基于單片機(jī)的脈搏測(cè)量?jī)x畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、<p>　　*************學(xué)院</p><p>　　**********學(xué)年</p><p><b>　　第二學(xué)期</b></p><p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　課題名稱(chēng)： 基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的脈搏測(cè)量?jī)x </p><p&

2、gt;　　設(shè)計(jì)時(shí)間： ************************ </p><p>　　系 部： 電子信息工程系 </p><p>　　班 級(jí)： *****電氣技術(shù) </p><p>　　姓 名： ***********

3、 </p><p>　　指導(dǎo)教師： ****************** </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 引 言10</p><p>　　第二章 硬件電路設(shè)計(jì)11</p><p>　　2.1 AT89C2

4、051主要性能11</p><p>　　2.2  AT89C2051的結(jié)構(gòu)框圖12</p><p>　　2.3  AT89C2051的引腳說(shuō)明13</p><p>　　2.4 復(fù)位電路15</p><p>　　2.5 振蕩電路15</p><p>　　第三章 基本結(jié)構(gòu)模塊16<

5、/p><p>　　3.1 脈搏波檢測(cè)電路16</p><p>　　3.2 脈搏信號(hào)拾取電路16</p><p>　　3.3 信號(hào)放大18</p><p>　　3.4 波形整形部分20</p><p>　　第四章 整體電路分析21</p><p>　　4.1 光發(fā)射電路21&l

6、t;/p><p>　　4.2 光電轉(zhuǎn)換電路21</p><p>　　4.3 信號(hào)采集及處理系統(tǒng)22</p><p>　　4.4 過(guò)采樣技術(shù)的應(yīng)用22</p><p>　　4.5 整體硬件電路設(shè)計(jì)23</p><p>　　第五章 軟件設(shè)計(jì)25</p><p>　　5.1 程序設(shè)計(jì)

7、25</p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ)29</b></p><p><b>　　致 謝31</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p>　　附錄………………………………………………………………………………………………..33</p&

8、gt;<p>　　基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的脈搏測(cè)量?jī)x</p><p>　　[摘 要] 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(dòng)脈上，根據(jù)脈搏的跳動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)。為了節(jié)省時(shí)間，一般不會(huì)作1分鐘的測(cè)量，通常是測(cè)量10秒鐘時(shí)間內(nèi)心跳的數(shù)，再把結(jié)果乘以6即得到每分鐘的心跳數(shù)，即使這樣做還是比較費(fèi)時(shí)，而且精度也不高。本文介紹一種用單片機(jī)制作的脈搏測(cè)量?jī)x，只要人把手指放在傳感器內(nèi)

9、2秒鐘就可以精確測(cè)量出每分鐘脈搏數(shù)，測(cè)量結(jié)果用三位數(shù)字顯示。</p><p>　　[關(guān)鍵詞]：AT89C2051 單片機(jī) 脈搏測(cè)量?jī)x</p><p>　　Single-chip design based on the pulse measuring instrument</p><p><b>　　Zhou Jing</b></p>

10、;<p>　　0601 Electrical Technology</p><p>　　Abstract: Nurse hospital wants to give in hospital every day the patient takes the pulse to record the patient each minute pulse number, the method is with t

11、he hand according to on the patient wrist's department artery, carries on the counting according to pulse's beat. For the saving of time, will not make 1 minute survey generally, usually will be surveys in 10 sec

12、onds time palpitation's number, will be multiplied by again the result 6 namely obtains each minute palpitation number, even if wil</p><p>　　Key words: AT89C2051 monolithic integrated circuit pulse meas

13、uring instrument</p><p><b>　　第一章 引 言 </b></p><p>　　脈搏測(cè)量屬于檢測(cè)有無(wú)脈博的測(cè)量，有脈搏時(shí)遮擋光線，無(wú)脈搏時(shí)透光強(qiáng)，所采用的傳感器是紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管。用于體育測(cè)量用的脈搏測(cè)量大致有指脈和耳脈二種方式。這二種測(cè)量方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，指脈測(cè)量比較方便、簡(jiǎn)單，但因?yàn)槭种干系暮瓜佥^多，指夾常年使用，污染可能

14、會(huì)使測(cè)量靈敏度下降；耳脈測(cè)量比較干凈，傳感器使用環(huán)境污染少，容易維護(hù)。但因耳脈較弱，尤其是當(dāng)季節(jié)變化時(shí)，所測(cè)信號(hào)受環(huán)境溫度影響明顯，造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。</p><p>　　從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來(lái)都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。幾乎世界上所有的民族都用過(guò)“摸脈”作為診斷疾病的手段。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強(qiáng)度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的綜合信息，在很大程度上反

15、映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征,因此對(duì)脈搏波采集和。</p><p>　　處理具有很高的醫(yī)學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景。但人體的生物信號(hào)多屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻的弱信號(hào), 脈搏波信號(hào)更是低頻微弱的非電生理信號(hào), 必需經(jīng)過(guò)放大和后級(jí)濾波以滿足采集的要求。</p><p>　　第二章 硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 AT89C2051主要性能</p&

16、gt;<p>　　AT89C2051是ATMEL公司生產(chǎn)的帶2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)的8位單片機(jī),它具有如下主要特性：</p><p>　?。?）和MCS-51產(chǎn)品的兼容 </p><p>　　（2）2K字節(jié)可重編程閃速存儲(chǔ)器 </p><p>　?。?）耐久性：1,000寫(xiě)／擦除周期 </p><p&

17、gt;　　（4）2.7V～6V的操作范圍 </p><p><b>　?。?）全靜態(tài)</b></p><p>　　圖2-1 AT89C2051的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　操作：0Hz～24MHz ·兩級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 ·128×8位內(nèi)部RAM ·15根可編程I/O引線 ·兩個(gè)16

18、位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 ·六個(gè)中斷源 ·可編程串行UART通道 ·直接LED驅(qū)動(dòng)輸出 ·片內(nèi)模擬比較器 ·低功耗空載和掉電方式·和MCS-51產(chǎn)品的兼容 ·2K字節(jié)可重編程閃速存儲(chǔ)器 ·耐久性：1,000寫(xiě)／擦除周期 ·2.7V～6V的操作范圍 ·全靜態(tài)操作：0Hz～24MHz ·兩級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 ·

19、128×8位內(nèi)部RAM ·15根可編程I/O引線 ·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 ·六個(gè)中斷源 ·可編程串行UART通道 ·直接LED驅(qū)動(dòng)輸出 ·片內(nèi)模擬比較器 ·低功耗空載和掉電方式·和MCS-51產(chǎn)品的兼容 ·2K字節(jié)可重編程閃速存儲(chǔ)器 ·耐久性：1,000寫(xiě)／擦除周期 ·2.7V～6V的操作范圍

20、 ·全靜態(tài)操作：0Hz～24MHz ·兩級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 ·128×8位內(nèi)部RAM ·15根可編程I/O引線 ·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 ·六個(gè)中斷源 ·可編程串行UART通道 ·直接LED驅(qū)動(dòng)輸出 ·片內(nèi)模擬比較器 ·低</p><p>　　2.2  AT89C2051的結(jié)

21、構(gòu)框圖</p><p>　　AT89C2051是一帶有2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)體(EEPROM)的低電壓,高性能8位CMOS微型計(jì)算機(jī)。如圖10.2所示。它采用ATMEL的高密非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造并和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS—51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。通過(guò)在單塊芯片上組合通用的CPL1和閃速存儲(chǔ)器,ATMEL AT89C2051是一強(qiáng)勁的微型計(jì)算機(jī),它對(duì)許多嵌入式控制應(yīng)用提供一高度靈活和成本低的解決辦法。</p

22、><p>　　圖2-2 AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　此外,從AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖也可看出,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與8051內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致（除模擬比較器外）,引腳RST、XTAL1、XTAL2的特性和外部連接電路也完全與51系列單片機(jī)相應(yīng)引腳一致,但P1口、P3口有其獨(dú)特之處。</p><p>　　2.3  AT89C2051的引腳說(shuō)明&

23、lt;/p><p>　　AT89C2051是一個(gè)有20個(gè)引腳的芯片,引腳如圖10.1所示,與8051內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn),AT89C2051減少了兩個(gè)對(duì)外端口（即P0、P2口）,使它最大可能地減少了對(duì)外引腳,因而芯片尺寸有所減少。</p><p>　　AT89C2051芯片的20個(gè)引腳功能為：</p><p>　　1. Vcc：電源電壓。</p><

24、;p>　　2. GND：地。 </p><p>　　3. P1口：P1口是一8位雙向I/O口?？谝_P1.2～P1.7提供內(nèi)部上拉電阻。 P1.0和P1.1要求外部上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入(AIN0)和反相輸入（AIN1)。P1口輸出緩沖器可吸收20mA電流并能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示。當(dāng)P1口引腳寫(xiě)入“1”時(shí),其可用作輸入端。當(dāng)引腳P1.2～P1.7用作輸入并被外部拉低

25、時(shí),它們將因內(nèi)部的上拉電阻而流出電流(IIL)。 P1口還在閃速編程和程序校驗(yàn)期間接收代碼數(shù)據(jù)。</p><p>　　4. P3口：P3口的P3.0～P3.5、P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻的七個(gè)雙向I/0引腳。P3.6用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號(hào)并且它作為一通用I/O引腳而不可訪問(wèn)。P3口緩沖器可吸收20mA電流。當(dāng)P3口引腳寫(xiě)入“1”時(shí),它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時(shí),被外部拉低的P3口引腳

26、將用上拉電阻而流出電流(IIL)。P3口還用于實(shí)現(xiàn)AT89C2051的各種功能,如下表10-1所示。P3口還接收一些用于閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。</p><p>　　5. RST：復(fù)位輸入。RST一旦變成高電平,所有的I/O引腳就復(fù)位到“1”。當(dāng)振蕩器正在運(yùn)行時(shí),持續(xù)給出RST引腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平便可完成復(fù)位。每一個(gè)機(jī)器周期需12個(gè)振蕩器或時(shí)鐘周期。</p><p>　　6

27、. XTAL1：作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。</p><p>　　7. XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。</p><p>　　表1-1  P3口的功能</p><p>　　從上述引腳說(shuō)明可看出，AT89C2051沒(méi)有提供外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器與I/O設(shè)備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號(hào),因此利用AT89C2051構(gòu)成的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不能在

28、AT89C2051之外擴(kuò)展存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備，也即AT89C2051本身即構(gòu)成了最小單片機(jī)系統(tǒng)。</p><p><b>　　2.4 復(fù)位電路</b></p><p>　　圖2-3 復(fù)位電路圖</p><p>　　時(shí)鐘電路工作后，在REST管腳上加兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，芯片內(nèi)部開(kāi)始進(jìn)行初始復(fù)位（如圖2—3）。</p><

29、p><b>　　2.5 振蕩電路</b></p><p>　　圖2-4 振蕩電路圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)晶振選擇頻率為12MHz，電容選擇30pF如圖（2－4）。經(jīng)計(jì)算得單片機(jī)工作胡機(jī)器周期為：</p><p>　　12×（1÷12M）=1us。</p><p>　　第三章 基本結(jié)

30、構(gòu)模塊</p><p>　　3.1 脈搏波檢測(cè)電路</p><p>　　目前脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)有以下幾種檢測(cè)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(yīng)變式脈搏傳感器。近年來(lái), 光電檢測(cè)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很快, 這主要是由于光能避開(kāi)強(qiáng)烈的電磁干擾, 具有很高的絕緣性, 且可非侵入地檢測(cè)病人各種癥狀信息。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學(xué)儀器工作的專(zhuān)家和

31、學(xué)者的重視。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了指套式的透射型光電傳感器, 實(shí)現(xiàn)了光電隔離,減少了對(duì)后級(jí)模擬電路的干擾，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。</p><p>　　圖3-1 透射式光電傳感器圖</p><p>　　傳感器由發(fā)光二級(jí)管和光敏二極管組成, 其工作原理是: 發(fā)光二極管發(fā)出的光透射過(guò)手指,經(jīng)過(guò)手指組織的血液吸收和衰減，由光敏二極管接收。由于手指動(dòng)脈血在血液循環(huán)過(guò)程中呈周期性的脈動(dòng)變化，所以它對(duì)光的吸收和衰減

32、也是周期性脈動(dòng)的, 于是光敏二極管輸出信號(hào)的變化也就反映了動(dòng)脈血的脈動(dòng)變化。</p><p>　　3.2 脈搏信號(hào)拾取電路</p><p>　　如圖2所示，IClA為單位增益緩沖器，用于產(chǎn)生2.5V的基準(zhǔn)電壓。 </p><p>　　圖3-2 信號(hào)拾取器圖</p><p>　　紅外接收二極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能，單個(gè)二極管能產(chǎn)

33、生O.4 V電壓，0.5 mA電流。BPW83型紅外接收二極管和IR333型紅外發(fā)射二極管工作波長(zhǎng)都是940 nm，在指夾中，紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管相對(duì)擺放以獲得最佳的指向特性。紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強(qiáng)度就越大。在圖l中，RO選100 Ω是基于紅外接收二極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R0過(guò)大，通過(guò)紅外發(fā)射二極管的電流偏小，BPW83型紅外接收二極管無(wú)法區(qū)別有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)的信號(hào)。反之，R0過(guò)小，通過(guò)的

34、電流偏大，紅外接收二極管也不能準(zhǔn)確地辨別有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)的信號(hào)。當(dāng)紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光直接照射到紅外接收二極管上時(shí)，IC1B的反相輸入端電位大于同相輸入端電位，Vi為“O”。當(dāng)手指處于測(cè)量位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)二種情況：一是無(wú)脈期。雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是，由于紅外接收二極管中存在暗電流，仍有l(wèi)μA的暗電流會(huì)造成Vi電位略低于2.5 V。二是有脈期。當(dāng)有跳動(dòng)的脈搏時(shí)，血脈使手指透光性變差，紅外接收二極管中的暗電流減小

35、，Vi電位上升。</p><p>　　由此看來(lái)，所謂脈搏信號(hào)的拾取實(shí)際上是通過(guò)紅外接收二極管，在有脈和無(wú)脈時(shí)暗電流的微弱變化，再經(jīng)過(guò)IClB的放大而得到的。所拾取的信號(hào)為2μV左右的電壓信號(hào)。</p><p>　　3.3 信號(hào)放大</p><p>　　按人體脈搏在運(yùn)動(dòng)后最高跳動(dòng)次數(shù)達(dá)240次/分計(jì)算來(lái)設(shè)計(jì)低通放大器，它由IC2A和C04等組成，如圖2所示。轉(zhuǎn)折頻

36、率由R07、C04、R08和C05決定，放大倍數(shù)由R08和R06的比值決定。</p><p>　　圖3-3 低通濾波器圖</p><p>　　根據(jù)二階低通濾波器的傳遞函數(shù)，可得</p><p><b>　　（1）</b></p><p>　　放大倍數(shù)為 H=-R08/R06 =-22

37、 （2）</p><p>　　取0.707倍零頻增益計(jì)算高頻轉(zhuǎn)折頻率，即</p><p>　　fH = 7.7Hz （3）</p><p>　　按人的脈搏最高為4 Hz考慮，低頻特性是令人滿意的。</p><p>　　需要說(shuō)明的

38、是，以上分析是在忽略C03的條件下做出的，如果考慮C03的話，那么：</p><p>　　由此可見(jiàn)，C03沒(méi)有影響頻率特性的分析，它的作用只是隔直。</p><p>　　二級(jí)放大器兼比較器如圖4所示。Rpll用以調(diào)整系統(tǒng)的放大倍數(shù)，C06用以防止放大器自激。采用二級(jí)放大，零點(diǎn)漂移不很明顯，在O.1 V左右。所以將比較器的閾值電壓設(shè)計(jì)成O.25 V，以確保濾除干擾信號(hào)。采用比較器的好處是能有

39、效地克服零點(diǎn)漂移所造成的影響，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。</p><p>　　圖3-4 二級(jí)放大器和比較器圖</p><p>　　3.4 波形整形部分</p><p>　　波形整形電路如圖5所示，IC3A是CD4528型單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，有效脈寬為0.05 s．其寬度由R22和C20決定。IC3B也組成一個(gè)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，脈寬為240ms。D2、Dl和T3等組成一個(gè)

40、或非門(mén)，只有C，E兩點(diǎn)均為低電平時(shí)，信號(hào)放大器整機(jī)輸出才是高電平。設(shè)計(jì)這個(gè)電路的目的是為了在輸出端輸出一個(gè)窄脈沖，并且要在由R13和C07決定的時(shí)間內(nèi)任何信號(hào)都不會(huì)干擾輸出。R23和C21充電時(shí)間的長(zhǎng)短決定了計(jì)數(shù)脈沖的寬度，一般不希望它太寬。波形整形時(shí)序如圖6所示。</p><p>　　圖3-5 波形整形線路圖</p><p>　　第四章 整體電路分析</p><p

41、>　　4.1 光發(fā)射電路</p><p>　　經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知,采用GaAs紅外發(fā)光二極管作為光源時(shí)，可基本抑制由呼吸運(yùn)動(dòng)造成的脈搏波曲線的漂移。脈搏波檢測(cè)以光電檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，因此受周?chē)s散光、暗電流等各種干擾影響較大。為了克服這一問(wèn)題本系統(tǒng)采用脈沖振幅光調(diào)制技術(shù)。脈沖調(diào)制傳送的是調(diào)制信號(hào)的采樣值，只要采樣頻率奈奎斯特采樣頻率，則可由采樣脈沖來(lái)恢復(fù)原信號(hào)，而不會(huì)導(dǎo)致失真。系統(tǒng)對(duì)紅外二極管的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的頻率選

42、定為工頻整數(shù)倍400Hz以降低工頻干擾。脈沖載波由ADuC841內(nèi)部16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。為了保證紅外發(fā)光二極管的光源穩(wěn)定，本文采用運(yùn)放op495和NPN型三極管作為恒流源電路向發(fā)光二極管提供穩(wěn)定的工作電流，光源驅(qū)動(dòng)電路如圖4-1所示。</p><p>　　4.2 光電轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　光敏二極管的特性是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流，而隨后的A/D轉(zhuǎn)換電路是以電壓為檢測(cè)對(duì)象。因此，接收

43、電路中應(yīng)采用電流電壓變換電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。運(yùn)算放大器與電阻R形成電流電壓變換電路，如圖4-2所示。（圖中S_GND為信號(hào)地，運(yùn)算放大器工作正負(fù)電源為5V、0V，為避免信號(hào)丟失，將信號(hào)抬高至VS_GND=1V。）電路輸出電壓。</p><p>　　圖4-1 發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路圖</p><p>　　圖4-2 光敏二極管的電流電壓轉(zhuǎn)換電路圖</p><p&

44、gt;　　4.3 信號(hào)采集及處理系統(tǒng) </p><p>　　由于光電脈搏波屬于緩慢變化的微弱生理信號(hào)，信噪比低，極易受到環(huán)境噪聲和肢體運(yùn)動(dòng)的干擾。傳統(tǒng)的光電脈搏波信號(hào)檢測(cè)電路都采用高增益放大器，以獲得較高的檢測(cè)靈敏度，這種設(shè)計(jì)思路導(dǎo)致了檢測(cè)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍縮小，在受到運(yùn)動(dòng)干擾時(shí)，將導(dǎo)致由于干擾信號(hào)而帶來(lái)的光電脈搏波信號(hào)檢測(cè)的飽和失真。本系統(tǒng)采用過(guò)采樣技術(shù)，通過(guò)對(duì)信號(hào)的高速采樣來(lái)提高采樣精度，相當(dāng)于用高分辨率的ADC

45、對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，達(dá)到了提高信噪比并改善動(dòng)態(tài)范圍的效果。因此本系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換而不需要任何信號(hào)調(diào)理（放大和濾波）電路。</p><p>　　4.4 過(guò)采樣技術(shù)的應(yīng)用</p><p>　　所謂過(guò)采樣技術(shù)是指以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于奈奎斯特(Nyquist)采樣頻率的頻率對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣的方法。由信號(hào)采樣量化理論可知，若輸入信號(hào)的最小幅度大于量化器的量化電平△，并且輸入信號(hào)的幅度

46、隨機(jī)分布，則量化噪聲的總功率是一個(gè)常數(shù)，在0～fs／2的頻帶范圍內(nèi)均勻分布[8]。因此量化噪聲電平與采樣頻率成反比，如果提高采樣頻率，則可以降低量化噪聲電平，而由于基帶是固定不變的，因而減少了基帶范圍內(nèi)的噪聲功率，提高了信噪比，從而提高分辨率，并且采樣頻率每提高4倍，則信噪比提高4倍，相當(dāng)于A/DC的分辨率提高1位。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的脈搏檢測(cè)系統(tǒng)正是利用了這一原理，在A/DC過(guò)采樣之后進(jìn)行數(shù)字濾波，

47、大部分噪聲被數(shù)字濾波器濾掉，這樣量化噪聲就降低了，即提高了系統(tǒng)信噪比。系統(tǒng)采用FIR結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)平均濾波器，在過(guò)采樣之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字抽取濾波?；瑒?dòng)平均濾波器系統(tǒng)傳遞函數(shù)為。</p><p>　　該濾波器的作用是濾波、抽取和抗混疊。濾波器為一個(gè)數(shù)字低通濾波器，主要是濾除采樣信號(hào)頻帶以外的高頻量化噪聲，并維持信號(hào)頻帶以內(nèi)的信號(hào)基本不變，相當(dāng)于增加了數(shù)字信號(hào)的有效分辨率；抽取是將采樣得到的高速低分辨率的數(shù)字信號(hào)的抽樣頻

48、率降至奈奎斯特采樣頻率，進(jìn)而完成高分辨率數(shù)字信號(hào)的重構(gòu)；抗混疊主要是濾除降低取樣頻率后可能出現(xiàn)的混疊噪聲。</p><p>　　本文利用ADμC841單片機(jī)內(nèi)部的12位ADC對(duì)光電轉(zhuǎn)換后的0～2.5V 的電信號(hào)進(jìn)行采樣，由于本身具有一定的分辨率，要求的過(guò)采樣倍數(shù)不會(huì)太高，ADC的速度可以滿足應(yīng)用。而數(shù)字濾波和抽取均通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，配置靈活。</p><p>　　4.5 整體硬件電路設(shè)計(jì)&

49、lt;/p><p>　　電路的原理圖見(jiàn)圖4-3。電路由傳感器電路、信號(hào)放大和整形電路、單片機(jī)電路、數(shù)碼顯示電路等部分組成。</p><p>　　圖4-3 電路的原理圖</p><p>　　傳感器主要由紅外線發(fā)射二極管和接收二極管組成，測(cè)量的原理如下：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(dòng)，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

50、中血液飽和程度的變化將引起光的強(qiáng)度發(fā)生變化，因此和心跳的節(jié)拍相對(duì)應(yīng)，紅外接收二極管的電流也跟著改變，這就導(dǎo)致紅外接收二極管輸出脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)由F1~F3、R3~R5、C1、C2等組成的低通放大器進(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(hào)送給由F5、F6、RP1、R8等組成的施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形后輸出，輸出的脈沖信號(hào)作為單片機(jī)的外部中斷信號(hào)。可變電阻RP1用來(lái)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

51、度。</p><p>　　AT89C2051、X1、R10、C5等組成單片機(jī)電路。單片機(jī)電路對(duì)P3.2輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理后把結(jié)果送到數(shù)碼管顯示。發(fā)光二極管VD3作脈搏測(cè)量狀態(tài)顯示，脈搏每跳動(dòng)一次發(fā)光二極管就點(diǎn)亮一次。</p><p>　　數(shù)碼管DS1~DS3、VT1~VT3、R12~R21等組成數(shù)碼顯示電路。本機(jī)采用動(dòng)態(tài)掃描顯示的方式，使用共陽(yáng)數(shù)碼管， P3.3-P3.5口作三個(gè)數(shù)

52、碼管的動(dòng)態(tài)掃描位驅(qū)動(dòng)碼輸出，通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。P1.0-P1.6口作數(shù)碼顯示七段筆劃字形碼的輸出，用以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各字段。</p><p><b>　　第五章 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　5.1 程序設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本系統(tǒng)的硬件平臺(tái)的核心為ADuC841，其片內(nèi)微控制器是一個(gè)優(yōu)化

53、的單指令周期8052 閃存MCU，它的指令系統(tǒng)保持與8051指令系統(tǒng)兼容。ADuC內(nèi)程序主要功能為：</p><p><b>　?。?）系統(tǒng)初始化；</b></p><p>　?。?）改變DAC0電平狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)紅外光二極管；</p><p>　?。?）管理ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；</p><p>　?。?）數(shù)字濾波處理；&l

54、t;/p><p>　?。?）與中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。</p><p>　　本文選用ADI公司的單片機(jī)ADC841，其內(nèi)部集成了速度可達(dá)400k的12位逐次逼近型ADC，模擬輸入范圍是0－2.5v，則分辨率為0.6mv/LSB。從軟件需求和單片機(jī)速度出發(fā)，將ADC采樣率fs定為102.4kHz，為便于計(jì)算，將過(guò)采樣倍數(shù)k定為64，則下抽取后采樣率為f為：fs/k=1600Hz，是

55、頻率為400Hz載波的四倍，滿足奈奎斯特采樣定理。由于過(guò)采樣倍數(shù)k為64，按每提高4倍采樣率就能提高一位分辨率來(lái)計(jì)算，獲得的ADC有效分辨率能提高3位，最后能達(dá)到約15位精度，其分辨率可達(dá)到0.0763mv/LSB。</p><p>　　過(guò)采樣和數(shù)字濾波的實(shí)現(xiàn)都是在AD中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)的。集成于單片機(jī)上的ADC由定時(shí)器2產(chǎn)生用于A/D轉(zhuǎn)換的重復(fù)觸發(fā)信號(hào)，因此需要通過(guò)設(shè)置T2寄存器重新裝載的值來(lái)獲得102.4kH

56、z的采樣率，參考信號(hào)取自片上自帶的2.5V基準(zhǔn)電壓，設(shè)置ADCCON1＝#0B2H，ADCCON2＝#00H。定時(shí)器2是一個(gè)具有16位自動(dòng)重裝載功能的定時(shí)器，作定時(shí)器用時(shí)，TH2和TL2計(jì)的是機(jī)器周期數(shù)，TH2和TL2內(nèi)容的自動(dòng)重裝載通過(guò)寄存器RCAP2H和RCAP2L來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)這四個(gè)寄存器都進(jìn)行初始化，自動(dòng)裝載值為#0FFCAH。</p><p>　　在數(shù)據(jù)采集中, 為了保證采集數(shù)據(jù)的不失真和適當(dāng)?shù)木_度, 必

57、須選擇合適的采樣頻率。人體脈搏正常跳動(dòng)約為60次/ 分左右,即跳動(dòng)頻率在1Hz 左右，本系統(tǒng)為了更好的消除50Hz工頻干擾，系統(tǒng)以50Hz的數(shù)據(jù)輸出率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下抽取，抽樣比為2048。中斷程序中的數(shù)字處理包括如下步驟：(1)將脈沖載波的高電平時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)累加2048/（2*64）＝16次，(2)將脈沖載波低電平時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)累加2048/（2*64）＝16次,(3)用步驟(1)中的數(shù)據(jù)減去步驟(2)中的數(shù)據(jù)，便得到了解調(diào)后以50Hz的數(shù)

58、據(jù)輸出率輸出的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)上述對(duì)信號(hào)的解調(diào)，有效去除背景光、雜散光的干擾。程序同時(shí)實(shí)現(xiàn)了過(guò)采樣算法中的濾波和下抽取。</p><p>　　脈率計(jì)算程序包括如下步驟：將得到的數(shù)據(jù)以雙字節(jié)存入ADC841的XRAM中（2304字節(jié)）。從0000H 開(kāi)始,在60個(gè)樣本數(shù)據(jù)中尋找最大值, 并確定其位置即波峰位置, 之后尋找緊挨著它的第二個(gè)波峰,采用軟件計(jì)數(shù)器計(jì)算兩者間的距離即其點(diǎn)數(shù)，然后按照脈率計(jì)算公式：脈率＝采樣頻

59、率/ 相鄰兩波峰×60 ＝50×60/ 相鄰兩波峰，計(jì)算出脈率, 并將其存儲(chǔ)。</p><p>　　當(dāng)脈搏檢測(cè)系統(tǒng)與中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通過(guò)設(shè)置定時(shí)器T3的控制寄存器T3CON為#86H，T3FD為 08H，得到9600的串口波特率。ADuC841發(fā)送握手信號(hào)與系統(tǒng)機(jī)建立通信，當(dāng)握手成功后，系統(tǒng)開(kāi)中斷并將轉(zhuǎn)換處理后的數(shù)據(jù)送交系統(tǒng)應(yīng)用程序進(jìn)行處理。所得到的光電脈搏波波形如圖5

60、-1所示。</p><p>　　圖5-1 光電脈搏波波形顯示圖</p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　脈搏檢測(cè)中關(guān)鍵技術(shù)是傳感器的設(shè)計(jì)與傳感器輸出的微弱信號(hào)提取問(wèn)題, 本文設(shè)計(jì)的脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)以光電檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，并采用了脈沖振幅光調(diào)制技術(shù)消除周?chē)s散光、暗電流等各種干擾的影響。并利用過(guò)采樣技術(shù)和數(shù)字濾波等數(shù)字信號(hào)處

61、理方法，代替實(shí)現(xiàn)模擬電路中的放大濾波電路的功能。本系統(tǒng)模擬電路簡(jiǎn)單，由ADC841芯片實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)采集，信號(hào)處理和脈搏次數(shù)的計(jì)算等功能，因此體積小，功耗低，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)脈搏波的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)并可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)(PC 機(jī))的實(shí)時(shí)通訊, 因此可作為多參數(shù)病人中心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)模塊完成心率檢測(cè)和脈搏波形顯示。</p><p>　　當(dāng)該放大器用于集群脈搏測(cè)量?jī)x時(shí)，一定要注意不同信號(hào)通道之間的相互影響，建議把各個(gè)放大

62、器的電源分開(kāi)。此外，測(cè)量通道需要一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，當(dāng)指夾懸空時(shí)，這個(gè)開(kāi)關(guān)電路關(guān)閉單穩(wěn)態(tài)電路，切斷信號(hào)通路，防止亂計(jì)。幾年的生產(chǎn)實(shí)踐證明，該放大處理電路穩(wěn)定可靠。下面是筆者在設(shè)計(jì)中獲得的一些體會(huì)。采用二級(jí)放大好于三級(jí)放大，個(gè)別三級(jí)放大電路板的零點(diǎn)漂移大得足以達(dá)到滿幅，使得測(cè)量不準(zhǔn)確。每個(gè)單級(jí)放大器放大倍數(shù)最好不要大于30，以免自激振蕩。本信號(hào)放大器的高頻轉(zhuǎn)折頻率由C05、C04、R07、R08和R06決定，C05、C04通常選聚丙烯電容器或聚

63、碳酸酯電容器，R07、R08和R06通常選金屬膜五色環(huán)電阻。</p><p>　　IClA、R02和R03組成電壓跟隨器，設(shè)計(jì)值為2.5V，精確度由R02和R03決定，最好用金屬膜五色環(huán)電阻器。隔直電容器C03的漏電要小，選用鉭電解電容器為佳。IClA和IC1B要選用偏置電流小、輸入失調(diào)電壓小的運(yùn)算放大器?？紤]到性價(jià)比，筆者使用了TLC2264和TLC2262。</p><p>　　通過(guò)這

64、次畢業(yè)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題的能力。我覺(jué)得做畢業(yè)設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問(wèn)題老是弄不懂，做完設(shè)計(jì)，那些問(wèn)題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如PLC的功能，平時(shí)看課本，這次看了，下次就忘了，主要是因?yàn)闆](méi)有動(dòng)手實(shí)踐過(guò)吧！認(rèn)識(shí)來(lái)源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的動(dòng)力和最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。作為畢業(yè)的學(xué)生，能夠搞這樣的關(guān)于PLC技術(shù)的設(shè)計(jì)，確實(shí)從中學(xué)到了很多的知識(shí)。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)方面，打破了以往單

65、純?yōu)榻鉀Q問(wèn)題的觀念，樹(shù)立了良好的項(xiàng)目設(shè)計(jì)思想。在內(nèi)容設(shè)計(jì)方面，比較深入的學(xué)習(xí)了PLC方面的知識(shí)，補(bǔ)充了自己知識(shí)上的不足，更重要的是給自己找到了一個(gè)發(fā)展的方向。</p><p>　　在這個(gè)過(guò)程中，受到了我們老師和同學(xué)的熱切關(guān)注和耐心輔導(dǎo)，特別xx老師對(duì)我進(jìn)行了系統(tǒng)的講解和指導(dǎo)，對(duì)設(shè)計(jì)提出了很多建設(shè)性的意見(jiàn)及建議，對(duì)我的設(shè)計(jì)起到了指導(dǎo)性和決定性的作用，使我深刻的體會(huì)到了良師益友給我?guī)?lái)的幫助，在此表示深深的感謝！感謝

66、xx老師給了我們這個(gè)機(jī)會(huì)去更深層次的學(xué)習(xí)對(duì)于PLC的理解能力和分析設(shè)計(jì)能力，感謝這次畢業(yè)設(shè)計(jì)帶給我的豐收的碩果，感覺(jué)系統(tǒng)的總結(jié)了3年來(lái)所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)很有用途，同時(shí)激發(fā)了我對(duì)于PLC這個(gè)領(lǐng)域的極大興趣，我將以此為起點(diǎn)，去更加努力的學(xué)習(xí)深造爭(zhēng)做PLC領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)人才，為自己爭(zhēng)光，為母校添彩。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的

67、過(guò)程中，我的指導(dǎo)老師xx老師給予了我很大的幫助，提供了相關(guān)的資料，對(duì)我的畢設(shè)作品給予了指導(dǎo)和支持。使我順利圓滿的完成了此次畢業(yè)設(shè)計(jì)。在此，向xx老師表示衷心的感謝！同時(shí)，也要感謝學(xué)院提供計(jì)算機(jī)等設(shè)施，使我的設(shè)計(jì)得以順利完成。</p><p>　　寒窗幾載，春花秋實(shí)。大學(xué)三年是我一生的重要階段，是學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)及提高各方面能力為以謀生發(fā)展的重要階段。從跨入大學(xué)的校門(mén)的那一刻起我就把這一信念做為人生的又一座右銘。<

68、;/p><p>　　古人云：預(yù)則立，不預(yù)則廢。祖先曾經(jīng)教導(dǎo)我們：一年之計(jì)在于春，一日之計(jì)在于晨。作為即將走向社會(huì)的我們又何嘗不是如此？一個(gè)沒(méi)有規(guī)劃的人生，就象一場(chǎng)沒(méi)有球門(mén)的足球賽，一場(chǎng)亂踢；一個(gè)沒(méi)有規(guī)劃的人生，就象一葉在茫茫大海上漫無(wú)目標(biāo)的小舟，隨波飄蕩。在我們即將走向社會(huì)的時(shí)候，我們必須對(duì)自己的職業(yè)生涯進(jìn)行規(guī)劃。羅素曾說(shuō)：選擇職業(yè)就是選擇你自己的將來(lái)。因此我們要針對(duì)社會(huì)需要，結(jié)合自身的情況及早做好相應(yīng)準(zhǔn)備，為我們走

69、向社會(huì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。俗話說(shuō)：磨刀不誤砍柴功。為適應(yīng)社會(huì)需要，促進(jìn)自我發(fā)展，我們除了學(xué)好本專(zhuān)業(yè)外，還應(yīng)輔修相關(guān)轉(zhuǎn)業(yè)知識(shí)，積極參加社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，培養(yǎng)工作能力，努力提高綜合素質(zhì)，同時(shí)努力培養(yǎng)特長(zhǎng)，形成自身競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　最后，再次感謝學(xué)院給了我們機(jī)會(huì)，以及電子信息工程系的各位老師和許多的朋友、同學(xué)在各個(gè)方面給予了我很多的幫助和支持，讓我堅(jiān)持到了最后，謝謝你們！</p><p>

70、<b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1. 歐陽(yáng)俊.基于BL-410 的指端脈搏波采集系統(tǒng)應(yīng)用研究.2004.第11卷第2期</p><p>　　2. 韓文波.光電式脈搏波監(jiān)測(cè)系統(tǒng).長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào).1999.第22卷第4期</p><p>　　3. 朱國(guó)富，廖明濤，王博亮.袖珍式脈搏波測(cè)量?jī)x.電子技術(shù)應(yīng)用.1998.第1期

71、</p><p>　　4. 劉云麗，徐可欣等.微功耗光電式脈搏測(cè)量?jī)x.電子測(cè)量技術(shù).2005.第二期</p><p>　　5. 程詠梅，夏雅琴，尚嵐.人體脈搏波信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng).北京生物醫(yī)學(xué)工程.2006.第25卷</p><p>　　6. 劉文，楊欣，張鎧麟.基于AT89C2051單片機(jī)的指脈檢測(cè)系統(tǒng)的研究.醫(yī)療裝備.2005</p><p>

72、　　7. 張毅坤.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用. 西安電子科技大學(xué)出版社. 1998.9第1版</p><p>　　8．任為民.電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì). 中央廣播電視大學(xué)出版社.1997年5月第1版</p><p>　　9. 朱月秀.單片機(jī)原理與應(yīng)用.科學(xué)出版社.2004.2</p><p>　　10. 李世馨.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社.2001.12 3<

73、/p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　程序源代碼</b></p><p>　　#include <reg51.h></p><p>　　unsigned char i,j,t,m,DelayTime,DispBuf[3]；</p><p>

74、;　　unsigned int n,mb；</p><p>　　unsigned char code</p><p>　　BitTab[3]={0xf7,0xef,0xdf}； //位驅(qū)動(dòng)碼</p><p>　　unsigned char code</p><p>　　DispTab[10]={0x81,0xcf,0x92,0x86,0xc

75、c,0xa4,0xa0,0x8f,0x80,0x84}； //字形碼</p><p>　　sbit P3_0=P3^0；</p><p>　　void delay(DelayTime)；</p><p>　　main() //主程序</p><p><b>　　{</b></p>&

76、lt;p>　　TMOD=0x01；//定時(shí)器T0工作于方式1</p><p><b>　　TH0=0xec；</b></p><p>　　TL0=0x78；//T0定時(shí)時(shí)間為5ms</p><p>　　IE=0X83； //開(kāi)中斷</p><p>　　IT0=1； //外部中斷0為邊沿觸發(fā)方式</

77、p><p>　　TR0=1； //開(kāi)定時(shí)器T0</p><p>　　for( ) //脈搏指示燈控制</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(P3_0==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　

78、　delay(200);</p><p><b>　　P3_0=1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　externa

79、l0() interrupt 0//外部中斷服務(wù)程序</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P3_0=0； //點(diǎn)亮指示燈</p><p><b>　　if(n==0)</b></p><p><b>　　mb=0；</b></p&

80、gt;<p><b>　　else</b></p><p>　　mb=12000/n； //計(jì)算每分鐘脈搏數(shù)</p><p>　　DispBuf[2]=mb%10； //取個(gè)位數(shù)</p><p><b>　　mb=mb/10;</b></p><p>　　DispBuf[1]

81、=mb%10； //取十位數(shù)</p><p>　　DispBuf[0]=mb/10； //取百位數(shù)</p><p><b>　　n=0；</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　Timer0() interrupt 1 //定時(shí)中斷服務(wù)程序</p>&l

82、t;p><b>　　{</b></p><p><b>　　TH0=0xec；</b></p><p><b>　　TL0=0x78；</b></p><p>　　t=BitTab[j]； //取位值</p><p>　　P3=P3|0x38； //P3.3-P3.

83、5送1</p><p>　　P3=P3&t； //P3.3-P3.5輸出取出的位值</p><p>　　t=DispBuf[j]； //取出待顯示的數(shù)</p><p>　　t=DispTab[t]； //取字形碼</p><p>　　P1=t； //字型碼由P3輸出顯示</p><p>　　

84、j++； //j作為數(shù)碼管的計(jì)數(shù)器,取值0-2,顯示程序通過(guò)它確認(rèn)顯示哪個(gè)數(shù)碼管</p><p><b>　　if(j==3)</b></p><p><b>　　j=0；</b></p><p><b>　　n++；</b></p><p>　　if(n==2000)

85、//10秒鐘測(cè)不到心率,n復(fù)位</p><p><b>　　n=0；</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void delay(DelayTime)//延時(shí)子程序</p><p><b>　　{</b></p><p>