基于-51单片机人体脉搏测量仪的设计实现分析方案.doc

《基于-51单片机人体脉搏测量仪的设计实现分析方案.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于-51单片机人体脉搏测量仪的设计实现分析方案.doc（25页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、|目录1 绪 论 .31.1 研究背景及意义 .31.2 脉搏测量仪的研究现状 .31.3 研究的主要内容 .42 脉搏测量仪的设计方案 .53 硬件电路设计与实现 .73.1 主控制模块 .73.2 信号采集与处理模块设计 .83.2.1 ST188 红外光电传感器 .83.2.2 双运算放大器 LM358P .83.2.3 信号采集电路 .93.2.4 信号处理电路 .103.3 显示模块 .103.4 键盘电路模块 .113.5 时钟电路 .113.6 复位电路 .123.7 报警电路 .123.8 电源模块 .134 系统软件部分设计 .14|4.1 主程序设计 .144.2 中断程序

2、 .154.3 显示模块 .175 脉搏仪测试与结果分析 .205.1 程序调试 .205.2 脉搏测量仪原理图调试 .205.3 脉搏测量仪在 PROTEUS的仿真 .205.4 PCB 排版布线及硬件焊接 .215.5 测试数据与结果分析 .236 总结与分析 .24参考文献 .25|1 绪 论1.1 研究背景及意义脉象诊断已经在我国存在有几千多年历史了，就是我国传统中医必须研究的对象，由于传统医学采用的相关手段，对病人进行的病情诊断，病情的诊断会因为病人或者医者的影响，就会导致测量的准确度问题。现代科技发展的步步提高，生命学和信息学的联系是越来越紧密了，出现了许多样式各异的脉搏测量仪器，

3、尤其是电子式的脉搏测量仪现世，让平时在测量脉搏时很便捷了。使诊断更加精确、治疗能够更加完善。现如今已经有很多人慢慢认识到，在日常中绿色健康的生活方式，以及对相关疾病防治的重要性。在检测人体脉搏信号的领域里，当今世界上已有许多的先进的知识体系，在当今医学技术里面，人体心血管健康能进行无创检测的方法和仪器不断涌现。研究一种无害的而且实用的测量仪器，使愈来愈多的人关心自己的心血管健康状态，能够在心血管疾病的还处于轻度状态时，进行快一步的发现，而且还能够平时的生活中进行预防。采用光电传感技术，实现光电法提取指尖脉搏信息，送入控制芯片进行计数并在显示设备上显示脉搏技术，制成的脉搏测量仪器性能良好，结构简

4、单，在脉诊方面具有一定的应用和推广实效。1.2 脉搏测量仪的研究现状在日新月异的医疗学中，检测脉搏跳动，来获得患者的身体健康状态的电子科技医疗器件是越来越多了。脉搏信号是显示出身体健康状况的渠道，检测脉搏信号的仪器在传统检测中有它的优势所在。在研究脉搏系统期间，对许多已经出现在网络、市场上的脉搏仪器进行了调查，发现网络、市场上有许多较高的效率，而且比较精确的测量产品，在仔细调查后，发现其中的许多仪器都存在部分不足，所以就没有把其设计的路线和解决其中问题的设计方案应用到大范围的电子产品生产方面去，也就没有大规模的应用到医学领域中去。比如有些脉搏测量仪器还是比较高效且精确的，但是在物价高涨现代社会

5、，产品的价格是非常高的，在普通消费者比较多的情况下，是不能承受的。有的医疗测量仪器需要比较严格的检测环境，才能检测出人体的脉搏信号，如此要求严格|的测量环境，根本不能在平常的消费者当中所处的条件里准确测量。此外有的仪器是在操作的过程当中，因为操作过程比较繁琐，所以就无法推广并当作产品进行广泛销售。根据走访调查，了解到现如今还有许多经济比较落后的地方都是采取听诊来进行测量的，没有相对比较便宜且准确的仪器所代替。1998 年 01 月朱国富等做的袖珍式动脉脉搏波监测仪是基于单片微机 8098作为控制器，利用光电式传感器采集信号 1。2005 年 09 月刘文等设计了利用 51 系列单片机开发指脉采

6、集系统，实现对人体的脉搏数据采集、存储、报警等功能 2。该系统成本低，实用性强。2011 年 10 月将为等设计了基于 32 位 CMOS 单片机的人体脉搏波形测量仪，实现了在 LCD 上直接显示出脉搏波形，该体系基本达到了仪器的测量精度，而且系统的响应速度方面得到了提升了 3，系统有良好准确度，使用便捷，耗材低。2015 年 2 月李宏恩等设计了以 AT89C51 单片机为核心,将光电传感器采集到信号经过电路处理后输入到 AT89C51 内,利用单片机内部的定时器来计算时间,然后将脉冲的次数进行累加,就可以计算出脉搏每分钟的跳动次数 4。1.3 研究的主要内容 用 STC89C52 单片机作

7、为系统设计的核心控制和处理单元，并且用红外传感器 ST188 对人体的脉搏信号进行采集，接下来把脉搏信号经相关电路放大、滤波、整形，进行 A/D 转换，输入给单片机系统进行处理，运用软件和硬件的处理技术实现对脉搏信号比较准确的测量，设计出指尖放在 ST188 的表面上，系统能够在 2 到 5 秒钟内测出脉搏在 1 分钟的跳动数据，并显示在 1608 液晶屏上，可以设置脉搏测量仪测量脉搏信号的的上下限，报警模块会根据设置进行蜂鸣报警。|2 脉搏测量仪的设计方案在脉搏测量仪的设计中，信号的采集和获取是关键。在设计的过程中，脉搏信号可以无误、有效、真实地采集，那么设计就可以顺利的进行。动脉信号极弱，

8、振幅非常有限，难于进行采集和获取。生物的各部分的生理信号都是相互干扰、相互影响，在这种情况下，脉搏信号就会受到噪声的干扰。脉搏信号的频率是很低的，正常人每分钟的脉搏跳动次数在 60 到 100 之间，频率在 1Hz 到 1.67Hz，平均在 70 次左右。能够选择合理的传感器来对脉搏信号进行测量，才能够获得无误、有效、真实地采集，才能完整而又准确的反映一个人的身体活动的生理信息，设计的脉搏仪才能正常且高效地工作。采用红外传感器进行对脉搏信号的采集，光电系统通常是指能够敏感到紫外光至红外光的光能量，并将这个光能量变换成电信号的器件。光电式传感器测量比较微小的位移变化有非常明显的作用，而且红外传感

9、器对材料、电路模块控制以及光电管的特性要求是相对要高的。光电式检测信号是使用红外传感器测试出血脉中流动时对光的透过率、反射率不同，就将收到的信号进行光电转换。选择 ST188 传感器对信号进行采集是最合适的。选择 STC89C52 单片机系统，该设计的的可靠性可以得到提升，而且简化电路的设计，从而使系统耗材减少。显示模块选择 LCD 液晶显示屏，因为液晶显示屏的信 息 量 大 ， 使 用 的 寿 命相 关 的 长 ， 而 且 能 够 在 低压的情况下驱动。LCD 具有的独特的优点特性，对信息的显示效果也是非常好的，而且控制方面也比较简便使用等等。蜂鸣器模块采用蜂鸣器在超过上限低于下限时报警，并

10、添加一个蜂鸣器开关。按键功能由 4 个按键开关组成，用于对单片机的复位，设置上下限，数值加，数值减。电源模块是采用的 DC 电源插座，还有自锁开关实现对系统的断电续电，并保护系统。硬件电路设计框图如图 2-1 所示。|图 2-1 硬件电路设计框图|3 硬件电路设计与实现硬件电路的设计也是实现系统功能的重要部分，由主控制模块进行系统控制，LCD模块进行数据的显示，传感器进行脉搏的采集，运放电路进行数据的处理，按键电路进行数据的调节以及系统的复位，蜂鸣电路进行异常报警，电源电路是为系统提供工作电压。硬件电路如图3-1所示。图3-1 硬件电路原理图3.1 主控制模块STC89C52单片机可以让开发者

11、通过计算机的并行端口或者串行端口直接将可执行文件烧写到单片机中，这样就可以在开发板上进行仿真，在电路设计中，单片机的每个引脚的功能都要充分实现，图3-2为STC89C52的引脚图。图3-2 STC89C52RC引脚图|电源引脚：40引脚为VCC引脚，连接5V的电源，20引脚为GND引脚，必须接地。那么第40引脚就直接接到电源的正极 5。输入/输出端口：如图3-2，40引脚的下一个是第39引脚，是P0的起始引脚，直到第32脚这8个脚是P0；1引脚到8引脚为P1；21到28引脚为P2；10引脚到17引脚为P3；39引脚、1引脚、21引脚、10引脚就是4个Port的开始引脚，因此把这四个引脚称为输入

12、/输出端口。能连接各个辅助电路实现硬件的连接，如显示电路，按键电路，蜂鸣器电路等。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。P0作为I/O口输出时，输出低电平为0输出高电平为高组态，就是说P0不能真正的输出高电平，如果要为所接的负载提供电流，就一定要用到上拉电阻。复位引脚：所有的微处理都需要复位的动作，复位引脚是9引脚，接高电平超过2个机器周期，即可产生复位动作。频率引脚：18引脚、19引脚是时钟脉冲引脚，连接震荡电路。存储器引脚：31引脚是存取外部存储器使能引脚，设计中只使用内部存储器，因此就把使能引脚直接接到电源正极 5。外部存储器引脚：因为用到的是内部存储器，所

13、以29引脚、30引脚就使用悬空。3.2 信号采集与处理模块设计 3.2.1 ST188 红外光电传感器信号采集用的是反射式红外光电传感器，由红外发光二极管和红外光敏三极管构成。A_K 为发射管；C_E 为接收管。电路图如图 3-3 所示。图 3-3 ST188 传感器电路图3.2.2 双运算放大器 LM358PLM358P内部有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器， 1引脚、2引脚、3引脚为第一极运算放大通道，运放的1引脚是OUT端，运放的2引脚|是反相INT端，运放的3引脚是同相INT端；5、6、7引脚为另一运放通道，7引脚是输出端，6引脚是反相输入端，5引脚是同相输入端；8引脚接

14、VCC；4引脚是接地或负电源 6。LM358P的引脚结构如图3-4所示。图3-4 LM358的引脚结构3.2.3 信号采集电路打开电源后，发光二极管发射红外光照射到血管上，其中的部分光信号经过血管反射被光敏三极管所接收且转换成电信号送至测量处理电路，测出血管中血液流动状态 7。血管中的血液流动平滑时，发射出去的光经过反射，接收管收到的发射光没有幅度上的大变化，采集电路就没有信号输出；当血管受压血液不流动时，传感器也无输出信号；只有当血管受到了压力的作用时，血管里面的血液就会根据压力的作用产生断续，反射光也跟着之产生改变，就会让接收管电流发生变化，因此传感器就会输出脉搏信号。激励电阻 R4 选择

15、 470 欧姆是基于红外接收管所考虑的，传感器输出的脉冲信号是非常微弱的低频信号，脉搏数是 50 次/分为 0.78Hz，200 次/分为 3.33Hz。脉搏采集电路如图 3-5 所示。图 3-5 脉搏采集电路|3.2.4 信号处理电路经过传感器的输出信号是低频信号而且还伴有干扰信号，信号经 R5 和 C4滤除高频干扰，再由耦合电容 C5、C6 加到放大输入端，电容的作用传递电流信号，进入运算放大器电路处理后变为电压信号既脉冲信号，信号要经过两级放大，即滤波放大和整形放大，经过滤波放大后的信号还是不规则的脉冲信号，而且还有低频信号的干扰，就必须利用整形电路进行处理 9。R9 为反馈电阻，运放电

16、路中选第二级作为滞回电压比较器，处于开环状态，电压增益很大，目的是进一步提高电路的抗干扰能力，而且还在 LM358P 的输出端 XL 连接一个作为系统工作状态的发光二极管。信号处理电路如图 3-6 所示。图 3-6 信号处理电路3.3 显示模块LCD1602是因为在显示屏要显示的数据是16X2,就是可以显示出两行数据，上下两行都可以显示16个字符和数字，LCD1602显示模块有标准的16脚接口。接口如下：第1引脚GND是接地的；第2引脚为VCC是接5V电源正极；第3引脚，V0是LCD1602的液晶显示器对比度调整端，接VCC时对比度是最弱的，接GND时对比度是最高的，在使用时如果对比度过高 10，会因为响应速度原因使图像发生模糊，所以在使用时用R2接VCC和R1接地调整对比度；第4脚RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器；第5脚RW为读写信号线，高低电平时分别进行读操作和写操作；第6脚，EN端为使能端,高电平时读取信息，负跳变时执行指令；第7脚与第14脚，D0到D7是8位双向数据端，在LCD的7到14脚与单片机的32到39引脚之间要用到排阻103，P0口做输出口时，只有接上拉电阻才能有高电平输出。 ；第15脚与第16脚，空脚或背灯电源，15脚背光正极