脉搏参数采集系统设计Word文档下载推荐.docx

1、随着科学技术的快速发展，电子产品也逐步走入了人们的生活。人类工作在高科技、高效率的环境中，其身体健康状况也显得日益重要并备受关注，本设计脉搏参数采集系统包括信号的采集电路模块、信号放大电路模块、滤波电路模块、信号处理模块和数码显示模块。系统以AT89C52单片机为核心，将采集脉冲通过放大后，运用555定时器构成施密特触发器，将脉冲信号转化为矩形波，单片机通过外部中断对外来脉冲进行周期计算，计数的方法是利用单片机的计时器，计算一次心跳的时间，然后由该周期计算出频率，继而就可以求出一分钟的脉搏数。最后将脉搏频率通过数码管显示出来。本设计具有轻巧灵便、经济实惠的特点，因而具有良好的应用前景和广阔的市

2、场。关键词：脉搏采集 ；滤波 ；触发器；单片机；数码显示 1 前言12 脉搏采集系统总体设计方案22.1总体设计思想.22.2硬件设计框图.23 硬件设计部分33.1传感器的选择.33.2信号放大电路.53.2.1芯片OP07介绍.53.2.2放大电路设计.63.3滤波电路.83.4波形转换电路.83.5单片机控制显示电路93.5.1 AT89C52介绍.93.5.2 单片机最小系统的实现.113.5.3 单片机控制及显示.134软件设计部分.134.1软件设计思路.134.2编程145总结. .15参考文献16附录171前言 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

3、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。正常成年人的脉搏次数是60-80次/min，婴儿为90-140次/min，老年人则为100-150次/min，显然这种信号属于低频范畴。因此，脉搏计时用来测量低频信号的装置，根据任务要求可知，要把人体的脉搏（振动）信号装换成电信号，这就需要借助于传感器。对装换后的电信号要进行放大和整形等处理，以保证其他电路工作正常。要求在很短的时间（若干秒）内测量出放大

4、的电信号频率值。脉搏计的核心是在固定的短时间内对低频电脉冲信号计数，最后以数字形式显示出来，这可以用频率测量的原理来实现，脉搏计的主要组成部分是计数和数字显示器。本设计所使用的系统利用压电陶瓷片将脉博转换为电压信号，经过信号调理后利用运算放大器进行放大和整形，在短时间内，测量出人体一分钟的脉搏数，并将心率进行实时显示，便于携带。达到了方便、快速、准确地测量心率的目的。这样的脉搏测量系统性能良好，结构简单，性价比高，输出显示稳定，比较适应大众化，适合家庭进行自我检查以及医院护士进行每日的临床记录。人体脉搏测试仪是用来测量人体心脏跳动频率的电子仪器，也是心电图的主要组成部分。心脏跳动频率通常用每分

5、钟心脏跳动的次数来表示。采用数显式脉搏计测量心脏跳动的频率不但精确，而且使用方便，显示结果醒目。2脉搏采集系统总体设计方案2.1总体设计思想本设计主要完成脉搏采集信号的软件和硬件设计，采用单片机为控制核心，系统主要功能内容包括：信号采集、信号放大、滤波电路、波形转换、数据显示等。本系统设计采用功能模块化的设计思想，系统主要分为总体方案设计、硬件和软件的设计三大部分。根据任务书上的要求进行综合分析，总设计方案分为以下几个步骤：（1）硬件系统电路的设计；（2）软件系统主程序及其相关子程序的编写；（3）系统电路及软件的调试；（4）结论。2.2 硬件设计框图硬件结构框图如下：图2-1 硬件结构框图总电

6、路图见附录一。3硬件设计部分3.1传感器的选择压电式传感器（由惯性质量块和受压的压电片等组成）是一种机电换能器，所用的压电片（如天然石英、人工极化陶瓷等）在受到一定的机械荷载时，会在压电片的极化面上产生电荷，其电荷量与所受的载荷成正比。当压电晶体片受力时，晶体的两表面上聚集等量的正、负电荷，由于晶体片的绝缘电阻很高，因此压电晶体片相当于一只平行板电容器，如图3-1所示。其电容量为晶体片上产生的电压量与作用力的关系为 式中：为压电晶体的介电常数；A为晶体片（构成极板）的面积；d为晶体片的厚度；d33为压电系数；F为沿晶轴施加的力。 图3-1 压电晶体内部等效图压电式加速度计的晶体片确定后，d33

7、、d、A都是常数，则晶体片上产生的电压量与作用力成正比。测量时，当加速度计受振动时，传感器与试件固定在一起感受相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，它的2个表面上就会产生交变电荷（电压）。而此交变电荷（电压）又与作用力成正比，因此交变电荷（电压）与试件的加速度成正比。这就是压电式加速度计能够将振动加速度转变成为电量进行测振的原理。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，

8、特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。图3-2 信号发生部分其测量原理是，将测力传感器的受力端压在人体桡动脉处，模仿人的指头。这种方式通常采用压阻式传感器，它具有抗干扰能力强的特点，但由于动脉血管产生的力很小，故量程小，抗冲击力不强。脉搏信号还表现为皮肤振动，因此可以用加速度传感器进行检测，其特点是结构简单、体积小、波形测量精度较高。本设计中的脉搏传感器用MPX4115压力传感器，如图

9、3.1-2所示。表3.1表明了引脚连接，脚1接运算放大电路输入端，脚2接地，脚3接+5V电源等。表3.2，3.3分别为传感器的一些参数。表3.1 MPX4115引脚功能Vout地VsN/C表3.2 最大额定值（Tc=25）参 数符 号数 值单 位最大压力（P1P2）Pmax400KPa存贮温度Tstg-40+125操作温度TA表3.3 传感器工作特性参数 （VS=5.1Vdc,T=25）最 小典 型最 大压力范围Pop15-115供电电压4.855.15.35Vdc供电电流Lo7.010mAdc最大压力偏置（085）Vs=5.0VVpss0.1350.2040.273满量程输出（085）Vof

10、f4.7254.7944.863满量程比例（085）Vs=5.0V VFSS4.5214.5904.695精度（085） 1.5%VPSS 灵敏度V/P0.05mV/KPa响应时间（10%90%）tR1.0ms 上升报警时间20偏置稳定性 0.5%VFSS脉搏传感器出来的电压信号较弱，一般在毫伏级，需要对其进行放大。所以，设计信号放大电路，将脉搏传感器出来的信号进行放大，使之成为一个幅值适当的信号，便于后续电路的处理。MPX4115型压电式脉搏传感器输出电压大约为-10mv40mv，在后续电路中需要将其通过差动式放大电路，将信号放大，然后通过555施密特触发器转换为矩形波，通过数码管显示频率。

11、3.2信号放大电路3.2.1芯片OP07介绍本设计信号放大电路采用OP07芯片，OP07的功能介绍：OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。特点：超低偏移： 150V最大 。低输入偏置电流： 1.8nA 。低失调电压漂移： 0.5V/ 。超稳定，时间： 2V

12、/month最大高电源电压范围： 3V至22V工作电源电压范围是3V18V；OP07完全可以用单电源供电，用单5V也可以供电，但是线性区间太小，单电源供电，模拟地在1/2 VCC. 建议电源最好8V，否则线性区实在太小，放大倍数无法做大，一不小心，就充顶饱和了。图3-3 OP07外型图片图3-4 OP07 管脚图OP07芯片引脚功能说明： 1和8为偏置平衡（调零端），2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚 6为输出，7接电源+。3.2.2放大电路设计由于采集信号在毫伏级别，本设计采用两级放大，可调，是输出信号幅值约4-5V，大约需放大800倍左右，采集前先对运放进行调零，以前少误差，具

13、体做法：输入端接地，调节1和8管脚的滑动变阻器，使输出端为零。电路图如下：图3-5 信号放大电路放大倍数：V0/Vi=（R2*R4）/（R1*R3）信号仿真如下：输入2mv图3-6 信号放大电路仿真3.3滤波电路由于放大后的脉搏信号同时还含有杂波，须进行滤波。由于脉搏信号频率约在1Hz左右，而干扰最大的信号为50Hz。可采用二阶压控有源低通滤波电路，其上限频率设成为20Hz，电路如图2所示，其中R值均为24k，电容值为330pf。Wm=1/RC，W=2pf图3-7 滤波电路3.4波形转换电路 555定时器构成施密特触发器的电路图如图3-8所示，波形图如图3-9所示。施密特触发器的工作原理和多谐

14、振荡器基本一致，无原则不同。只不过多谐振荡器是靠电容器的充放电去控制电路状态的翻转，而施密特触发器是靠外加电压信号去控制电路状态的翻转。所以，在施密特触发器中，外加信号的高电平必须大于2 VCC/3，低电平必须小于VCC/3，否则电路不能翻转。图3-8 施密特触发器电路图图3-9 施密特触发器的波形图图3-10 波形转换电路图3-11 波形转换信号仿真图3.5单片机控制显示电路3.5.1 AT89C52介绍本系统采用AT89C52单片机为控制核心。而相比之下52型功能更为强大，ROM和RAM存储空间更大，52还兼容51指令系统。主要基于考虑AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机

15、，片内含8KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM）、6个中断源；时钟频率024MHz；器件采用高密度、非易失性存储技术生产，并兼容标准MCS-51指令系统，功能强大。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8K bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256K bytes的随机存取数据存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，功能强大，AT89C52单片机适合于许多较为复杂

16、控制应用场合。图3-12 AT89C52 引脚图主要性能参数：与MCS-51产品指令和引脚完全兼容；8K字节可重擦写FLASH闪存存储器；1000次写/擦循环；时钟频率：0Hz24MHz；三级加密存储器；256字节内部RAM；32个可编程I/O口线；3个16位定时/计数器；6个中断源；可编程串行UART通道。3.5.2 单片机最小系统的实现采用AT89C52来设计一个单片机系统能运行起来的需求最小的系统，电路图见图3-13：图3-13 单片机最小系统图上图的最小单片机系统包含有晶振电路和复位电路，AT89C52芯片组成。（1）晶振电路晶振电路在各种指令的微操作在时间上有严格的次序，这种微操作的

17、时间次序称作时序， AT89C52的时钟产生方式有两种，一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。本系统中采用了内部时钟方式，电路图见图3-14。图3-14 晶振电路图在89C52单片机的内部有一个震荡电路，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振）就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号，图中电容器C1和C2稳定频率和快速起振，晶振CRY选择的是12MHz。（2）复位电路复位的意义复位电路在单片机工作中仍然是不可缺少的主要部件中，单片机工作时必须处于一种确定的状态。端口线电平和输入输出状态不确定可能使外围设备误动作，导致严重事故的发生；内部一些控制寄存器（专用寄存

18、器）内容不确定可能导致定时器溢出、程序尚未开始就要中断及串口乱传向外设发送数据。复位电路原理图3-15 上电复位电路 图 3-16 复位电路图本设计中复位电路采用的是上电复位与手动复位电路，开关未按下是上电复位电路，上电复位电路在上电的瞬间，由于电容上的电压不能突变，电容处于充电（导通）状态，故RST脚的电压与VCC相同。随着电容的充电，RST脚上的电压才慢慢下降。选择合理的充电常数，就能保证在开关按下时是RST端有两个机器周期以上的高电平从而使AT89C52内部复位。开关按下时是按键手动复位电路，RST端通过电阻与VCC电源接通，通过电阻的分压就可以实现单片机的复位。3.5.3 单片机控制及

19、显示本设计以单片机为核心，利用外部中断采集外来脉冲的周期，计算一次心跳的时间，然后由该周期计算出频率，继而就可以求出一分钟的脉搏数。电路图及仿真图如下：图3-17 数码显示电路4软件设计部分4.1软件设计思路本系统设计思想是利用外部中断，对外部周期信号进行周期计算，当外部中断INTO管脚检测到第一个下降沿是，定时器开始计数，以每1ms检测外来信号第二个下降沿，每次溢出，count+，当第二个下降沿来临时，计数器清零。则一个周期t=count*1ms，然后计算出脉搏周期，通过数码管动态显示。4.2编程 具体程序见附录二5总结通过这段时间的课程设计，我学到了很多东西，我们运用所学的课本知识，以及查

20、阅相关的文献，还要先复习以前学习过的知识，通过温故而知新，使我一开始就有了应该怎样完成“脉搏参数采集系统”的设计的方案。在这次课程设计过程中，结合实际的应用来理解以前学了而没有学会的知识，这给我对理论课的学习提供了很大的帮助。也使我意识到理论和实际相结合的重要性。在设计过程中、所遇到的问题都一一的攻破，经这次设计证明，将所学的知识和电子设计方法想结合，大大的调动了我们学习的积极性，并有利于我们系统的科学地培养我们的实际动手能力，工程设计能力及创新设计能力，活耀了我们的思维，既符合由简到繁，循序渐进的教学规律，又能激发我们对电子线路设计的兴趣还要先复习以前学习过的知识。在设计中碰到一个接一个的难

21、题，在经过老师指导和同学们的交流，使难题一一得到化解。设计过程虽然是很辛苦的，但经过自己的努力换回的劳动成果，对自己来说也是很值得欣慰的。设计过程中，我问老师，问同学，找资料，查课本，搜集信息，寻找相关知识，虽辛苦却也快乐。另外，画图时用到了protel，通过这次设计，使我更好的掌握了protel这个画图工具的基本用法。通过在这次课程设计实习中，不仅使我的理论水平有很大的提升，而且锻炼了自己的动手能力，受益很深。作为大三的大学生，我认识到不仅要学好课本上的知识，还要学会吧学到的知识应用到现实生活中，要做到理论联系实际，认识其重要性和必要性。真正体会到设计是一件辛苦与充满乐趣的事情，同时加深了对

22、数电这门课程的理解，学会了基本集成电路的运用。在设计过程中学到了很多在课本上学不到的东西，也发现了自己的很多不足之处。深深的体会到只有认真的去做才能知道它真正的意义，不要眼高手低，要一步一步，脚踏实地的去做。最后，非常感谢两位指导老师梁威、姜利英的大力支持与帮助，才使得本设计顺利完成。这次课程设计既锻炼了我的动手能力，又培养了我的兴趣进一步丰富了自己的数字电子知识。对我以后所要做的毕业设计有了一个初步的了解。更重要的是使我深深的体会到理论结合实际的重要性，做事要认真，脚踏实地。我相信，有付出就会有美丽！参考资料1 康华光.数字电子技术基础（第五版）, 北京.高等教育出版社,2006:400-4

23、06 2 康华光.电子技术基础模拟部分（第四版）M. 北京.高等教育出版社.1998：328-3363 河道清，张禾，谌海云.传感器与传感器技术微机原理及应用M.北京.科学出版社.2008：153-1774 汤山俊夫: 数字电路设计, 北京，科学出版社，2006：78-925 王保华：生物医学测量与仪器（第2版），上海，复旦大学出版社， 2009：184-1986 康华光:单片机典型外围器件及应用实例M. 北京.人民邮电出版社.2003：267-2787 马忠梅:单片机的C语音应用程序设计M. 北京.北京航空航天大学出版社.2003：345-3568 张建民:传感器与检测技术M. 北京.机械工

24、业出版社.1996：68-739 赵茂泰:智能仪器原理及应用M. 北京.电子工业出版社.2004：301-31910 强锡富:传感器M. 北京.机械工业出版社.2001：98-11011 传感器原理及工程应用（第3版）M.西安.西安电子科技大学出版社.2008：278-292附录一：附录二：#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code wei_code=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F;uchar code duan_code=0xF

25、E,0xFD,0xFB,0xF7,0xEF;uchar shuma=0,0,0,0,0;uint count, flag, count2,count1;void delay（uchar x） uchar i; while（x-） for（i=0;i120;i+）;void init（） TMOD = 0x01; TH0 = （65536 - 1000）/256; TL0 = （65536 - 1000）%256; EA = 1; IT0 = 1; EX0 = 1; ET0 = 1;void display（uint temp） shuma4=temp/10000; shuma3=temp/1000%10; shuma2=temp/100%10; shuma1=temp%100/10; shuma0=temp%10;uchar keynum;void main（） init（）; while（1） display（60000/（count1）; for（i=0;5;i+） P2=duan_codei; P0=wei_codeshumai; delay（2）;