基于单片机的心率测试仪

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1、精选优质文档-倾情为你奉上河南城建学院本科毕业设计（论文）摘要专心-专注-专业摘 要随着生物医学工程技术的发展, 医学信号测量仪器日新月异。生物医学测量 与临床医学和保健医疗的联系日益紧密。通过对人体各种生理信号的检测，能更 好的认识人体的生命现象。脉象包含丰富的人体健康状况信息, 脉诊技术应客观 化、定量化。本设计利用光电式传感器, 设计脉搏信号获取的方法。本设计主要 是基于单片机的便携式脉搏测试仪的具体实现方法，利用光电传感器产生脉冲信 号，经过放大整形后，输入单片机内进行相应的控制，从而测量出一分钟内的脉 搏跳动次数，快捷方便。通过观测脉搏信号，可以对人体的健康进行检查，通常 被用于保健

2、中心和医院。本设计所设计的基于单片机的便携式心率测试仪对推进 脉诊技术客观化的实现具有积极的促进作用。本设计以单片机为核心，由脉搏检 测传感器采集脉搏信号。经过前置放大电路、滤波电路、整形电路后得到与脉搏 相关的脉冲信号。该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行脉长周期的计算。然 后得到每分钟的脉搏搏动次数（即心率），并在数码管上显示心率，同时还设置了 脉搏测量仪的上下限报警电路。关键词：脉搏信号，单片机，光电传感器，脉冲信号，便携式心率测试仪I河南城建学院本科毕业设计（论文）AbstractAbstractWith the development of the biomedical engine

3、ering technology, the medical signal measuring instrument is changing everyday. Biomedical measurement and clinical medicine and health care increasingly close ties. We could better understand the phenomenon of human. life through various physiological signal detection of the human body. Pulse inclu

4、sions rich state of the health information, By using optical sensors, With the high development of electronics and computer nowadays, the pulse diagnosing technology should be objective and quantitive. this text access to the pulse signal design methods. This paper mainly introduces the concrete rea

5、lization method for digital pulse counter, which uses photoelectric sensors to generate pulse signal. The pulse signal is amplified and regenerated to input into MCU to carry out corresponding control, as a result the pulse number per a minute is measured. The use of the pulse counter is quick and c

6、onvenient. Through observing the pulse signal, human health can be inspected, it is usually used in health care centers and the hospitals. In my design, Portable heart rate measuring instrument based on MCU has a positive role in promoting the objective of the pulse technology.Key words: Pulse，MCU，P

7、hotoelectric Sensor，Pulse Signal，PortableII河南城建学院本科毕业设计（论文）目录目录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题设计背景11.2 国内外研究现状21.3 设计的主要内容32 系统的总体设计方案42.1 系统的总体设计42.2 方案的对比和论证42.2.1 脉搏检测传感器的选择42.2.2 单片机的选择62.2.3 显示部分的选择62.3 系统各部分的最终方案73 系统的硬件部分设计分析83.1 单片机控制器83.1.1 单片机 stc89c52 介绍83.1.2 单片机复位电路113.1.3 单片机时钟电路123.1.4 数码管显

8、示电路123.1.5 报警电路133.2 脉搏信号采集143.2.1 光电传感器的结构及原理143.2.2 信号采集电路153.3 信号放大电路163.4 波形整形电路173.5 单片机处理电路173.6 系统设计要考虑的问题193.6.1 环境光对脉搏传感器测量的影响193.6.2 电磁干扰对脉搏传感器的影响193.6.3 测量过程中运动噪声的影响203.6.4 电源不稳定导致光源供电波动带来影响204 系统的软件设计214.1 设计思想214.1.1 主程序流程图224.2 定时器中断程序流程234.3 INT 中断程序流程234.4 显示程序流程244.5 蜂鸣器报警流程245 系统仿真

9、与调试26III河南城建学院本科毕业设计（论文）目录5.1程序设计.265.2程序调试.266 总结与展望.29结束语.30参考文献.31致谢.33附录 A.整体硬件电路图34附录 B .程序35IV河南城建学院本科毕业设计（论文）绪论1 绪论1.1 课题设计背景多年来，心率测试仪在心脑血管疾病的研究和诊断方面发挥出显著的作用， 它记录的心脏活动时的生物电信号，已成为临床诊断的重要依据。临床上使用的 心电监护仪虽然功能强大，测量精度高，但因为价格高昂，不利于家庭的普及。 就算是在医院，护士每天监控病人病情而进行的心率测试也是常用手测。因为正 常人的心率和脉搏跳动的次数是一样的，所以可以用测量脉

10、搏的方法来测心率。 因此，本设计采用的是设计一种脉搏测试仪测量脉搏数从而实现心率的测量的方 法。脉搏测试仪是用来测量一个人脉搏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组 成部分,因此，在现代医学上具有重要的作用。目前检测脉搏的仪器虽然很多，但 是能实现精确测量、精确显示且计时功能准确等多种功能的便携式全数字脉搏测 量装置很少。随着人们生活环境和经济条件的改善，以及文化素质的提高，其生 活方式，保健需求以及疾病种类、治疗措施等发生了明显的变化。但在目前，我 国的心脑血管疾病仍呈逐年上升趋势。其发病率和死亡率均居各种疾病之首，是 人类死亡的主要原因之一。因此，认识、预防及早期发现这些疾病是十分必要的。

11、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。本设计旨在设计出一种以单片机为核心的一种实用型脉搏测量仪。采用脉搏检测传感器对人体的脉搏进行数据采集。得到的信号送入进行滤波、放大、整形等处理之后送入单片机进行处理。单片机将采集到的脉搏数在数码管上实时显示 出来，同时还设置了脉搏测量仪的上下限报警电路。本设

12、计首先描述本设计的整 体思路，然后介绍各个部分设计中的细节问题，最后提出一些完善本设计的改进 意见。本设计所设计的基于单片机的便携式心率测试仪，系统性能良好，结构简单， 性价比高，输出显示稳定，比较适合大众化。适合家庭进行自我检测以及医院护 士进行每日的临床记录。这使我们在家中就可以测试心率从而能检测是否患有一 些心血管疾病，做到早发现。1河南城建学院本科毕业设计（论文）绪论1.2 国内外研究现状在我国传统中医学的诊断中，“望、闻、问、切”是最基本的四个方面。而在其 中，切，也就是脉诊，占有非常重要的地位。通过脉诊，医生可以对患者的身体 状况有一个大概的了解，进而对症下药。脉搏信号可以直接反应

13、出患者心脏的部 分状况，我国传统中医学认为，通过脉诊可以了解到患者脏腑气血的盛衰，可以 探测到病因，病位，预测疗效等。鉴于脉诊的重要性，人们对于脉搏测量一直非常关注，早在1860 年Vierordt 创 建了第一台杠杆式脉搏描记仪，国内 20 世纪 50 年代初朱颜将脉搏仪引用到中医 脉诊的客观化研究方面。此后随着机械及电子技术的发展，国内外在研制中医脉 象仪方面进展很快，尤其是 70 年代中期，国内天津、上海、广州、江西等地相继 成立了跨学科的脉象研究协作组，多学科共同合作促使中医脉象研究工作进入了 一个新的境界。随着科学技术的发展，脉搏测量技术也越来越先进，对脉搏的测量精度也越 来越高，国

14、内外先后研制了不同类型的脉搏测量仪，而其中关键是对脉搏传感器 的研究。而由于脉搏传感器的不同，现今市场上的脉搏测试仪的脉率采集主要有 三种方法：采用一对红色发光二极管实现、采用反射式的红外管实现和采用压电 陶瓷芯片实现。近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器，这类传感器的 重要特征是测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，能够自动消除仪表自 身系统的误差，测量精度高，通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和 生化参数。脉搏测量仪的发展主要向以下几个趋势： 1、自动测量脉搏并且对所得到的脉搏进行自动分析目前很多脉搏测量仪都具有检测血氧等其他的功能，但是对这些信号的分析 和诊断还需要一些

15、有经验的医生观察，进行分析后才能确认结果，浪费大量的人 力，且由人为引入的误差较大。因此，未来脉搏自动检测的内容将更加详细，自 动分析诊断功能也更强大。2、数字化技术等先进技术的应用 随着数字科学技术的发展，脉搏测量仪集成度将更高，更便于携带。数字信号处理的运用将使干扰更小，测量更为准确。 3、多功能化越来越明显目前的脉搏测量仪，一般都具有测试血氧，心电图等等功能，单纯的脉搏测 量仪已经很少见。随着电子技术的发展，脉搏测量仪必然可以实现更多的功能。2河南城建学院本科毕业设计（论文）绪论1.3 设计的主要内容本设计以单片机为核心，由脉搏检测传感器采集脉搏信号。经过前置放大电 路、滤波电路、整形电

16、路后得到与脉搏相关的脉冲信号。该脉冲信号作为中断信 号交由单片机进行脉长周期的计算。然后得到每分钟的脉搏搏动次数（即心率）， 并在数码管上显示心率，同时还设置了脉搏测量仪的上下限报警电路。本设计的工作是围绕着脉搏检测传感器检测脉搏波而单片机进行控制进行 的。本设计的设计内容安排如下：第一章为引言。简要介绍了心率测试仪设计的目的和意义，并对基于单机的 便携式心率测试仪的现状和应用以及未来的发转走势做了简单的阐述，指出了本 设计的主要技术内容，即心率的测试。第二章为整体方案的分析。顾名思义第二章是对整个方案的详细的对比与选 择并确定最终方案。在确定方案之前我必须先明确本设计的任务与要求，之后是 各

17、个部分的对比选择。第三章是本设计的核心。在这里给出了整体的硬件电路设计思路，并且对电路 的各个部分进行分析与解释。第四章叙述程序的编程方案，给出程序的框架结构图并对整个设计进行总结， 而且对以后的设计工作进行了展望。3河南城建学院本科毕业设计（论文）系统的总体设计方案2 系统的总体设计方案2.1 系统的总体设计本设计的系统模块可以基本划分为：脉搏传感器部分、单片机处理电路部分、 显示电路部分和报警电路部分。本设计所设计的基于单片机的便携式脉搏测量仪将利用脉搏检测传感器采集 脉搏信号，再对其进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目的， 再通过报警电路可实现报警功能。本设计结构硬件框图如

18、图 2.1 所示。图 2.1 系统结构框图2.2 方案的对比和论证基于单片机的便携式心率测试仪的设计。本设计以单片机为核心，由光电传 感器采集脉搏信号。经过前置放大电路、滤波电路、积分和比较电路后得到与脉 搏相关的脉冲信号。该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行脉长周期的计算。 然后得到每分钟的脉搏搏动次数（即心率），并在数码管上显示，并且在超出设定 的正常脉搏跳动范围时，驱动蜂鸣器报警。2.2.1 脉搏检测传感器的选择传感器又称为换能器、变换器等。脉搏传感器是脉搏检测系统中重要的组成部分。 1、光电式传感器血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍， 据此特点，采用光电

19、效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号。反向偏压的光敏二极4河南城建学院本科毕业设计（论文）系统的总体设计方案管，它的反向电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性，在一定光强范围 内，光敏二极管的反向电流与光强呈线性关系。指端血管的容积和透光度随心搏 改变时，将使光电三极管极管收到不同的光强，并由此产生的光电流均随之作相 应变化。常用检测脉搏的光电传感器一般是红外对管。红外对管将对管夹于手指端部，通过手指的血液浓度会随着心脏的跳动发生 变化，红外对管对应的信号便会发生相应的变化，采集此信号经过放大，滤波， 比较等处理便可以得到理想的信号。红外对管对脉搏的检测的基本原理：随着心 脏的搏动，人体组织半

20、透明度随之改变。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，组织的半透明度增大。这种现象在人体组织较薄的手 指尖、耳垂等部位最为明显。光电式传感器具有灵敏度高，易于操作，响应速度快，结构简单等优点。虽 然外部光源的变化对测量结果的影响较大，但我们进行测量的地方一般都是在室 内，有稳定的光源，所以在正常的操作过程中只要稍微注意下光源的问题就可以了。 2、压电式传感器目前常用的是一次性心电电极，它是用印刷方法制得的 Ag/ Agcl 传感器。这种 传感器采用接扣与敏感区分离的方法，能明显的减少由于人体运动产生的干扰。 电极的好坏对采集到的心电信号质量起着至关重要的作用，采用的电极应

21、有贴力 强，能紧附在人体表面，柔软、吸汗、极化电压低、导电性良好等特点。当选用 电极传感器时，需要 3 个电极分别置于左右手和左腿，构成标准导联。临床上为 了统一和便于比较所获得的脉搏信号，在检测脉搏信号时，对电极的位置，引线 与放大器的连接方式都有严格的统一规定。目前市场上有一种采用新型高分子压电材料聚偏氟乙烯研制的压电传感器， 其灵敏度高,频带范围好，结构简单，便于使用。当手指前端受到轻微的压力时，5河南城建学院本科毕业设计（论文）系统的总体设计方案可以感觉到手指前端在血压的作用下有一张一弛的感觉，将这个信号用传感器提 取出来，转变为电信号，通过指脉的波形检测，就可以获得人体的脉搏信号。压

22、电式传感器有着结构简单，实时性好，工作频带宽，应用电路简单等诸多 优点，并且价格低廉。但压电式传感器直接与人体相接触，容易因为人体肌肉的 颤动等而产生干扰。而肌肉的颤动不是人能主动控制的，所以说这部分的误差很难控制。并且使用压电式传感器测脉搏还容易受到外界其他信号的干扰。 3、集成传感器当前，市面上有很多类型的集成心电传感器，其灵敏度高，集成度高，直接 就可以反映出心率的变化，且已包含了滤波等抗干扰电路，波形经过放大可以直 接处理使用。缺点是价格非常昂贵，一般均在五百元以上，就本次设计来说，考 虑到经费以及锻炼自己的目的，不选择使用该型传感器。综合考虑种种情况，结合本系统的设计要求以及经费的考

23、虑，本设计采用光 电式传感器。2.2.2 单片机的选择对于单片机型号，最熟悉的就是 C51 系列，其中包括 AT89C51，AT89C52 在 AT89C51 的基础上有些改进，但是听有经验的同学说以型号 AT 开头的的单片机在 烧写程序时不容易进行烧写，于是考虑采用以型号是以 STC 为开头的单片机，通 过查资料了解发现 STC89C52 在功能上与 AT89C52 相似，为此，本设计单片机采用STC89C52 型号单片机。2.2.3 显示部分的选择根据题目要求，设计出来的系统是可以设定报警的范围的。在单片机的应用 系统中，为了便于人们观察和监视单片机的运行情况，常常需要用显示器显示运 行的

24、中间结果、状态等信息，因此显示器也是不可缺少的外部设备之一。显示器 的种类很多，从液晶显示、发光二极管显示到 CRT 显示器，都可以与微机配接。 在单片机应用系统中常用的显示器主要有发光二极管数码显示器，简称 LED 显示 器。LED 显示器具有耗电省、成本低廉、配置简单灵活、安装方便、耐振动、寿 命长等优点。但与 LCD 相比显示内容有限，不能显示图形，因而其应用有局限性。 LED 数码管显示器是由发光的二极管显示字段组成的。在单片机应用系统中使用最 多的就是七段 LED 数码管，有共阴极和共阳极两种。七段 LED 数码管显示器有 86河南城建学院本科毕业设计（论文）系统的总体设计方案个发光

25、二极管，其中从 ag 管脚输入显示代码，可显示不同的数字或字符，Dp 显 示小数点。共阴极 LED 数码管显示器的公共端为发光二极管阴极，通常接地，当 发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮。共阳极的 LED 数码管显示器的 公共端为发光二极管的阳极，通常接+5V 电源，当发光二极管的阴极为低电平时，发光二极管点亮。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。2.3 系统各部分的最终方案本章主要介绍了常见的用于脉搏检测的三种传感器，并对这三种感器的优缺 点进行了比较。本设计采用的单片机芯片的型号是 STC89C52，在本章主要介绍了 它的一些特点。最后，给出了

26、最终的设计方案和硬件框图。数码管脉搏传感STC89C52显示电器电路路单片机处震荡电路理电路蜂鸣器复位电路报警电路图 2.3 设计框图7河南城建学院本科毕业设计（论文）系统的硬件部分设计分析3 系统的硬件部分设计分析3.1 单片机控制器经过第 2 章的叙述已经确定了完成本设计所需要的主要元器件，所以本章开 始讲述基于单片机的便携式心率测试仪的设计的硬件电路的设计。在这里，单片机要实现对脉搏信号的处理。在检测到第一个脉冲到达时，开 启定时器，然后在下一个脉冲到达时，关闭计时器，如此就可以求得一次心跳所 需要的时间，然后由该周期就可以得到一分钟的脉搏数。3.1.1 单片机 stc89c52 介绍S

27、TC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash STC89C52 使用经典的 MCS-51 内核，但做了很多的改 进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 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。具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，内置 4KB EEPROM，MAX810 复位电路，3 个 16 器/计数器，4 个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构（兼

28、容传统 51 的 5 向量 2 级 中断结构），全双工串行口。另外 STC89X52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种 软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM/计数器、 串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结， 一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率 35MHz，6T/12T 可选。STC89C52 单片机引脚图如下图 2.2 所示。8河南城建学院本科毕业设计（论文）系统的硬件部分设计分析图 2.2STC89C52RC引脚功能说明 引脚按其功能可分为如下3类：1、电源及时钟引脚VCC、VSS；XTAL1、XTAL

29、2； 2、控制引脚 RST / VPD 、 ALE / PROG 、PSEN 、和EA / VPP ；3、I/O 口引脚P0、P1、P2、P3，为 4 个 8 位 I/O 口。1、电源及时钟引脚(1)电源引脚VCC：5V 电压。GND：接地。(2)外接晶体引脚XTAL1：接外部晶体振荡器的一端。当使用芯片内部时钟时，此脚用于外接石 英晶体振荡器和微调电容；当使用外部时钟时，对于 HMOS 单片机，此引脚接地； 对于 CMOS 单片机，此引脚作为外部振荡信号的输入端。XTAL2：接外部晶体振荡器的另一端，当使用芯片内部时钟时，此脚用于外接 石英晶体振荡器和微调电容。当使用外部时钟时，对于 HMO

30、S 单片机，此引脚接 外部振荡源；对于 CMOS 单片机，此引脚悬空不接。AT89S52 晶体振荡器频率可在 6MHz 40MHz 之间选择，常选 6MHz 或 12MHz的石英晶体。电容的值没有严格要求，但其取值对振荡器的频率输出的稳定性、 大小、振荡电路起振速度稍有影响，C1、C2 可在 20pF100pF 之间选择。当外接晶 体振荡器时，电容可选 30pF10pF；外接陶瓷振荡器时，电容可选 40pF10pF。9河南城建学院本科毕业设计（论文）系统的硬件部分设计分析2、控制引脚RST / VPD ：复位端。当输入的复位信号持续 2 个以上机器周期(个晶体振荡周 期）高电平即为有效，用于完

31、成单片机的复位初始化操作。正常工作时，此脚电平应 0.5V。在 VCC 发生故障、降低到电平规定值掉电期间，此引脚可接备用电源 VPD（电 源范围 5V0.5V），由 VPD 向内部 RAM 供电，以保持内部 RAM 中的数据。ALE / PROG ：地址锁存使能。ALE（Address Latch Enable）；PROG（Program）ALE / PROG 为 CPU 访问外部程序存储器或外部数据存储器提供地址锁存信号，将低 8 位地址锁存在片外的地址锁存器中。ALE / PROG 引脚第二功能，对片 内 Flash 编程，为编程脉冲输入端。PSEN ：（Programmer Savin

32、g ENable），外部程序存储器读选通信号。在读外部程序存储器时有效（低电平），以实现外部程序存储器单元的读操作。在访问外部数据存储器、访问内部程序存储器时PSEN 无效。EA / VPP ：（Enable Address/Voltage Pulse of Programming），访问程序存储控制信号。当EA / VPP “0”时，表示读外部程序存储器。只读取外部的程序存储器 中的内容，读取的地址范围为 0000H FFFFH（64KB），片内的 8KB Flash 程序存储器不起作用。当“1”时，表示对程序存储器的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。在 PC 值不超出

33、0FFFH（即不超出片内 4KB Flash 存储器的地址范围）时，单片机读片内程序存储器（4KB）中的程序，但当 PC 值超出 0FFFH （即超出片内 4KB Flash 地址范围）时，将自动转向读取片外 60KB（1000H-FFFFH）程序存储器空间中的程序。对于 EPROM（或 FLASH）型单片机， 在 EPROM 编程期间，此引脚需加 12.75V 或 21V 的编程电压。3、I/O 口引脚P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址数据总线复用口。 作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“1” 可作为高阻抗转入端用

34、。Pl 口：P1 是个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输出缓冲级可驱动(吸 收或输出电流)4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口 拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因内部存在上拉电阻，某个引 脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱 动（吸收或输出电流)4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻 把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻， 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。10河南城建学院本科毕业设计

35、（论文）系统的硬件部分设计分析P3口：可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备。作为第二功能使用， 每一位功能定义如表3.1所示。表2.1P3口的第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0(外中断 0)P3.3INT1（外中断 1）P3.4T0（定时/计数器 0）P3.5T1（定时/计数器 1）P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)3.1.2 单片机复位电路单片机在启动时都需要复位，以使 CPU 及系统各部件处于确定的初始状态， 并从初态开始工作。89 系列单片机的复位信号是从 RST 引脚输入到芯片内的施

36、密 特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果 RST 引脚上 有一个高电平并维持 2 个机器周期(24 个振荡周期)以上，则 CPU 就可以响应并将 系统复位。单片机复位电路如图 3.3 所示C3RST10uFR15220R12k图 3.3 按键复位电路11河南城建学院本科毕业设计（论文）系统的硬件部分设计分析3.1.3 单片机时钟电路单片机可以看成是在时钟驱动下的时序逻辑电路。MCS-51 单片机为 12 个时钟 周期执行一条指令。也就是说单片机运行一条指令，必须要用 12 时钟周期。没有 这个时钟，单片机就跑不起来了，也没有办法定时和进行和时间有关的操作。单 片机可以看

37、成是在时钟驱动下的时序逻辑电路,单片机在工作过程中,所有工作都 是在时钟信号控制下进行的,每执行一条指令,CPU 的控制器都要发出一系列特定 的控制信号。单片机时钟电路如下图 3.4 所示C1X130pF12MC2X21nF图 3.4 时钟电路3.1.4 数码管显示电路LED 数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在 内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管显示电路如图 3.9 所示12河南城建学院本科毕业设计（论文）系统的硬件部分设计分析U11RP119392XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1383P0.2/AD237418XTAL2P0.3/A

38、D3365P0.4/AD4356P0.5/AD5347P0.6/AD63389RSTP0.7/AD7329P2.0/A821RESPACK-8P2.1/A922P2.2/A1023292430PSENP2.3/A112531ALEP2.4/A1226EAP2.5/A1327P2.6/A1428P2.7/A15110P1.0P3.0/RXD2113P1.1P3.1/TXD124P1.2P3.2/INT0135P1.3P3.3/INT1146P1.4P3.4/T0157P1.5P3.5/T1168P1.6P3.6/WR17P1.7P3.7/RDAT89C51图 3.8 数码管显示电路本设计用 LE

39、D 数码管段数一般为 7 段另加一个小数点。LED 数码管根据 LED 的接法不同分为共阴和共阳两类，了解 LED 的这些特性，对编程是很重要的，因 为不同类型的码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的设计采 用 4 位共阴数码管某段数码管阳极为高电平时该数码管被点亮。3.1.5 报警电路根据医学数据，人体脉搏正常在 60 到 120 之间，当数码管所显示的示数大于 120 或小于 60 时，蜂鸣器响应报警；示数小于 120 时大于 60 时，蜂鸣器不响。因 为单片机的端口输出电流能力低，无法直接驱动那些器件，故增加三极管加大功 率 ，驱动蜂鸣器工作。报警电路如图 3.9 所示。1

40、3河南城建学院本科毕业设计（论文）系统的硬件部分设计分析+5VQ1R8PN425010kLS1SPEAKER图 3.9 报警电路3.2 脉搏信号采集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、压阻式传感器以及应变式传感器。3.2.1 光电传感器的结构及原理近年来，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。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

41、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，它的特性是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二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。从光源发出的光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。光电式脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射式和反射式 2 种。 其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置，接收的是透射 光，这种方法可较好地反映出心律的时间关系。因此本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。透射式光电传 感器结构如图 3.2 所示。14河南城建学院本科毕业设计

42、（论文）系统的硬件部分设计分析图 3.1 式光电传感器结构图3.2.2 信号采集电路图 3.2 脉搏信号的采集电路，U3 是红外发射接收装置，由于红外发射二极管 中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大，所以对 R21 阻值的选取 要求较高。R21 选择 270同时也是基于红外接收三极管感应红外光灵敏度考虑的。 R21 过大，通过红外发射二极管的电流偏小，红外接收三极管无法区别有脉搏和无 脉搏时的信号。反之，R21 过小，通过的电流偏大，红外接收三极管也不能准确地 辨别有脉搏和无脉搏时的信号。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，

43、但是由于红外接收三极管中存在暗电流，会造成输 出电压略低。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 收三极管中的暗电流减小，输出电压上升。但该传感器输出信号的频率很低，如 当脉搏只有为 50 次/分钟时，只有 0.78Hz，200 次/分钟时也只有 3.33Hz，因此信 号首先经 R22、C10 滤波以滤除高频干扰。R21R2256KU3COptoisolator1 2GND图 3.3 信号采集电路15河南城建学院本科毕业设计（论文）系统的硬件部分设计分析3.3 信号放大电路本设计采用的放大器是LM324。LM324 是四运放集成电路，它采用14 脚双列 直插塑料封装.它的内

44、部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四 组运放相互独立。由于LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可 单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。由于通过光电式脉搏传感器检测到的脉搏波的信号非常微弱，所以在单片机 接受处理前需要进行信号的放大处理。按人体脉搏在运动后跳动次数达 200 次/分 钟的计算来设计低通放大器，放大电路如图 3.5 所示。R23、C6 组成低通滤波器以 进一步滤除残留的干扰，截止频率由 R23、C6 决定，运放 U3A 将信号放大，放大 倍数由 R23 和 R27 的比值决定。47nf R1M V456R2656KGNDGND图

45、 3.5 放大电路根据一阶有源滤波电路的传递函数，可得：A(s)VO(s)Ao(3.1)isV (s)1wc放大倍数为： A 1R2311M214(3.2)0R274.7K16河南城建学院本科毕业设计（论文）系统的硬件部分设计分析截止频率为： f 013.39Hz(3.3)2 R23C6按人体的脉搏跳动为 200 次/分钟时的频率是 3.3 Hz 考虑，低频特性是令人满 意的。经过低通放大后输出的信号是叠加有噪声的脉动正弦波。3.4 波形整形电路波形整形电路如图 3.6 所示，U2A 是一个电压比较器，C11、R29 构成一个微 分器，U1A 和 C7、R32 组成单稳态多谐振荡器，其脉宽由

46、C7、R32 决定。该比较器的阀值电压可用 R31 调节在正弦波的幅值范围内，但是对 R31 的调 节要求并不严格，因为 U2A 的输出信号经 C11、R29 的微分后总是将尖脉冲送到单片机INT 0 脚，进行对心率的计算和显示。U2AR25LM324C1VCC10K8R281nf22KR29R1MGND图 3.6 整形电路3.5 单片机处理电路单片机处理电路如图 3.7 所示，本部分运用了 ATMEL 公司的 89S52 单片机作 为核心元件，在这里运用单片机能更快更准确地对数据进行运算，而且可以根据 实际情况进行编程，所用外围元件少，轻巧省电，故障率低。单片机外围电路包括复位电路和振荡电路。本设计采用自激荡方式，使内部 振荡器按照石英晶振的频率振荡产生时钟信号。石英晶振选择频率为 11.0592MHz， 电容选择 30pf。如图 3.6 中振荡电路所示。经计算得单片机工作机器周期为： 11.0592 (1 11.0592M ) 1us 。时钟电路工作后，在 REST 管脚上加两个机器周期 （12 个晶振周期）以上的高电平，芯片内部开始进行初始复位。17河南城建学院本科毕业设计（论文）系统的硬件部分设计分析来自传感和整形输出电路的脉冲电平输入单片机 89S52 的INT 0 脚，单片机设 为负跳变中断触发模式，故每次脉冲下降沿到达时触