为 0 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 13 页 共 44 页 2 1 2 单片机最小系统设计 单片机最小系统由单片机的时钟电路和复位电路构成 单片机最小系统如图 2 3 所示 图 2 3 单片机最小系统 图2 3是单片机最小系统电路连接图 单片机的最小系统中18引脚和19引脚接时钟 电路 X1接外部晶振和电容的一端 X2接外部晶振和电容的另一端 第9引脚为复位输 入端 接上电容 电阻后能够上电复位 20引脚为接地端 40引脚为电源端 复位电路采 用手动复位方式 3 时钟电路以及复位电路设计如下 1 时钟电路设计 时钟电路就是产生像时钟一样准确的振荡电路 任何工作都按时间顺序 然而用 于产生这个时间的电路就是时钟电路 一般由晶体振荡器 晶震控制芯片和电容组成 因此 时钟频率直接影响单片机的速度 时钟电路的质量也直接影响单片机系统稳定 性 XTAL1 XTAL2 分别是系统时钟信号的输入输出端 在 XTAL1 XTAL2 的引脚 上外接定时原件 内部振荡器能产生自激振荡 定时原件可以采用石英晶体和电容组 成的并联谐振电路 电容的值通常选择 20 60pF 左右 该电容大小会影响振荡器频率 的高低 振荡器的稳定性 起振的快速性和温度的稳定性 考虑原件引脚的等效输入 电容 两个 22pF 的电容构成晶振的振荡电路是比较好的选择 晶振的振荡器频率的范围通常在 1 2 12MHz 之间 晶体的频率越高 则系统的 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 14 页 共 44 页 时钟频率也就变高 单片机的运行速度也就越快 但反过来运行速度快 对存储器的 速度要求就高 对印刷电路板的工艺要求也高 即要求浅间的寄生电容要小 晶体和 电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近 以减少寄生生活 更好的保证振荡器稳定 可靠地工作 本设计采用 12MHz 晶振 Y1 一个机器周期是 1us 并联两个 22pF 瓷片电 容 C2 及 C3 构成时钟电路 单片机晶振电路如图2 4所示 图 2 4 单片机晶振电路 2 复位电路设计 为保证系统电路工作稳定 程序正常运行 单片机外接复位电路 需要两个机器 周期 复位电路如图 2 5 所示 图 2 5 单片机复位电路 在图 2 5 中 电容 C1 为 10uF 电阻 R2 为 10K 复位时间T r C1 其中的电 阻 r 为单片机内置的 10K 电阻 则复位时间为 100ms 当 VCC 上电瞬间 电容 C1 充电电流最大 电容相当于短路 RESET 端为高电平 单片机自动复位 当电容 C1 两端的电压达到电源电压时 电容C1 充电电流为零 电容 C1 相当于开路 RESET 端为低电平 单片机开始正常工作 工作期间 当按下按键 S 时 开关导 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 15 页 共 44 页 通 这个时候电容两端形成了一个回路 复位时间 T R2 C1 则复位时间为 100ms 所以在按键按下的这个过程中 电容开始释放之前充的电量 随着时间的推移 电容 的电压在 0 1S 内 从 5V 释放到变为了 1 5V 甚至更小 根据串联电路电压为各处之 和 这个时候 10K 电阻两端的电压为 3 5V 甚至更大 所以 RESET 引脚又接收到高 电平 单片机系统自动复位 2 2 脉搏感应模块 2 2 1 光电传感器简介 1 光电传感器原理 根据朗伯 比尔定律 物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比 当恒定波长 的光照射到人体组织上时 通过人体组织吸收 反射衰减后测量到的光强 将在一定 程度上反映了被照射部位组织的结构特征 手指组织可以分成皮肤 肌肉 骨骼等非 血液组织和血液组织 其中非血液组织的光吸收量是恒定的 而在血液中 静脉血的 搏动相对于动脉血是十分微弱的 可以忽略 因此 可以认为光透过手指后的变化仅 由动脉血的充盈而引起的 在恒定波长的光源照射下 通过检测透过手指的光强可以 转变为人体的脉搏信号 4 当血液送到人体组织时 组织的半透明度减小 当血液流回心脏 组织半透明度 则增大 这种现象在人体组织较薄的手指尖 耳垂等部位最为明显 因此 根据以上 原理 本设计将 3mm 红外发射管 FBCB30 产生的红外线照射到人体的手指指尖部位 经过手指组织的反射和衰减 由装在该部位旁边的 3mm 红外接收管 TBBB30 接收其透 射光并把它转换成电信号 由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化 所以它对光的反射和衰减也是周期性脉动的 于是 红外接收管输出信号的变化也就反 映了动脉血的脉动变化 只要将转换成的电信号进行滤波 放大整形 计数和显示 即可实时的测出脉搏的次数 2 光电传感器结构 光电传感器由 3mm 红外发射管 FBCB30 和 3mm 红外接收管 TBBB30 组成 采用 3mm 红外发射管作为发射端时 从红外发射管发出的红外线除被手指组织吸收以外 一部分由血液漫反射返回 其余部分透射出来 红外接收管接收透过指尖透射出来的 光信号转换为电信号 5 本系统采用红外发射管与红外接收管的距离相等并且对称布 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 16 页 共 44 页 置 这种方法可较好地反映出心律的时间关系 实现了光电隔离 减少了对后级模拟电 路的干扰 光电传感器结构如图 2 6 所示 图 2 6 透射式光电传感器 2 2 2 信号采集电路 本设计采用红外线发射管和红外发射接收管采集脉搏信号 并将采集到的脉搏信号 转化为电信号供下级电路处理 具体电路如图 2 7 所示 图 2 7 信号采集电路 图 2 7 是脉搏信号的采集电路 主要是用 3mm 红外发射管和 3mm 红外接收管装置 检测脉搏信号 将检测到的信号 Ui 加到放大整形电路输入端 Uo1 因为 Ui 中可能存在 高频谐波 高频谐波会对测量结果产生影响 所以 设计添加一级由 R7 和 C5 构成的 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 17 页 共 44 页 RC 低通滤波电路将高次谐波滤除 1 限流电阻 R5 及 R6 设计 首先 红外发射管的工作电流一般小于 20mA 根据电源电压 VCC 为 5V 可以计 算出 R5 的值应大于 250 欧姆 其次 经多次测试发现 当红外发射二极管中的电流越 大时 发射角度越小 产生的发射强度就越大 基于红外接收管感应红外光灵敏度考虑 若 R5 设计过大 通过红外发射管的电流偏小 红外接收管无法区别有脉搏和无脉搏时的 信号 反之 若 R5 设计过小 通过的红外发射管电流偏大 红外接收管也不能准确地 辨别有脉搏和无脉搏时的信号 6 经过多次实际测试 R5 最终取值为 360 欧姆 R6 的取值只要满足流过红外接收管的额定电流小于 20mA 在满足条件的范围内 R6 的 取值电路的影响不大 本次设计采用 20K 的电阻 R6 2 滤波参数 R7 及 C5 设计 经多次测试得出 人体运动时的脉搏接近 200 次 分钟时 频率约为 3 33Hz 所以 由 R7 和 C5 构成的滤波器要初步滤除高于 3 3Hz 的高频谐波 2 1 RC f 2 1 0 式 2 1 为截止频率公式 由式 2 1 来确定 R7 和 C5 的取值 本次设计采用 68K 的电阻 R7 1uF 的电容 C5 根据式 2 1 可算出截止频率为 2 34Hz 左右 2 3 信号处理模块 2 3 1 LM358 芯片简介 LM358 芯片内部包括有两个独立的 高增益 内部频率补偿的双运算放大器 适 合于电源电压范围很宽的单电源使用 也适用于双电源工作模式 在推荐的工作条件 下 电源电流与电源电压无关 它的使用范围包括传感放大器 直流增益 模组 音频 放大器 工业控制 DC 增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场 合 7 LM358 的封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式 LM358 芯片结构如图 2 8 所示 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 18 页 共 44 页 图 2 8 LM358 芯片结构 1 LM358 性能参数 1 大直流电压增益 100dB 2 低输入偏置电流 20 nA 3 低输入失调电压 2mV 4 低输入偏置电流 2 nA 5 单位增益频带宽 1 MHz 6 大输出电压摆幅 0 V 至 1 5V 7 电源电压范围宽 单电源 3V 至 30V 2 引脚功能如表 2 1 所示 表 2 1 LM358 引脚功能说明 引脚功能 1输出 1 2反相输入 1 3非反相输入 1 4 VCC 5非反相输入 2 6反相输入 2 7输出 2 8 VCC 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 19 页 共 44 页 2 3 2 低通滤波放大电路设计 低通滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利通过 而另外一部分频率的 信号则受到较大的抑制 滤波器实质上是一个选频电路 所以也称选频装置 本次设 计的低通滤波放大电路 滤除 Uo1 中的高频谐波 对微弱的 Uo1 信号进行放大处理 8 整体滤波放大电路如图 2 9 所示 图 2 9 低通滤波放大电路 1 滤波电路设计 图 2 9 中 经过 R7 和 C5 构成的滤波器 初步滤除高频谐波信号后 从 Uo1 输入 端加到运算放大器的正相输入端 3 脚 因为 初步滤除的信号中仍存在高频谐波信号 和一些过低的低频谐波信号 不足以达到脉搏测量的低频要求 所以 需要在设计一 个由 R8 和 C6 构成的低通滤波电路 进一步滤除高频谐波信号和一些频率过低的低频 谐波信号 因为 人体在安静时的脉搏跳动大约是 50 次 分钟 频率约为 0 78Hz 人体在剧 烈运动时脉搏跳动大约在 200 次 分钟 频率约为 3 3Hz 9 所以 本设计需要滤除高 于 3 3Hz 和低于 0 78Hz 的谐波信号 根据式 2 1 可以算出截止频率的取值范围 0 78Hz 3 3Hz 0 f 2 2 RC 式 2 2 为时间常数公式 经计算可得 0 047s 25000 temp temp 1 temp清零 脉搏计 数清零 Y N 图 3 3 定时中断服务子程序流程图 图3 3为定时中断服务子程序的流程图 该程序是用来判断进入系统的是否是脉搏 信号 首先对定时器进行初始化 设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器模式 并 设置定时器T0初值为FC18H 定时时间为1Ms 当人的手指没有放在传感器指定位置 时 上电后传递到单片机中信号并不是脉搏信号 对测量结果会产生影响 所以 本 设计需编写中断服务子程序用来判断输入单片机的信号是否为脉搏信号 当时间变量 temp25000时 24 人体的脉搏一般不小于24次每分钟 说明进入单片机的 temp 600000 不是脉搏信号 时间变量temp清零 脉搏计数停止 当时间变量temp24 说明进入单片机的是脉搏信号 执行外部中断子程序 脉搏计数开始 temp 600000 3 4 LCD 显示子程序设计 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 31 页 共 44 页 开始 返回 LCD初始化 显示位置定位 LCD显示 读取脉搏数 图3 4 LCD显示子程序流程图 图 3 4 为 LCD 显示流程图 该程序用于显示每分钟脉搏跳动次数的显示 首先对 LCD1602 初始化 初始化包括设置 LCD1602 为 8 位并行接口方式 定义基本指令操作 然后打开显示并清除 LCD1602 中的所有内容 避免之前的程序影响本次显示 17 最 后对显示内容的位置定位 即安排显示内容的位置 LCD1602 可以显示两行字符 每 行可显示 8 个字符 第一行起始地址为 0 x80 第二行起始地址为 0 x90 知道每行的起 始地址后即可方便地给要显示的内容进行位置定位 本设计中设置 LCD1602 第一行显 示 mai bo ce shi 第二行显示 min 第 4 章 系统调试 4 1 硬件调试 1 检查电路板 1 根据所设计的电路图纸 仔细检查本次设计所需的元器件是否全部准确地焊 接到电路板上 焊接点有无虚焊 漏焊的现象 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 32 页 共 44 页 2 利用万用表测试地线和电源之间是否存在短路现象 以及各关联元器件之间 是否通路 该过程中不能对元器件进行插拔等带电操作 上电检查时注意元器件有无 发烫等异常现象 如果有必须立即断电检查 以免烧坏元器件 3 上电后观察 LCD 液晶屏 蜂鸣器 发光二极管是否正常工作 2 电源电路调试 1 将万用表档位调至交流电压档 表笔搭在变压器输出端 当接入 220V 交流 电时 观察万用表的示数是否是交流 6V 如果不是需要更换变压器 2 将万用表档位调至直流电压档 取 20V 量程 表笔搭在输出端和地线之间 观察万用表的示数是否是直流 5V 如果不是 检查电路是否是元器件参数错误 3 红外传感器调试 1 在安装红外发射接收装置的时候 发射管与接收管之间留有一个指尖的距离 以便于测量时手指能放进去 如果距离过大会影响测量的准确度 2 将电源电路加到脉搏电路 将手指放在红外发射管和红外接收管之间 用万 用表检测经过传感器脉搏信号是否转换成电信号 4 低通滤波放大电路调试 1 上电后使用电压表一端接运算放大器的输入并接地 测量此时的输入的电压 值 然后电压表的一端接运算放大器的输出端 另一端接地 测量此时的输出的电压 值 如果没有达到电路中所需的放大倍数 可以通过调节 Rw1来改变放大倍数 2 利用示波器接在运算放大器 U2A 的输出端 观察波形是否是正弦波 调节 Rw1观察正弦波的相位和幅度有无变化 5 电压比较电路调试 1 上电后用万用表的电压档测量运算放大器 U2B 的 6 脚的电压是不是 2 5V 如果不是需查看电路 2 利用示波器检测运算放大器 U2B 的输出端 观察输出波形是否是方波 4 2 软件调试 根据设计要求编制程序 需要对程序各部分进行调试 以确定其在系统中的可靠 性和合理性 1 显示子程序进行调试 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 33 页 共 44 页 脉搏检测电路上电后 对源程序进行编译 可以从液晶屏上看到有相应的字符出 现 能满足预期的设置 若没有出现异常情况 证明显示子程序调试成功 2 外部中断子程序调试 将手指放到红外发射器和接收器之间 脉搏跳动指示灯开始闪烁 一段时间后 听到蜂鸣器报警后 LCD 显示器上显示每分钟脉搏跳动的次数 与实际人体正常跳动 示数误差不大 证明定时中断子程序调试成功 3 定时中断服务子程序调试 电路上电后 手指不放在红外发射器和红外接收器之间 观察此时 LCD 显示器有 没有显示每分钟跳动的次数 如果有 则说明定时中断服务子程序没有准确地识别非 脉搏信号 需对程序进行再编译 4 复位调试 测量一次脉搏结束后 按复位键 观察 LCD 显示器上 min 前的次数有没有清 零 如果没有 说明显示子程序调用有问题 需更改 LCD 显示子程序 4 3 误差分析 为了验证系统的测量精度 本设计采用对比试验进行误差分析 在温度 环境 人体运动状态相同的条件下 利用本次设计的智能脉搏测量仪和医用脉搏计分别对人 体脉搏进行测量 测量方法是采用医用脉搏计测量一组数据 再用所设计的智能脉搏 记录仪测量 5 组数据 脉搏测量试验结果如表 4 1 所示 表4 1 脉搏实验结果 单位 次 分钟 测量的脉搏次 数 实际的脉搏次数 12345 1656464636563 2727071696970 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 34 页 共 44 页 3767675757473 4818080798180 5858383858284 从表 4 1 中数据可以看出 智能脉搏记录仪的测量值与医用脉搏计的测量值之间 误差在 3 次 分钟左右 1 误差出现的原因 1 红外传感器测量时 人手指摆放的位置不同 对信号的采集产生一定影响 2 信号处理电路在处理信号时 传输的信号还残留一些干扰信号 导致误差的 出现 2 改进措施 1 采用灵敏度更高的传感器元件 降低客观因素的影响 2 信号处理电路可以通过添加多级滤波电路对信号中的干扰信号进一步滤除 以提高测量的准确度 第 5 章 总结 本次毕业设计主要研究的是一款基于 AT89S52 单片机控制 能够简易准确地测量 出人体脉搏的智能脉搏记录仪系统 该系统与人们日常生活中手指诊脉的方法相比 脉搏测量的准确度 规范化有了一定的提高 基本解决了传统诊脉中存在的局限性 在这次智能脉搏记录仪的设计过程中 我主要介绍了 AT89S52 单片机的工作原理 及各引脚的功能作用 红外光电传感器的工作原理 低通滤波放大器的工作原理 电 压比较器的工作原理以及 LCD1602 的工作原理 该系统通过红外发射管发射红外线透 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 35 页 共 44 页 过人体手指指尖 由红外接收管接收来采集人体的脉搏信号 脉搏信号经过低通滤波 电路滤除高频谐波信号使低频信号通过 运算放大器则将滤除后的信号进行放大 整 形电路中的电压比较器将放大信号整形为具有高低电平的方波信号送给单片机处理 脉搏跳动指示灯闪烁 提示脉搏测量开始工作 单片机的外部中端口接收数字信号 单片机根据写入的控制程序对进入的每 10 个脉搏信号进行一次时间换算 蜂鸣器提示 脉搏测量结束 LCD1602 显示每分钟脉搏跳动的次数 通过这次毕业设计的制作 我深刻地了解到一个控制系统的实现是如何从资料搜 集 设计构思 硬件设计到实物焊接 软件设计再到软硬件调试 误差分析一步步来 的 让我在实践的基础上巩固了自己的专业知识 培养了自己的动手能力和严谨的态 度 对今后的工作学习有着深远地影响 参考文献 1 程咏梅 夏雅琴 尚岚 人体脉搏波信号检测系统 J 北京生物医学工程 2006 5 520 523 2 刘文 杨欣 张铠麟 基于 AT89C2051 单片机的指脉检测系统的研究 J 医疗装 备 2005 9 9 11 3 万福君 潘松峰 刘芳等 MCS 51 单片机原理 系统设计与应用 M 北京 清华大 学出版社 2008 4 杜晓兰 张永军 陈林等 基于光电传感器的多段脉搏波传播速度检测系统的研 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 36 页 共 44 页 制 J 中国组织工程研究与临床康复 2007 1l 26 5167 5169 5 刘云丽 徐可欣 王玉祥等 微功耗光电式脉搏测量仪 J 电子测量技术 2005 2 30 31 6 杨拴科 模拟电子技术基础 M 北京 高等教育出版社 2003 7 阎石 数字电子技术 第二版 M 北京 高等教育出版社 1998 8 陈勇 赵杭生 差分跳频 G 函数算法的研究 J 通信学报 2006 27 10 100 105 9 王明海 苟彦新 田岩 一种基于小波脊时频分析的差分跳频信号检测方法 J 电 讯技术 2008 48 3 36 90 10 任为民 电子技术基础课程设计第 1 版 M 北京 中央广播电视大学出版社 1997 11 姬军 俞梦孙 向海燕等 基于无线传感器网络的脉搏波传导时间监测系统 J 航天医学与医学工程 2006 19 6 434 437 12 Franklin SS Khan SA Wong ND Is pulse pressure useful in predicting risk for coronary heart disease J The Framingham Heart study Circulation 1999 3 365 384 13 Zhang R Zhang X Liu K Joint iterative demodulationand decoding of differential frequency hopping signals C ICASSP 2007 Honolulu IEEE 2007 649 652 14 陈智 差分跳频通信系统的性能分析 D 成都 电子科技大学 2006 15 王天曦 李鸿儒 电子技术工艺基础 M 北京 清华大学出版社 2004 16 韩文波 光电式脉搏波监测系统 J 长春光学精密机械学院学报 1999 4 10 26 17 李天昀 许漫坤 葛林东 相关跳频转移函数的双随机矩阵模型及其应用 J 电 子与信息学报 2007 29 9 2182 2186 江苏理工学院毕业设计说明书 论文 第 37 页 共 44 页 致 谢 时光如梭 光阴似箭 大学四年的学习生活即将结束 在离开美丽的校园之前 我要向所有教过我的老师 帮助过的我的同学表达我最真挚的感谢 在本次毕业设计