【《脉搏监测仪的硬件和软件设计案例》4200字】

脉搏监测仪的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u23297脉搏监测仪的硬件和软件设计案例 1264641.硬件设计 1219401.１总体电路设计 189131.3信号采集电路模块设计 3153231.3.1光电传感器 3218981.3.2信号放大滤波及整形电路设计 5266931.4液晶显示模块设计 725041.5声光报警模块设计 8184011.6蓝牙通信模块设计 8205241.７按键电路模块设计 9143262.软件设计 10259292.1主程序设计 10151472.2定时器中断程序流程 11153992.3INT中断程序流程 1173512.4显示程序流程 121.硬件设计1.１总体电路设计本设计是以STC89C52单片机为处理核心，通过ST１８８红外反射传感器对脉搏次数进行检测，通过A/D转换将模拟量转换成数字量传输信号至单片机。同时为了使整个设计更加贴合实际，在功能模块上添加了报警电路模块；为了方便人机交互，设计了按键电路模块；为了实时显示系统工作状态，设计了显示电路模块；为了实现远程传输信息功能，添加了蓝牙通信模块，在最大程度上充实本次论题的内容。本次设计基于STC89C52单片机，它的内部定时器不仅可以迅速运算输入的数据，还能根据实际应用进行编程，外围电路构建简洁且整体功能强大，成本低，故障少。单片机的模式设为负跳变中断模式，当传感器检测到的模拟量经A/D转换电路成为脉冲信号后，输入到单机STC89C52的/INTO脚，其工作原理是每次脉冲信号的下降沿到达时触发单片机的中断并开始计时，脉搏信号每到达一次加一，单片机将前五次的脉冲信号数所用时间求取平均值，估算一分钟的脉搏次数，再输送测量结果到LCD1602以显示出来。1.２主控模块设计本次设计的主控模块是以单片机STC89C52为控制器，它的功能是计算由红外传感器检测的经放大整形输出的脉冲电平数，实现方法是将单片机的工作模式设置为负跳变中断触发模式，单片机的内部中断是默认不开放的，当输入的脉冲信号下降边沿到来时内部中断并开始计时，计算五次脉冲信号间隔时间的平均值，以此估算每分钟脉搏数；定时器中断主要是为完成五次脉搏跳动时间的定时功能。通过P0、P1传送测量的脉搏数据到液晶显示模块。单片机的外围电路包括复位电路和晶振电路。其中复位电路是由按键开关和电解电容并联而成，排除电路获得供电后，因干扰导致微控制器程序错乱的情况；晶振电路是由晶振和两个电容并联而成，为单片机提供时钟频率，可通过时钟频率计算单片机内部定时器的基本参数。具体的单片机最小系统原理图如图3-3所示：图3-3单片机最小系统1.3信号采集电路模块设计1.3.1光电传感器本次系统采用了反射式光电传感器，反射式光电传感器ST188结构如图3-4所示，ST188传感器由红外发光二级管和红外接收三极管构成，作用是检测脉搏信号并将其转化为电量信号，反射式光电传感器结构如图3-4所示，该传感器的检测原理是心脏产生周期搏动时，血液被大量挤入动脉系统，血液流动会对应心脏的跳动节拍，当血液浓度改变时人体组织半透明度也会改变，如果血液流回心脏，人体组织的半透明度会增大，血液从动脉根部流向系统时，人体组织半透明度会减小，这种现象会在组织较薄的身体部位更加明显。因此本设计的传感器检测部位为人体的手指部位，发射出的红外光在手指部位干扰光传播路径的情况下会反射到手指旁边的光敏三管再转换为电量信号，手指部位的血液流动特征是随心脏周期律动而产生相应周期变化，那么反射的红外光也是周期性变化的，因此该电信号在转换为脉冲电平后可以反映人体的脉搏信息，通过单片机的计数和显示屏即可实时测量脉搏次数。图3-4反射式光电传感器图3-5为ST188传感器的具体电路图,u2中左图设备既发射红外信号，也接收反射回的红外信号，r10选择470ω同时还是基于红外接收三极管传感器对红外光的灵敏性进行了感应来考虑。手指末端从传感器检测点离开或被检测到比较强的干扰光线时,输入端的直流电压受到影响会发生巨大改变从而产生信号，为了让此种信号不被LM358作为错误的输入信号，选用一个c4耦合电容来隔断此电压变化。图3-5信号采集电路手指末端置于光传播路径时会有两种情况：第一种是无脉期，也就是脉搏跳动的间刻。尽管手指末端阻碍了红外发射发射的红外光传输，但是红外接收管里存在暗电流，会使输出电压较低。第二种是有脉期，当脉搏跳动时，血液流动降低手指组织的透光性，红外接收管的暗电流会因此减小，输出电压随之升高，由于该红外传感器输出信号的频率比较低，其脉冲信号需要经过耦合滤波后消除干扰再输入到线性放大电路的输入端口。1.3.2信号放大滤波及整形电路设计本次设计采用LM358运算放大电路模块，它的功能是放大脉搏信号，滤除干扰信号，实现将微弱脉搏信号这一模拟量转变为可为单片机识别的数字信号的功能，具体电路如图3-6所示。LM358是双运算放大器，有两个独立、高增益、内部频率补偿的运算放大器。适用于电源电压范围很宽的单电源使用，电源的电压的大小并不影响电源耗电情况，也能双电源工作。应用场合包括传感放大器、直流增益模块和所有可用单电源供电的运算放大电路。LM358二运放电路的电源电压上下限值宽，而且静态功率损耗低，还能单电源供电，成本较低，凭借这些优点被普遍运用在各种需要运算放大器的系统中。根据一阶有源滤波电路的传递函数，可得：放大倍数为：200。截止频率为：1.9HZ。根据人体运动后脉搏的跳动特征，将200次、作为低通放大器的设计标准，放大倍数是200倍，截止频率是1.9HZ，满足人体脉搏跳动频率最高值1.3HZ的要求，此设计不仅可以使正常范围内的人体脉搏信号顺利通过，还能尽可能滤除易干扰的较低频率信号。图3-6低通放大电路人体脉搏信号在经过上述低通放大电路后输出的信号为叠加有噪声的脉动正弦波，如下图3-7所示。图3-7脉动正弦波图LM358是电压比较器，它的作用是鉴别和比较输入信号，可以看作是放大倍数接近无穷大的运算放大器，当“+”输入端电压高于“—”输入端电压时，电压比较器输出为高电平，反之输出低电平，将输入的正弦波信号转变为同频率的方波信号，同时发光二极管会跟随闪烁，即其闪烁次数与脉搏跳动次数一一对应，LM358输出的低电平脉冲信号会送到单片机引脚/INTO，开始计算脉搏次数并由LCD1602显示模块向测量者展示测量结果，整形电路输出波形如下图3-8所示。经过比较器LM358的输出波形：图3-8LM358输出波形1.4液晶显示模块设计在单片机上常见的显示模块有数码管显示电路、LCD12684、LCD1602等模块，本次设计采用LCD1602模块，其功能是显示测量的脉搏数据。实物图和电路图如图３－１０所示：（a）LCD1602实物图（b）LCD1602原理图图3-10显示模块实物图和原理图LCD１６０２模块可以显示两行的内容，每行有１６个可以显示字符或者数字的字符液晶显示模块，这些模块的控制原理大多是同样的，LCD１６０２的工作原理是，液晶会随着电压的改变而产生不同的显示效果，根据这个物理特性来将想要形成的图形或者数字展现在特定位置，ASCLL值和字符相对应。ASCLL值与字符是一一对应关系。当系统上电后，实时显示内容，LCD1602能够显示简单的图形，对于轻小型人机交互设计非常方便。液晶显示器具有厚度薄、显示清晰、对比度可调等一系列优点，因此其使用范围十分广泛[4]。1.5声光报警模块设计为了突出本次设计的实用性，在设计时增加了声光报警电路。主要作用是当测试结果超出系统预设值的范围时能够给予使用者提示，它的结构由蜂鸣器、1K限流电阻和PNP型三极管构成。在蜂鸣器的选择上主要有有源和无源型，由于本次设计只需满足警示功能，因此蜂鸣器选择了有源型，也就是通电就会发声，同时采用稳定、常见的PNP三极管进行放大。电路图如图３－１１所示：图3-11报警电路图1.6蓝牙通信模块设计本次设计要求远程监控功能，该功能可以实时传输脉搏测量结果到其他设备上，具有非常重要的实际意义，为此添加了JYD－３０蓝牙模块，其实物图如下图３－１２所示：透传模块符合蓝牙３.０协议标准，它的工作频段是２.４GHZ范围，跟其他的远程监控通信模块比起来有短距离传输、功耗小、功率低、且传输数据快捷、可靠的特点。被普遍使用在各种需要数据传输的产品类型中，如商场所用的POSE机，蓝牙打印机，汽车电子等。它支持Android手机ＳＰＰ通信，可以将脉搏测量仪所测得的数据通过次蓝牙模块传输到安装了相应APP的手机上，以便于医护人员实时远程监控病患的身体状况，具有很大的作用。蓝牙模块LED灯闪烁，连接成功后LED灯为常亮，指尖末端的的脉搏信息就可传输到连接设备上。1.７按键电路模块设计本次设计中增加了按键电路模块，它能提高人机交互和使用的方便性，根据实际情况对系统做出工作模式的改变，按键电路分为矩阵式和独立式，矩阵式按键在满足多按键使用时需要的I／O口却较少，但是设计较为复杂，成本相对较高；而独立式按键运用较为简洁，一个按键对应一个I/O口，成本也较低。本次设计的需求只是设置脉搏测量数据的上下限阈值，当测量结果超出预设阈值时系统蜂鸣器报警，并没有其他的按键功能需求，因此选择了独立按键。其按键电路原理图如图３－１３下所示：图３－１３按键电路原理图2.软件设计软件设计可分为主程序、定时器中断程序、INT中断程序、液晶显示等。本次使用的程序语言为C语言，可读性好，运行速度快，功能强大。本次程序可以测出每分钟脉搏数，自动保存上一次的测量结果，由LCD１６０２液晶屏显示。2.1主程序设计系统按照预设方式运行需要主程序控制，上电后首先进行单片机的初始化，需要设定与定时器、中断、串口相关的特殊功能寄存器，还有连接按键所需I/O口的初始状态及测量脉搏所用的红外发射电路的初始状态，赋初值给内存中所需要的寄存器，由于中断是默认不开放的，还需要打开中断允许、启动定时器等，再开始主程序循环，系统初始化完成以后再进行各外部硬件功能模块控制相应子程序，如定时器中断、外部中断、液晶显示等。该流程图如下图4-1所示:图4-1主程序流程图2.2定时器中断程序流程定时器中断服务程序包括５０ｍｓ计时、按键模块状态监测、脉搏信号是否能被检测到等部分组成，当定时器的中断开始运行，计算每５０ｍｓ内的脉搏信号，如果在１.２５ｓ内未检测到脉搏信号，则LED指示灯不会闪烁，液晶屏也不显示；如果在１．２５ｓ内能够检测到脉搏信号，则计算脉搏的平均间隔时间，以此估算每分钟脉搏跳动次数，并保存在寄存器中。同时测试按键模块是否为复位测试值，如果是复位测试值就能再次测试。2.3INT中断程序流程INT中断程序的功能是测量外部脉搏脉冲信号，它的触发方式