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脈搏測量數(shù)字顯示(一)
緒論
人體心室周期性的收縮和舒張導(dǎo)致主動脈的收縮和舒張, 使血流壓力以波的形式從主動脈根部開始沿著整個動脈系統(tǒng)傳播, 這種波稱為脈搏波。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息, 很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征。醫(yī)院的護(hù)士每天都要給住院的病人把脈記錄病人每分鐘脈搏數(shù)，方法是用手按在病人腕部的動脈上，根據(jù)脈搏的跳動進(jìn)行計數(shù)。為了節(jié)省時間，一般不會作1分鐘的測量，通常是測量一段時間內(nèi)脈搏跳動的次數(shù)，再估算每分鐘的脈搏跳動的次數(shù)，即使這樣做還是比較費時，而且精度也不高。
人體脈搏與自己的心率是一致的，心率是指心臟每分鐘跳動的次數(shù)。心率測量是根據(jù)心電波形，測定瞬時心率和平均心率。健康的成年人在安靜狀態(tài)下平均心率是75次/分，正常范圍為60-100次/分。在不同生理條件下，心率最低可到40-50次/分，最高可到200次/分。 近年來，隨著半導(dǎo)體和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機技術(shù)也已發(fā)展到了相當(dāng)高的水平，各種新型單片機層出不窮，技術(shù)日新月異，應(yīng)用越來越廣泛，與傳統(tǒng)意義上的計算機相比，單片機有著體積小、功耗低、功能強、性能價格比較高、易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點，在自動化裝置、智能儀器儀表、過程控制、通信、家用電器等許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。
此次設(shè)計就是利用單片機的這些優(yōu)點制作一個簡易的脈搏測量儀，利用傳感器采集到脈搏跳動的信號，再把信號送給單片機，通過單片機的計算，把需要顯示的數(shù)字用三位數(shù)字顯示出來。
一 單元電路設(shè)計
此次設(shè)計主要為了輕松、方便、準(zhǔn)確的測量人體心率而提供的簡易測量儀器，這種測量儀器的功能就是把手指放在傳感器內(nèi)10秒鐘就可以精確測量出人體每分鐘脈搏數(shù)。電路的設(shè)計主要是應(yīng)用了單片機的基本特性，用到了定時、中斷、簡單的乘法和加法運算，再加上一些外圍的電路，組成了簡易的測量儀器，其整體構(gòu)思框圖如1所示，這次的設(shè)計主要是圍繞單片機展開的，單片機屬于核心元件，信號的采集和放大主要是為單片機提供一個脈沖信號，通過單片機的計算，提供顯示信號顯示所需數(shù)值。下面將逐步介紹電路的組成單元。
圖1 系統(tǒng)方框圖
1.脈搏信號采集部分
紅外線屬于一種電磁射線,其特性等同于無線電或X射線,人眼可見的光波是380nm-780nm,發(fā)射波長為780nm-1mm的長射線稱為紅外線，盡管肉眼看不到這種光線，但利用紅外線發(fā)送和接收裝置卻可以發(fā)送和接收紅外線信號，實施紅外線通訊。
脈搏信號主要由動脈血的充盈引起, 而血液中還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白含量變化將造成透光率的變化，當(dāng)氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對光的吸收量相等時，透射光的強度將主要由動脈血管的收縮和舒張引起，此時能夠比較準(zhǔn)確地反映出脈搏信號。脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生的, 在人體指尖, 組織中的動脈成分含量高, 而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄, 透過手指后檢測到的光強相對較大,因此這次設(shè)計的脈搏信號采集的部位就在人體指尖。
采集信號用的傳感器是由紅外線發(fā)射二極管和接收二極管組成。在紅外接收二極管上輸出的脈搏信號為直流和交流疊加電壓信號, 其中交流信號中包含了脈搏信息, 因此信號調(diào)理電路先要濾除疊加的直流信號, 再對交流信號進(jìn)行放大，濾除直流信號可以通過一個電容來實現(xiàn)。在得到包含有脈搏信號的交流信號后, 只要通過簡單的放大電路和低通濾波電路即可實現(xiàn)脈搏信號的提取，然后還要對其脈搏信號整形，因為這部分電路要對脈搏信號放大、低通濾波和整形，在此選擇了CD4069芯片，CD4069 是一個CMOS六非門集成電路,其內(nèi)部圖如圖2所示：
圖2 CD4069內(nèi)部圖
其脈搏信號的采集放大與整形電路的設(shè)計如圖3所示，由紅外二極管采集的脈搏信號經(jīng)過CD4069和電容、電阻組成的放大器放大和整形出信號送給AT89C51。
圖3 脈搏信號采集圖
對這部分的電路（圖3）分析如下：由紅外光的特性可知，紅外光可透過人體細(xì)胞，卻不易透過血液，這樣如果將手指放在紅外發(fā)射二極管和紅外接收二極管之間，紅外發(fā)射二極管發(fā)出的紅外光就通過手指照射到紅外接收二極管上，由于手指中血管的血液流動隨著心臟的跳動而呈現(xiàn)脈動狀態(tài)，紅外接收二極管上的電流就會發(fā)生變化，這就導(dǎo)致紅外接收二極管上有脈動信號，這個脈動信號由F1-F3、R3-R5、C1、C2等組成的低通濾波放大器進(jìn)行放大，再經(jīng)由F4、R6、R7、C3組成的放大器進(jìn)一步放大，其輸出信號送給由F5、F6、RP1、R8組成的施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形后輸出，輸出的信號作為單片機的輸入信號。可變電阻RP1用來調(diào)整施密特觸發(fā)器的閥值電壓，從而調(diào)整電路的靈敏度。
2.脈搏個數(shù)計算部分
隨著電子科技日新月異的發(fā)展，單片機的應(yīng)用越來越廣泛，單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設(shè)備。此次設(shè)計核心元件也是單片機（AT89C51），此芯片主要是用來計算脈搏跳動的次數(shù)，供顯示部分顯示。
2.1其管腳如圖4所示：
2.2管腳說明：
VCC：電源。
GND：接地。
P0口:P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口,每腳可吸收8TTL門電流。P0口絕大多數(shù)情況下都是作為單片機系統(tǒng)的地址/數(shù)據(jù)線使用。
P1口：P1口是準(zhǔn)雙向口,當(dāng)P1口作為輸出口使用時,已能對外提供推拉電流負(fù)載。當(dāng)P1口作為輸入口使用時,
應(yīng)先向其鎖存器寫“1”,
使輸出驅(qū)動電路的FET截止。
P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙
向I/O口。當(dāng)用于外部程序存儲器
或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行
存取時，P2口輸出地址的高八位。
在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部 圖4 AT89C51芯片引腳圖
上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。
P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。同時也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3.0 RXD串行輸入口， P3.4 T0記時器0外部輸入，
P3.1 TXD串行輸出口， P3.5 T1記時器1外部輸入，
P3.2 /INT0外部中斷0 ， P3.6/WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通，
P3.3 /INT1外部中斷1 ， P3.7/RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通，
RST：復(fù)位信號。當(dāng)輸入的復(fù)位信號延續(xù)2個機器周期以上高電平時即為有效，用以完成單片機的復(fù)位操作。
ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。
/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。
/EA：當(dāng)/EA信號為低電平時，對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器；當(dāng)/EA信號為高電平時，對ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延續(xù)至外部程序存儲器。
XTAL1 和XTAL2：外接晶體引線端。當(dāng)使用內(nèi)部時鐘時，此二引線端用于外接石英
晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時鐘，用于接外部時鐘脈沖信號。
2.3 振蕩器特性：
XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出，如圖5所示。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器，石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用，如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分 圖5 AT89C51振蕩電路
頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。
2.4 單片機存儲器結(jié)構(gòu)
AT89C51片內(nèi)有4kB的程序存儲單元，其地址為0000H—0FFFH，單片機啟動復(fù)位后，程序計數(shù)器的內(nèi)容為0000H，所以系統(tǒng)將從0000H單元開始執(zhí)行程序，但在程序存儲中有些特殊的單元，這在使用中應(yīng)加以注意：其中一組特殊是0000H—0002H單元，系統(tǒng)復(fù)位后，(PC)=0000H，單片機從0000H單元開始取指令執(zhí)行程序，使用時則應(yīng)在這三個單元中存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，讓CPU直接去執(zhí)行用戶指定的程序；另一組特殊單元是0003H—002AH，這40個單元被均勻的分為五段，它們的定義如下：
0003H—000AH 外部中斷0中斷地址區(qū)
000BH—0012H 定時/計數(shù)器0中斷地址區(qū)
0013H—001AH 外部中斷1中斷地址區(qū)
001BH—0022H 定時/計數(shù)器1中斷地址區(qū)
0023H—002AH 串行中斷地址區(qū)
2.5 中斷
向CPU發(fā)出中斷請求的來源、或引起中斷的原因稱為中斷源,中斷源要求服務(wù)的請求稱為中斷請求。中斷源有五個，可分為三類。
⑴ 外部中斷（外部中斷0和外部中斷1）
⑵ 定時中斷（定時中斷0和定時中斷1）
⑶ 串行中斷
在單片機中，當(dāng)CPU在執(zhí)行程序時，由單片機內(nèi)部或外部的原因引起的隨機事件要求CPU暫時停止正在執(zhí)行的程序，而轉(zhuǎn)向執(zhí)行一個用于處理該隨機事件的程序， 處理完后又返回被停止的程序處繼續(xù)執(zhí)行，這一過程 圖6 中斷服務(wù)示意圖 就稱為中斷，如圖6所示。
單片機處理中斷的4個步驟：中斷請求、中斷響應(yīng)、中斷處理和中斷返回。
2.6 復(fù)位系統(tǒng)
2.6.1復(fù)位功能
⑴、復(fù)位是單片機的初始化操作。
⑵、復(fù)位功能是把PC初始化為0000H，使CPU從0000H單元開始執(zhí)行程序。
⑶、除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵重新啟動。
2.6.2 復(fù)位方式
復(fù)位操作有上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種方式，這兩種方式本電路都采用了，如圖7所示，當(dāng)接通電源瞬間電容C和電阻R2對單片機進(jìn)行上電復(fù)位，或單片機正在工作時按下SB1對單片機進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位時間至少持續(xù)24個振蕩脈沖周期（即2個機器周期）以上 ，才能完成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。
圖7 復(fù)位電路
3．顯示部分
數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一。本環(huán)節(jié)就是采用了動態(tài)顯示形式來工作的，將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當(dāng)單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就會使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，如圖8所示在本電路中單片機的P0.0-P0.6作為數(shù)碼管的段控，P2.0-P2.2作為數(shù)碼管的位控，段控和位控相應(yīng)輸出，實現(xiàn)了輪流顯示，在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為1～5ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示。
圖8 顯示電路圖
二 整機原理
1.整機電路
圖9 整機電路圖
2.工作原理
對整機電路（如圖9）分析如下：開關(guān)S1閉合后，將手指放在紅外線發(fā)射二極管和接收二極管中間，隨著心臟的跳動，血管中血液的流量將發(fā)生變化，由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液飽和程度的變化將引起光的強度發(fā)生變化，因此和心跳的節(jié)拍相對應(yīng)，紅外接收二極管的電流也跟著改變，這就會使紅外接收二極管上產(chǎn)生脈動信號。脈動信號由F1-F3、R3-R5、C1、C2等組成的低通濾波放大器進(jìn)行放大，再由F4、R6、R7、C3組成的放大器進(jìn)一步放大，其輸出信號送給由F5、F6、RP1、R8組成的施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形后輸出，輸出的信號作為單片機的輸入信號送到P3.1�？勺冸娮鑂P1用來調(diào)整施密特觸發(fā)器的閥值電壓，從而調(diào)整電路的靈敏度。 單片機AT89C51對P3.1輸入的信號進(jìn)行計算處理后把結(jié)果通過P0.0-P0.6口作數(shù)碼顯示七段筆劃字形碼的輸出，再由P2.0-P2.2口輸出的位控信號相結(jié)合，顯示出需要的數(shù)字。發(fā)光二極管VD3作脈搏測量狀態(tài)顯示，脈搏每跳動一次P1.4就會輸出一次低電平，發(fā)光二極管就點亮一次。3.安裝與調(diào)試
傳感器的制作是一個關(guān)鍵，可將紅外線發(fā)射二極管和紅外線接收二極管分別固定在一個塑料夾子的兩側(cè)，需測量時夾在手指上即可， 安裝后的調(diào)試工作主要是通過對RP1的調(diào)節(jié)來調(diào)整電路的靈敏度，注意不要讓紅外線接收二極管在使用時受到外界光線的干擾，RP1的阻值小時靈敏度高，反之靈敏度低。調(diào)試時可通過VD3的發(fā)光狀態(tài)來進(jìn)行，測量中如果脈搏跳動時VD3不跟隨發(fā)光說明靈敏度偏低，不易檢測到脈搏信號；如果VD3在沒有脈搏跳動時偶爾也點亮發(fā)光說明靈敏度偏高，易受到干擾信號的影響。
三 程序設(shè)計
程序部分主要是用Keil uvision2軟件的編寫，利用單片機定時和
中斷系統(tǒng)，其流程圖和程序部分如下
1.流程圖（如圖10所示）
圖10 流程圖
2.程序
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 000BH
AJMP D0
ORG 0030H
MAIN:MOV TMOD,#11H ；選擇工作方式1定時器0
MOV TH0,#0ECH ；定時5ms
MOV TL0,#78H
MOV IE,#82H ；開中斷
MOV 30H,#00H
MOV 31H,#00H
MOV 32H,#00H
MOV R1,#0C8H
MOV R4,#0AH
MOV R3,#03H
MOV R0,#40H
MOV R2,#0FEH
SETB TR0
W3:JB P3.1,W2 ；檢測是否有脈沖到來
ACALL D10
JB P3.1,W2
ACALL D10
L3:JNB P3.1,L3
MOV A,32H
CLR C
INC A ；計算脈沖數(shù)單元加1
DA A
MOV 32H,A
CPL P1.4
W2:CLR P1.4
AJMP W3
D0:MOV TH0,#0ECH ；5 ms賦值
MOV TL0,#78H
DJNZ R1,Q1
DJNZ R4,L1 ；判斷10S是否到
MOV R4,#0AH
MOV A,32H
MOV B,#0AH
MUL AB ；計算1分鐘脈搏個數(shù)
MOV 30H,A
MOV 31H,B
MOV 32H,#00H
L1:MOV R1,#0C8H
Q1:MOV A,30H ；需要顯示的數(shù)值送進(jìn)緩沖區(qū)
MOV DPTR,#TAB
ANL A,#0FH
MOVC A,@A+DPTR
MOV 40H,A
MOV A,30H
SWAP A
ANL A,#0FH
MOVC A,@A+DPTR
MOV 41H,A
MOV A,31H
ANL A,#0FH
MOVC A,@A+DPTR
MOV 42H,A
MOV P2,R2 ；顯示1分鐘脈搏跳動次數(shù)
MOV P0,@R0
INC R0
MOV A,R2
RL A
MOV R2,A
DJNZ R3,F2
MOV R3,#03H
MOV R0,#40H
MOV R2,#0FEH
F2:RETI
TAB:DB C0H,F9H,A4H,B0H, ；十六進(jìn)制共陽極數(shù)字形代碼
DB 99H,92H,82H,F8H,
DB 80H,90H,
D10:MOV R5,#0AH ；防抖動延時時間
LOOP1:MOV R4,#7DH
LOOP2:NOP
NOP
DJNZ R4,LOOP2
NOP
DJNZ R5,LOOP1
RET
END
3.材料清單：
原件 數(shù)量 備注
40腳插座 1 AT89C51使用
12MHz晶振 1
30pF電容 2 無極性電容
47μF電容 2 有極性電容
10K電阻 6 1 / 8 W
330Ω電阻 9 1 / 8 W
520Ω電阻 4 1 / 8 W
AT89C51單片機 1
發(fā)光二極管 1
三極管 9012 4 PNP管
數(shù)碼管 1 共陽極8段碼3位
按鈕 1 復(fù)位
100Ω 2
22k 2
100uf 2 有極性電容
2.2uf 1 有極性電容
1uf 1 無極性電容
1M 1
470K 1
47K 1 可調(diào)電阻
100K 1
實驗板 1
鍍銀絲、焊錫絲 若干
結(jié)束語
此論文是介紹一種用單片機制作的簡易脈搏測量儀器，為輕松、方便的測量自己和他人的心跳提供了簡易的測量儀器，一分鐘心跳的次數(shù)與人的身體健康有著直接的關(guān)系，每天讓自己的心跳在半個小時內(nèi)130次/每分鐘，這樣會大大提高了自身的免疫力。本次設(shè)計的測量儀器，由于體積小、簡易操作很容易實現(xiàn)家庭必備的儀器。
這次做論文的經(jīng)歷使我受益匪淺，我感受到做論文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正自己學(xué)習(xí)的過程和研究的過程，沒有學(xué)習(xí)就不可能有研究的能力，沒有自己的研究，就不會有所突破，希望這次的經(jīng)歷能讓我在以后學(xué)習(xí)中激勵我繼續(xù)進(jìn)步。由于這次時間有限再加上本人經(jīng)驗和知識的不足，望各位老師提出寶貴意見和指導(dǎo)。
謝辭
本論文在沈蓬老師、朱春萍老師、都曄凱老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下完成，從論文選擇到具體構(gòu)思和內(nèi)容，無不凝聚著老師的心血和汗水，也始終感受著指導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)和無私的關(guān)懷，我受益匪淺。在此向各位老師表示深深的感謝和崇高的敬意。
參考文獻(xiàn)
《單片機基礎(chǔ)》 北京航空航天大學(xué)出版社
《電子電路》 機械工業(yè)出版社
《脈沖與數(shù)字電路》 中國勞動社會保障出版社
《集成運算放大器》 人民郵電出版社
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