基于单片机的脉搏测量仪设计

目录第1章绪论................................................................1第2章脉搏测量器系统结构..................................................22.1光电脉搏测量器的结构..............................................22.2工作原理...........................................................2第3章硬件系统...........................................................43.1控制器............................................................43.2脉搏信号采集.......................................................43.3信号放大整形.......................................................53.4单片机处理电路.....................................................63.5显示电路..........................................................7第4章软件设计...........................................................104.1主程序流程：.....................................................104.2定时器中断程序流程：.............................................104.3INT中断程序流程：................................................124.4显示程序流程：...................................................134.5软件说明.........................................................14第5章系统调试...........................................................155.1测量器使用方法....................................................155.2调试.............................................................15总结.....................................................................16参考文献.................................................................17附录.....................................................................18单片机控制系统课程设计1第1章绪论脉搏波所呈现出来的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，能反映出人体心血管系统中许多生理疾病的血流特征。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,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。脉搏测量器在我们的日常生活中已经得到了非常广泛的应用。为了提高脉搏测量仪的简便性和精确度，本课题设计了一种基于51单片机的脉搏测量仪。系统以AT89C51单片机为核心，以红外发光二极管和光敏三极管为传感器，并利用单片机系统内部定时器来计算时间，由光敏三极管感应产生脉冲，单片机通过对脉冲累加得到脉搏跳动次数，时间由定时器定时而得。系统运行中能显示脉搏次数和时间，系统停止运行时，能够显示总的脉搏次数和时间。经测试，系统工作正常，达到设计要求。关键词：脉搏计数；51单片机；光电传感器单片机控制系统课程设计2第2章脉搏测量器系统结构脉搏测量器的设计，必须是通过采集人体脉搏变化引起的一些生物信号，然后把生物信号转化为物理信号，使得这些变化的物理信号能够表达人体的脉搏变化，最后要得出每分钟的脉搏次数，就需要通过相应的硬件电路及芯片来处理物理变化并存储脉搏次数。在硬件设计中一般的物理信号就是电压变化，有了这个系统的设计思路，本课题就此开始实施。2.1光电脉搏测量器的结构光电脉搏测量器是利用光电传感器作为变换原件，把采集到的用于检测脉搏跳动的红外光转换成电信号，用电子仪表进行测量和显示的装置。本系统的组成包括光电传感器、信号处理、单片机电路、数码显示、电源等部分。（1）光电传感器即将非电量(红外光)转换成电量的转换元件，它由红外发射二极管和接收三极管组成，它可以将接收到的红外光按一定的函数关系(通常是线性关系)转换成便于测量的物理量(如电压、电流或频率等)输出。（2）信号处理即处理光电传感器采集到的低频信号的模拟电路(包括放大、整形等)。（3）单片机电路即利用单片机自身的定时中断计数功能对输入的脉冲电平进行运算得出心率（包括AT89C51、外部晶振、外部中断等）。（4）数码显示即把单片机计算得出的结果用8位LED数码管静态扫描来显示，便于直接准确无误的读出数据。（5）电源即向光电传感器、信号处理、单片机提供的电源，可以是5V的交流或直流的稳压电源。2.2工作原理本设计采用单片机AT89C51为控制核心，实现脉搏测量器的基本测量功能。脉搏单片机控制系统课程设计3测量器硬件框图如下图2.1所示：图2.1脉搏测量仪的工作原理当手指放在红外线发射二极管和接收三极管中间，随着心脏的跳动，血管中血液的流量将发生变换。由于手指放在光的传递路径中，血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生变化，因此和心跳的节拍相对应，红外接收三极管的电流也跟着改变，这就导致红外接收三极管输出脉冲信号。该信号经放大、滤波、整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机的外部中断信号。单片机电路对输入的脉冲信号进行计算处理后把结果送到数码管显示。外部中断信号光电传感器低通放大器比较和整形单片机AT89C51数码显示电路外部晶体振单片机控制系统课程设计4第3章硬件系统3.1控制器本系统选择了AT89C51单片机来实现系统设计。3.1.1AT89C51的结构此次设计所使用的AT89C51的封装形式是DIP40。如图3.1所示。图3.1AT89C51的封装形式3.2脉搏信号采集3.2.1光电传感器的原理根据朗伯一比尔(Lamber—Beer)定律，物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的，在人体指尖组织中的动脉成分含量高，而且指尖厚度相对较薄，因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在指尖。手指组织可以分成非血液组织和血液组织，忽略非血液组织的光吸收量和血液中静脉血的搏动，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，那么在恒定波长的光源照射下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号。3.2.2光电传感器的结构传感器由红外发光二级管和红外接收三极管组成。采用GaAs红外发光二极管作为光源时，可基本抑制由呼吸运动造成的脉搏波曲线的漂移。红外接收三极管在红外光的照射下能产生电能，将光信号转换为电信号。在本设计中，红外接收三极管和红外发射单片机控制系统课程设计5二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。且系统采用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3.2所示。图3.2透射式光电传感器3.2.3光电传感器检测原理检测原理是:将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的手指部位，经过手指组织的反射和衰减由装在该部位旁边的光敏三管来接收其透射光并把它转换成电信号。将此电信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示，即可实时的测出脉搏的次数。3.2.4信号采集电路图3.3是脉搏信号的采集电路。U3是红外发射和接收装置。考虑到红外发射二极管中的电流和红外接收三极管感应红外光的灵敏度，R21阻值选择270Ω。当手指离开传感器或检测到较强的干扰光线时，输入端的直流电压变化很大，为了使它不致泄露到U2B输入端而造成错误指示，用C8、C9串联组成的双极性耦合电容把它隔断。信号首先经R22、C10滤波以滤除高频干扰，再由耦合电容C8、C9加到线性放大输入。图3.3信号采集电路3.3信号放大整形由于光电传感器所输出的信号波源强度比较弱，且为类似于正弦波波形，所以对信号进行放大整形处理，使其以较强方波形式输出。如图3.5放大整形电路。单片机控制系统课程设计6图3.5放大整形电路3.4单片机处理电路如图3.8所示，本部分运用了ATMEL公司的89C51单片机作为核心元件来自传感和整形输出电路的脉冲电平输入单片机89C51的P3.5/T1引脚，单片机设为下降沿中断触发模式，来一个脉冲脉搏次数就加一；定时器中断主要完成十秒钟的定时功能。单片机对十秒钟内的脉冲次数进行累加并计算得出所测人一分钟的脉搏次数，通过P0、P2口把测量过程和结果送到数码管显示出来。图3.8单片机处理电路单片机控制系统课程设计73.5显示电路3.5.1LED的综述在单片机应用系统中常用发光二极管数码显示器，简称LED显示器。如图3.9为共阴极数码管结构。图3.9共阴极数码管结构3.5.2LED数码管的显示方法静态显示方式是指当显示器显示某一字符时，发光二极管的位选始终被选中。动态显示方式是指一位一位地轮流点亮每位显示器（称为扫描），即每个数码管的位选被轮流选中，多个数码管公用一组段选，段选数据仅对位选选中的数码管有效。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。通过调整电流和时间参数，可以保证亮度与显示。通过比较，我们可以发现LED动态显示更加适合本设计，所以就采用此方法。单片机控制系统课程设计8图3.10数码管显示电路3.5.374LS246介绍74LS245是我们常用的芯片，用来驱动LED或者其他的设备，它是8路同向三态双向总线收发器（如图3.11），可双向传输数据。图3.1174LS246结构图74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。当8051单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”,信号由B向A传输；DIR=“1”，信号由A向B传输；当CE为高电平时，A、B均为高阻态。由于P2口始终输出地址的高8位，接口时74LS245的三态控制端1G和2G接地，P2口与驱动器输入线对应相连。P0口与74LS245输入端相连,E端接地，保证数据线畅通。8051的/RD和/PSEN相与后接DIR，使得RD且PSEN有效时，74LS245输入（P0.1←D1），其它时间处于输出（P0.1→D1）。3.5.4脉搏测量仪电路原理图单片机控制系统课程设计9图3.12电路原理图单片机控制系统课程设计10第4章软件设计4.1主程序流程：系统主程序控制单片机系统按预定的操作方式运行,它是单片机系统程序的框架。系统上电后,对系统进行初始化。初始化程序主要完成对单片机内专用寄存器、定时器工作方式及各端口的工作状态的设定。系统初始化之后,进行定时器中断、外部中断、显示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序。流程如图4.1所示。图4.1主程序流程图4.2定时器中断程序流程：定时器中断服务程序由十秒钟钟计时、按键检测、有无测试信号判断等部分组成。当定时器中断开始执行后，对十秒钟开始计