基于單片機的脈搏測量儀論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 產，兼容標準 MCS51 指令系統，片內置通用 8 位中央處理器(CPU)和 Flash 存儲單元，功能強大 AT89S52 單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。 AT89S52 的特點與 MCS51 產品指令系統完全兼容4k 字節可重擦寫 Flash 閃速存儲器1000 次擦寫周期全靜態操作：OHz24MHz三級加密程序存儲器128*8 字節內部 RAM32 個可編程 I／O 口線2 個 16 位定時／計數器6 個中斷源可編程串行 UART 通道低功耗空閑和掉電模式 AT89S52 的結構此次設計所使用的AT89S52 的封裝形式是DIP40。如圖 所示。7圖 AT89S52 的封裝形式引腳功能：Vcc：電源電壓GND：接地P0 口：P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I／0 口，也即地址／數據總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗轉入端用。Pl 口： P1 是—個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I／O 口，P1 的輸出緩沖級可驅動(吸收或輸出電流)4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電萌。P2 口：P2 是一個帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I／O 口，P2 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流)4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P3口：：①可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設備。②作為第二功能使用， 所示。8表 P3 口的第二功能端口引腳 第二功能 RXD(串行輸入口) TXD(串行輸出口) INTO(外中斷 0) INT1(外中斷 1) TO(定時/計數器 0) T1(定時/計數器 1) WR(外部數據存儲器寫選通 ) RD(外部數據存儲器讀選通 )RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST 引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時， ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節。即使不訪問外部存儲器，ALE 仍以時鐘振器頻率的 1／6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。PSEN：程序存儲允許（PSEN ）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89S52 由外部程序存儲器取指令(或數據)時．每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器，這兩次有效的 PSEN 信號不出現。EA／VPP：EA ＝0，單片機只訪問外部程序存儲器。EA ＝1，單片機訪問內部程序存儲器。．XTALI：振蕩器反相放大器的及內部時鐘發生器的輸入端。．XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。9 電源電路電源電路如圖 所示。本設計采用 USB 供電，使用按鍵開關控制電路通與斷，分別將 VCC 和 GND 接入電路中圖 電源電路 時鐘電路AT89S52 雖然有內部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外接元件，所以實際構成的振蕩時鐘電路，外接晶振以及電容 C7 和 C10 構成了并聯諧振電路接在放大器的反饋回路中，對接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響振蕩頻率的高低，振蕩器的穩定性，起振的快速性和溫度的穩定性。晶振的頻率可在 ~12MHZ 之間任選，電容 C7 和 C10 的典型值在 20pf~100pf之間選擇，由于本系統用到定時器，為了方便計算，采用了 12M 的晶振，采用電容選擇 30pf，時鐘電路如圖 所示。10圖 時鐘電路 復位電路AT89S52 的復位輸入引腳 RST 為單片機提供了初始化的手段，可以使程序從指定處開始執行，在 AT89S52 的時鐘電路工作后，只要 RST 引腳上出現超過兩個機器周期以上的高電平時，即可產生復位的操作，只要 RST 保持高電平，則 AT89S52 循環復位，只有當 RET 由高電平變成低電平以后， AT89S52 才從0000H 地址開始執行程序，本系統采用按鍵復位方式的復位電路。復位電路如圖 所示。圖 復位電路11 脈搏信號采集目前脈搏波檢測系統有以下幾種檢測方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應變式脈搏傳感器。近年來, 光電檢測技術在臨床醫學應用中發展很快, 這主要是由于光能避開強烈的電磁干擾, 具有很高的絕緣性, 且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息,具有結構簡單、無損傷、精度高、可重復好等優點 [6]。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫學儀器工作的專家和學者的重視。 光電傳感器的原理根據朗伯比爾(LamberBeer)定律，物質在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比。當恒定波長的光照射到人體組織上時，通過人體組織吸收、反射衰減后，測量到的光強將在一定程度上反映了被照射部位組織的結構特征 [7]。脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產生的，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，因此光電式脈搏傳感器的測量部位通常在人體指尖。手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織，其中非血液組織的光吸收量是恒定的，而在血液中，靜脈血的搏動相對于動脈血是十分微弱的，可以忽略。因此可以認為光透過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起的，那么在恒定波長的光源照射下，通過檢測透過手指的光強將可以間接測量到人體的脈搏信號 [7]。 光電傳感器的結構傳感器由紅外發光二級管和紅外接收三極管組成。采用 GaAs 紅外發光二極管作為光源時，可基本抑制由呼吸運動造成的脈搏波曲線的漂移。紅外接收三極管在紅外光的照射下能產生電能，它的特性是將光信號轉換為電信號。在本設計中，紅外接收三極管和紅外發射二極管相對擺放以獲得最佳的指向特性。從光源發出的光除被手指組織吸收以外，一部分由血液漫反射返回，其余部分透射出來。光電式脈搏傳感器按照光的接收方式可分為透射式和反射式 2種 [8]。其中透射式的發射光源與光敏接收器件的距離相等并且對稱布置，接收的是透射光，這種方法可較好地反映出心律的時間關系。因此本系統采用了指12套式的透射型光電傳感器, 實現了光電隔離,減少了對后級模擬電路的干擾。結構如圖 所示。圖 透射式光電傳感器 光電傳感器檢測原理檢測原理是: 隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變：當血液送到人體組織時，組織的半透明度減小，當血液流回心臟，組織半透明度則增大；這種現象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯 [5]。因此本設計將紅外發光二極管產生的紅外線照射到人體的手指部位，經過手指組織的反射和衰減由裝在該部位旁邊的光敏三管來接收其透射光并把它轉換成電信號。由于手指動脈血在血液循環過程中呈周期性的脈動變化，所以它對光的反射和衰減也是周期性脈動的, 于是紅外接收三極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化。故只要把此電信號轉換成脈沖并進行整形、計數和顯示 [9]，即可實時的測出脈搏的次數。 信號采集電路圖 是脈搏信號的采集電路，L2，L3 分別是紅外發射和接收裝置，由于紅外發射二極管中的電流越大，發射角度越小，產生的發射強度就越大，所以對 R6 阻值的選取要求較高。R6 選擇 330Ω 同時也是基于紅外接收三極管感應紅外光靈敏度考慮的。R6 過大，通過紅外發射二極管的電流偏小，紅外接收三極管無法區別有脈搏和無脈搏時的信號。反之，R6 過小，通過的電流偏大，紅外接收三極管也不能準確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。當手指離開傳感器或檢測到較強的干擾光線時，輸入端的直流電壓會出現很大變化，為了使它不致泄露到 U2B 輸入端而造成錯誤指示，用 C2 耦合電容把它隔斷 [10]。當手指處于測量位置時，會出現二種情況：一是無脈期。雖然手指遮擋了紅外發射二極管發射的紅外光，但是由于紅外接收三極管中存在暗電流，會造成輸出電壓略低。二是有脈期。當有跳動的脈搏時，血脈使手指透光性變差，紅外接收三極管中的暗電流減小，輸出電壓上升。但該傳感器輸出信號的頻率13很低，如當脈搏只有為 50 次/分鐘時，只有 ，200 次/分鐘時也只有，信號首先經 C6 濾除高頻干擾，再由耦合電容 C2 加到線性放大輸入端。圖 信號采集電路 信號放大由于人體的脈搏通常為 50~200 次/分鐘，對應的頻率范圍在 ~之間，因此經紅外檢測采集到并轉換得到的電信號頻率就非常低。為了防止信號因外界高頻信號干擾而使檢測結果有誤，信號就必須先進行低通濾波，以便濾出絕大部分的高頻干擾。而且脈搏儀所使用的地點不能保證是陰暗的室內，所以要考慮到強光對其測量的干擾。此外，低頻信號需要經過多倍放大和整形，才能被主控模塊所接受和處理。信號轉換模塊會使用到 LM358 運算放大器。主要參數和特性如下：LM358 內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。 [3]14特性(Features):　　? 內部頻率補償　　? 直流電壓增益高 (約 100dB)　　? 單位增益頻帶寬 (約 1MHz)　　? 電源電壓范圍寬：單電源(3—30V)　　? 雙電源 (177。 ——177。15V)　　? 低功耗電流，適合于電池供電　　? 低輸入偏流　　? 低輸入失調電壓和失調電流　　? 共模輸入電壓范圍寬，包括接地　　? 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍? 輸出電壓擺幅大 (0 至 )[4]表 LM358 引腳功能說明 電阻參數（KΩ）直流電壓參數（V）引腳序號英文縮寫集成電路引腳功能 正筆接地負筆接地有信號 無信號1 AMPout1放大信號（1）輸出17 7 2 IN1反向信號（1）輸入19 3 IN1+同向信號（1）輸入 4 GND 接地 0 0 0 05 IN2反向信號（2）輸入 6 IN2+同向信號（2）輸入58 8 7 AMPout2 放大信號（2）輸 18 15出8 Vcc 電源電壓+12V 12 12 放大電路按人體脈搏在運動后跳動次數達 200 次/分鐘的計算來設計低通放大器，如圖 所示。RWC2，C3,C4 組成低通濾波器以進一步濾除殘留的干擾，截止頻率由 RC2 ，C3,C4 決定，運放 U2A 將信號放大，放大倍數由 R4 和RW1 的比值決定。圖 低通放大電路根據一階有源濾波電路的傳遞函數，可得： 00()1icVsAw??放大倍數為：H=R4/RW1 =20 截止頻率為：fH = 按人體的脈搏跳動為 200 次/分鐘時的頻率是 Hz 考慮，低頻特性是令人滿意的16經過低通放大后輸出的信號是疊加有噪聲的脈動正弦波。波形如圖 所示。圖 放大后波形 波形整形電路波形整形電路如圖 所示，U3B 是一個電壓比較器，在電壓比較器的負向電壓輸入端通過 RR5 分壓得到 的基準電壓，放大后的信號通過 C5電容耦合進入比