完整版基于单片机的脉搏测量仪的设计.docx

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完整版基于单片机的脉搏测量仪的设计

意义：

医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。

为了节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测量10秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以6即得到每分钟的心跳数，即使这样做还是比拟费时，而且精度也不高。

而该系统以AT89C51单片机为核心，以红外发光二极管和光敏三极管为传感器，并利用单片机系统内部定时器来计算时间，由光敏三极管感应产生脉冲，单片机通过对脉冲累加得到脉搏跳动次数，时间由定时器定时而得。

系统运行中能显示脉搏次数和时间，系统停止运行时，能够显示总的脉搏次数和时间。

目的：

实现脉搏波的实时存储并可实现与上位机（PC机）的实时通讯,作为多参数病人中心监护系统的一个模块完成心率检测和脉搏波形显示。

2.1光电脉搏测量仪的结构

光电脉搏测量仪是利用光电传感器作为变换原件，把采集到的用于检测脉搏跳动的红外光转换成电信号，用电子仪表进行测量和显示的装置。

本系统的组成包括光电传感器、信号处理、单片机电路、数码显示、电源等局部。

1．光电传感器

即将非电量（红外光）转换成电量的转换元件，它由红外发射二极管和接收三极管组成，它可以将接收到的红外光按一定的函数关系（通常是线性关系）转换成便于测量的物理量（如电压、电流或频率等）输出。

2．信号处理

即处理光电传感器采集到的低频信号的模拟电路（包括放大、滤波、整形等）。

3.单片机电路

即利用单片机自身的定时中断计数功能对输入的脉冲电平进行运算得出心率〔包括AT89C51、外部晶振、外部中断等〕。

4．数码显示

即把单片机计算得出的结果用8位LED数码管静态扫描来显示，便于直接准确无误的读出数据。

5.电源

即向光电传感器、信号处理、单片机提供的电源，可以是5V-9V的交流或直流的稳压电源。

工作原理

本设计采用单片机AT89C51为控制核心，实现脉搏测量仪的根本测量功能。

脉搏测量仪硬件框图如下列图所示：

图1.1脉搏测量仪的工作原理

当手指放在红外线发射二极管和接收三极管中间，随着心脏的跳动，血管中血液的流量将发生变换。

由于手指放在光的传递路径中，血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生变化，因此和心跳的节拍相对应，红外接收三极管的电流也跟着改变，这就导致红外接收三极管输出脉冲信号。

该信号经放大、滤波、整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机的外部中断信号。

单片机电路对输入的脉冲信号进行计算处理后把结果送到数码管显示。

硬件：

第三章根本元器件介绍

3.1AT89C51简介

AT89C5l是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89CSl单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

3.1.1AT89C51的主要性能

AT89C2051是ATMEL公司生产的带2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（EEPROM）的8位单片机,它具有如下主要特性，如图1.2所示：

〔1〕和MCS-51产品的兼容

〔2〕2K字节可重编程闪速存储器

〔3〕耐久性：

1,000写／擦除周期

〔4〕2.7V～6V的操作范围

〔5〕全静态

操作：

0Hz～24MHz

·两级加密程序存储器

·128×8位内部RAM

·15根可编程I/O引线

·两个16位定时器/计数器

·六个中断源

·可编程串行UART通道

·直接LED驱动输出

·片内模拟比拟器

·低功耗空载和掉电方式

·和MCS-51产品的兼容

·2K字节可重编程闪速存储器

·耐久性：

1,000写／擦除周期

·2.7V～6V的操作范围

·全静态操作：

0Hz～24MHz

·两级加密程序存储器

·128×8位内部RAM

·15根可编程I/O引线

·两个16位定时器/计数器

·六个中断源

·可编程串行UART通道

·直接LED驱动输出

·片内模拟比拟器

·低功耗空载和掉电方式

·和MCS-51产品的兼容

·2K字节可重编程闪速存储器

·耐久性：

1,000写／擦除周期

·2.7V～6V的操作范围

·全静态操作：

0Hz～24MHz

·两级加密程序存储器

·128×8位内部RAM

·15根可编程I/O引线

·两个16位定时器/计数器

·六个中断源

·可编程串行UART通道

·直接LED驱动输出

·片内模拟比拟器

·低功耗空载和掉电方式。

3.1.2AT89C2051的结构框图

AT89C2051是一带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储体（EEPROM）的低电压,高性能8位CMOS微型计算机。

如图1.3所示。

它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS—51指令集和引脚结构兼容。

通过在单块芯片上组合通用的CPL1和闪速存储器,ATMELAT89C2051是一强劲的微型计算机,它对许多嵌入式控制应用提供一高度灵活和本钱低的解决方法。

此外,从AT89C2051内部结构图也可看出,其内部结构与8051内部结构根本一致〔除模拟比拟器外〕,引脚RST、XTAL1、XTAL2的特性和外部连接电路也完全与51系列单片机相应引脚一致,但P1口、P3口有其独特之处。

3.1.3AT89C2051的引脚说明

AT89C2051是一个有20个引脚的芯片,与8051内部结构进行比照可发现,AT89C2051减少了两个对外端口〔即P0、P2口〕,使它最大可能地减少了对外引脚,因而芯片尺寸有所减少。

如表1.1所示：

AT89C2051芯片的主要引脚功能为：

1.Vcc：

电源电压。

2.GND：

地。

3.P1口：

P1口是一8位双向I/O口。

口引脚P1.2～P1.7提供内部上拉电阻。

P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。

P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比拟器的同相输入（AIN0）和反相输入〔AIN1）。

P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。

当P1口引脚写入“1〞时,其可用作输入端。

当引脚P1.2～P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而流出电流（IIL）。

P1口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据。

4.P3口：

P3口的P3.0～P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/0引脚。

P3.6用于固定输入片内比拟器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。

P3口缓冲器可吸收20mA电流。

当P3口引脚写入“1〞时,它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。

用作输入时,被外部拉低的P3口引脚将用上拉电阻而流出电流（IIL）。

P3口还用于实现AT89C2051的各种功能,如下表10-1所示。

P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

5.RST：

复位输入。

RST一旦变成高电平,所有的I/O引脚就复位到“1〞。

当振荡器正在运行时,持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。

每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。

6.XTAL1：

作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。

7.XTAL2：

作为振荡器反相放大器的输出。

 P3口的功能

端口引脚

功能

RXD（串行输入端口）

TXD（串行输出端口）

INT0（外中断0）

INT1（外中断1）

TO（定时器0外部输入）

T1（定时器1外部输入）

从上述引脚说明可看出，AT89C2051没有提供外部扩展存储器与I/O设备所需的地址、数据、控制信号,因此利用AT89C2051构成的单片机应用系统不能在AT89C2051之外扩展存储器或I/O设备，也即AT89C2051本身即构成了最小单片机系统。

3.1.4复位电路

示。

3.1.5振荡电路

本设计晶振选择频率为12MHz，电容选择30pF如图1.5所示。

经计算得单片机工作胡机器周期为：

12×〔1÷12M〕=1us。

3.2光电传感器简介

光电检测方法具有精度高、反响快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

　光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号〔红外、可见及紫外光辐射〕转变成为电信号的器件。

光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。

它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、外表粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。

光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。

近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。

在此次设计中我们采用的是光电传感器中最常见普遍的光敏二极管做红外接收二极管和光面三极管做红外发送三极管。

光敏二极管

　光敏二极管是最常见的光传感器。

光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小〔<µA〕，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。

在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。

光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。

光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。

为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。

工作时集电结反偏，发射结正偏。

在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=〔1+β〕Icbo〔很小〕，比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=〔1+β〕Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。

光电传感器检测原理

检测原理是:

随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变：

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，组织半透明度那么增大；这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显[5]。

因此本设计将光敏二极管产生的红外线照射到人体的手指部位，经过手指组织的反射和衰减由装在该部位旁边的光敏三管来接收其透射光并把它转换成电信号。

由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的反射和衰减也是周期性脉动的,于是光敏接收三极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。

故只要把此电信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示[9]，即可实时的测出脉搏的次数。

LED的综述

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、本钱低廉、配置简单灵活、安装方便、耐振动、寿命长等优点。

但显示内容有限，不能显示图形，因而其应用有局限性[11]。

LED的结构

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8个发光二极管，其中从a~g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。

本设计中采用的是4位七段共阳极数码管显示器，一共具有12个引脚，4个位选端，8个字选端。

图中所示，1、2、3、4是位选端；a~g、Dp是字选端。

内部结构如下图。

LED数码管的显示方法

静态显示方式是指当显示器显示某一字符时，发光二极管的位选始终被选中。

在这种显示方式下，每一个LED数码管显示器都需要一个8位的输出口进行控制。

由于单片机本身提供的I/O口有限，实际使用中，通常通过扩展I/O口的形式解决输出口数量缺乏的问题。

静态显示主要的优点是显示稳定，在发光二极管导通电流一定的情况下显示器的亮度大，系统运行过程中，在需要更新显示内容时，CPU才去执行显示更新子程序，这样既节约了CPU的时间，又提高了CPU的工作效率。

其缺乏之处是占用硬件资源较多，每个LED数码管需要独占8条输出线。

随着显示器位数的增加，需要的I/O口线也将增加。

动态显示方式是指一位一位地轮流点亮每位显示器〔称为扫描〕，即每个数码管的位选被轮流选中，多个数码管公用一组段选，段选数据仅对位选选中的数码管有效。

对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。

显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。

通过调整电流和时间参数，可以既保证亮度，又保证显示。

假设显示器的位数不大于8位，那么显示器的公共端只需一个8位I/O口进行动态扫描〔称为扫描口〕，控制每位显示器所显示的字形也需一个8位口〔称为段码输出〕。

通过比拟，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。

4

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。

每一组运算放大器可用图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+〞、“-〞为两个信号输入端，“V+〞、“V-〞为正、负电源端，“Vo〞为输出端。

两个信号输入端中，Vi-〔-〕为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+〔+〕为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

LM324的引脚排列见图。

图2.0

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。

第四章根本结构模块

4.1脉搏波检测电路

传感器由红外发光二级管和红外接收三极管组成。

采用发光二极管作为光源时，可根本抑制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正确的指向特性。

从光源发出的光除被手指组织吸收以外，一局部由血液漫反射返回，其余局部透射出来。

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[8]。

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。

结构如下图。

图1.8透射式光电传感器图

4.2信号采集电路

图是脉搏信号的采集电路，U3是红外发射和接收装置，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270Ω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区分有脉搏和无脉搏时的信号。

当手指离开传感器或检测到较强的干扰光线时，输入端的直流电压会出现很大变化，为了使它不致泄露到U2B输入端而造成错误指示，用C8、C9串联组成的双极性耦合电容把它隔断[10]。

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，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，再由耦合电容C8、C9加到线性放大输入端。

4.3信号放大

4.3.2放大电路

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，如图3.6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U2B将信号放大，放大倍数由R23和R27的比值决定。

如图2.2所示：

根据一阶有源滤波电路的传递函数，可得：

放大倍数为：

截止频率为：

按人体的脉搏跳动为200次/分钟时的频率是3.3Hz考虑，低频特性是令人满意的。

4.4波形整形局部

波形整形电路如下图，U2C是一个电压比拟器，C11、R29构成一个微分器，U2A和C7、R32组成单稳态多谐振荡器，其脉宽由C7、R32决定。

该比拟器的阀值电压可用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U2C的输出信号〔波形如图〕经C11、R29的微分后总是将正、负相间的尖脉冲〔波形如图〕加到单稳态多谐振荡器U2A的反向输入端，不会造成很大的触发误差。

当有输入信号时，U2A在比拟器输入信号的每个后沿到来时输出高电平，使C7通过R32充电。

大约持续20ms之后，因C7充电电流减小而使U2A同相输入端的电位降低到低于反相输入端的电位〔尖脉冲已过去很久〕，于是U2A改变状态并再次输出低电平。

这长的脉冲是与脉搏同步的，并由红色发光二极管DS3的闪亮指示出来。

即发光二极管作脉搏测量状态显示，脉搏每跳动一次发光二极管就亮一次。

同时，该脉冲电平通过R24送到单片机/INTO脚，进行对心率的计算和显示。

输出波形如下图。

4.5单片机处理电路

如下图，本局部运用了ATMEL公司的89C51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。

来自传感和整形输出电路的脉冲电平输入单片机89C51的/INTO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发单片机产生中断并进行计时，来一个脉冲脉搏次数就加一；定时器中断主要完成一分钟的定时功能。

单片机对一分钟内的脉冲次数进行累加，通过P0、P2口把测量过程和结果送到数码管显示出来[9]。

图2.8单片机处理电路

4.6显示电路

本设计的显示采用LED数码管动态扫描来显示。

两个4位的共阳极LED数码管组成8位显示，其中0、1两位显示测量中的时间，3、4两位显示测量中的脉搏次数，6、7两位用来显示上次测量的数据。

单片机的P0口控制显示字型，P2口控

制显示字位。

显示电路如图。

4.5整体硬件电路设计

电路的原理图见图。

电路由传感器电路、信号放大和整形电路、单片机电路、数码显示电路等局部组成。

传感器主要由红外线发射二极管和接收二极管组成，测量的原理如下：

将手指放在红外线发射二极管和接收二极管中间，随着心脏的跳动，血管中血液的流量将发生变化。

由于手指放在光的传递路径中，血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生变化，因此和心跳的节拍相对应，红外接收二极管的电流也跟着改变，这就导致红外接收二极管输出脉冲信号。

脉冲信号由F1~F3、R3~R5、C1、C2等组成的低通放大器进行放大，再经由F4、R6、R7、C3组成的放大器进一步放大，其输出信号送给由F5、F6、RP1、R8等组成的施密特触发器进行整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机的外部中断信号。

可变电阻RP1用来调整施密特触发器的阀值电压，从而调整电路的灵敏度。

AT89C2051、X1、R10、C5等组成单片机电路。

单片机电路对P3.2输入的脉冲信号进行计算处理后把结果送到数码管显示。

发光二极管VD3作脉搏测量状态显示，脉搏每跳动一次发光二极管就点亮一次。

数码管DS1~DS3、VT1~VT3、R12~R21等组成数码显示电路。

本机采用动态扫描显示的方式，使用共阳数码管，P3.3-P3.5口作三个数码管的动态扫描位驱动码输出，通过三极管驱动数码管。

P1.0-P1.6口作数码显示七段笔划字形码的输出，用以驱动数码管的各字段。

第五章软件系统

5.1主程序流程

系统主程序控制单片机系统按预定的操作方式运行,它是单片机系统程序的框架。

系统上电后,对系统进行初始化。

初始化程序主要完成对单片机内专用存放器、定时器工作方式及各端口的工作状态的设定。

系统初始化之后,进行定时器中断、外部中断、显示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序[12]。

流程如下图。

图3.1主程序流程图

5.2定时器中断程序流程

定时器中断效劳程序由一分钟计时、按键检测、有无测试信号判断等局部组成。

当定时器中断开始执行后，对一分钟开始计时，1s计时到之后继续检测下1s，直到60s到了再停止并保存测得的脉搏次数。

同时可以对按键进行检测，只要复位测试值就可以重新开始测试。

主要完成一分钟的定时功能和保存测得的脉搏次数。

流程如下图。

图3.2定时器中断程序流程图

5.3INT中断程序流程

外部中断效劳程序完成对外部信号的测量和计算。

外部中断采用边沿触发的方式，当处于测量状态的时候，来一个脉冲脉搏次数就加一，由单片机内部定时器控制一分钟，累加得出一分钟内的脉搏次数。

流程如下图。

图3.3INT中断程序流程图

5.4显示程序流程

显示程序包括显示上次的脉搏次数、本次测量中的时间和脉搏的次数。

从中断程序中取得结果后，先显示上次的脉搏次数，经过10ms的延时后再显示测试中的脉搏次数，再经过10ms的延时显示测试中的时间。

流程如下图。

图3.4显示程序流程图

5.5软件说明

本程序采用C语言，程序的可读性非常好。

程序中对前一次测量的脉搏数据进行了自动保存，并且用数码显示。

程序在执行过程假设发现有干扰那么忽略该干扰而不显示，进一步减少读入数据

的误差。

总结

单片机近20年的飞速开展，俨然已成为计算机开展和应用的一个重要方面。

另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设

计思想和设计方法。

从前必须由模拟电路或数字电路实现的大局部功能，现在已

能用单片机通过软件方法来实现了。

这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制

技术，是传统控制技术的一次革命。

而51单片机作为单片机的主流，随着集成技术的开展，51系列单片机继承和开展了MCS-51系列的技术特色，有逐渐取而代之之势。

本设计主要是51单片机在脉搏测试系统中的应用。

重点介绍了单片机的最

小系统，通过单片机最小系统实现了脉搏的测量系统，由光电传感器采集到脉冲信号，经过信号的放大、滤波和整形电路将输出的信号通过单片机的外部中断获取并最终在数码管上显示。

利用单片机自身的定