基于單片機(jī)的脈搏測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

摘要： 脈搏測(cè)量?jī)x在我們的日常生活中已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用,通過(guò)觀測(cè)脈搏信號(hào)，可以對(duì)人體的健康進(jìn)行檢查，通常被用于保健中心和醫(yī)院。為了提高脈搏測(cè)量?jī)x的簡(jiǎn)便性和精確度，本課題設(shè)計(jì)了一種基于51單片機(jī)的脈搏測(cè)量?jī)x。系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，以光電傳感器利用單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部定時(shí)器來(lái)計(jì)算時(shí)間，由光電傳感器感應(yīng)產(chǎn)生信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)對(duì)信號(hào)累加得到脈搏跳動(dòng)次數(shù)，時(shí)間由定時(shí)器定時(shí)而得。系統(tǒng)運(yùn)行中可以通過(guò)觀察指示燈閃爍，若均勻閃爍說(shuō)明測(cè)量值準(zhǔn)確。系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，能夠顯示總的脈搏次數(shù)和時(shí)間。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)工作正常，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

本設(shè)計(jì)利用紅外光電傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大整形后，輸入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的控制，從而測(cè)量出一分鐘內(nèi)的脈搏跳動(dòng)次數(shù)，快捷方便。系統(tǒng)可以供用戶測(cè)量當(dāng)時(shí)的脈搏次數(shù)，同時(shí)還可以設(shè)定上限次數(shù)和下限次數(shù)，當(dāng)測(cè)量的范圍超過(guò)設(shè)定的范圍則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警提醒，除此外用戶還可以設(shè)定每天鬧鐘提醒測(cè)量，時(shí)間可以自行設(shè)定，結(jié)果最終可以把采集到的脈搏信號(hào)顯示在LCD1602上。

引 言

脈搏測(cè)量在有脈搏時(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。通過(guò)觀測(cè)脈搏信號(hào)，可以對(duì)人體的健康進(jìn)行檢查，通常被用于保健中心和醫(yī)院。系統(tǒng)可以供用戶測(cè)量當(dāng)時(shí)的脈搏次數(shù)，同時(shí)還可以設(shè)定上限次數(shù)和下限次數(shù)，當(dāng)測(cè)量的范圍超過(guò)設(shè)定的范圍則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警提醒，除此外用戶還可以設(shè)定每天鬧鐘提醒測(cè)量，時(shí)間可以自行設(shè)定[1]。

第一章 概述

脈搏攜帶有豐富的人體健康狀況的信息，自公元三世紀(jì)我國(guó)最早的脈學(xué)專(zhuān)著《脈經(jīng)》問(wèn)世以來(lái)，脈學(xué)理論得到不斷的發(fā)展和提高。在中醫(yī)四診（望、聞、問(wèn)、切）中，脈診占有非常重要的位置。脈診是我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中最具特色的一項(xiàng)診斷方法，其歷史悠久，內(nèi)容豐富，是中醫(yī)“整體觀念”、“辨證論證”的基本精神的體現(xiàn)與應(yīng)用。脈診作為“綠色無(wú)創(chuàng)”診斷的手段和方法，得到了中外人士的關(guān)注。但由于中醫(yī)是靠手指獲取脈搏信息，雖然脈診具有簡(jiǎn)便、無(wú)創(chuàng)、無(wú)痛的特點(diǎn)易為患者接受，然而在長(zhǎng)期的醫(yī)療實(shí)踐中也暴露出一些缺陷。首先，切脈單憑醫(yī)生手指感覺(jué)辨別脈象的特征，受到感覺(jué)、經(jīng)驗(yàn)和表述的限制，并且難免存在許多主觀臆斷因素，影響了對(duì)脈象判斷的規(guī)范化；其次，這種用手指切脈的技巧很難掌握；再則，感知的脈象無(wú)法記錄和保存影響了對(duì)脈象機(jī)理的研究。脈診的這種定性化和主觀性，大大影響了其精度與可行性，成為中醫(yī)脈診應(yīng)用、發(fā)展和交流中的制約因素。為了將傳統(tǒng)的中醫(yī)藥學(xué)發(fā)揚(yáng)光大，促進(jìn)脈診的應(yīng)用和發(fā)展，必須與現(xiàn)代科技相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更科學(xué)、客觀的診斷[1]。

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。為了提高脈搏測(cè)量的精確與速度，多種脈搏測(cè)量?jī)x被運(yùn)用到醫(yī)學(xué)上來(lái)，從而開(kāi)辟了一條全新的醫(yī)學(xué)診斷方法。

早在1860年Vierordt 創(chuàng)建了第一臺(tái)杠桿式脈搏描記儀，國(guó)內(nèi)20世紀(jì)50年代初朱顏將脈搏儀引用到中醫(yī)脈診的客觀化研究方面。此后隨著機(jī)械及電子技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外在研制中醫(yī)脈象儀方面進(jìn)展很快，尤其是70年代中期，國(guó)內(nèi)天津、上海、江西等地相繼成立了跨學(xué)科的脈象研究協(xié)作組，多學(xué)科共同合作促使中醫(yī)脈象研究工作進(jìn)入了一個(gè)新的境界。脈象探頭式樣很多，有單部、三部、單點(diǎn)、多點(diǎn)、剛性接觸式、軟性接觸式、氣壓式、硅杯式、液態(tài)汞、液態(tài)水、子母式等組成,脈象探頭的主要原件有應(yīng)變片、壓電晶體、單晶硅、光敏元件、PVDF壓電薄膜等，其中以單部單點(diǎn)應(yīng)變片式為最廣泛，不過(guò)近年來(lái)正在向三部多點(diǎn)式方向設(shè)計(jì)[2]。

目前脈搏測(cè)量?jī)x在多個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，除了應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如無(wú)創(chuàng)心血管功能檢測(cè)、妊高癥檢測(cè)、中醫(yī)脈象、脈率檢測(cè)等等，商業(yè)應(yīng)用也不斷拓展，如運(yùn)動(dòng)、健身器材中的心率測(cè)試都用到了技術(shù)先進(jìn)的脈搏測(cè)量?jī)x。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測(cè)量技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)，對(duì)脈搏的測(cè)量精度也越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)外先后研制了不同類(lèi)型的脈搏測(cè)量?jī)x，而其中關(guān)鍵是對(duì)脈搏傳感器的研究。起初用于體育測(cè)量的脈搏測(cè)試集中在對(duì)接觸式傳感器的研究，利用此類(lèi)傳感器所研制的指脈、耳脈等測(cè)量?jī)x各有其優(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。過(guò)去在醫(yī)院臨床監(jiān)護(hù)和日常中老年保健中出現(xiàn)的日常監(jiān)護(hù)儀器，如便攜式電子血壓計(jì)，可以完成脈搏的測(cè)量,但是這種便攜式電子血壓計(jì)利用微型氣泵加壓橡膠氣囊，每次測(cè)量都需要一個(gè)加壓和減壓的過(guò)程，存在體積龐大、加減壓過(guò)程會(huì)有不適、脈搏檢測(cè)的精確度低等缺點(diǎn)。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外致力于開(kāi)發(fā)無(wú)創(chuàng)非接觸式的傳感器，這類(lèi)傳感器的重要特征是測(cè)量的探測(cè)部分不侵入機(jī)體，不造成機(jī)體創(chuàng)傷，能夠自動(dòng)消除儀表自身系統(tǒng)的誤差，測(cè)量精度高，通常在體外，尤其是在體表間接測(cè)量人體的生理和生化參數(shù)。

其中光電式脈搏傳感器是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器，通過(guò)對(duì)手指末端透光度的監(jiān)測(cè)，間接檢測(cè)出脈搏信號(hào)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)損傷、精度高、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)光電式脈搏傳感器所研制的脈搏測(cè)量?jī)x已經(jīng)應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)等各個(gè)方面并收到了理想效果。

人體心室周期性的收縮和舒張導(dǎo)致主動(dòng)脈的收縮和舒張，是血流壓力以波的形式從主動(dòng)脈根部開(kāi)始沿著整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)傳播，這種波成為脈搏波。從脈搏波中提取人體的心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。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),因此必需經(jīng)過(guò)放大和后級(jí)濾波以滿足采集的要求。

第二章 總體方案的論證與設(shè)計(jì)

2.1主控模塊的選型和論證

方案一：

采用MSP430系列單片機(jī)，該單片機(jī)是TI公司1996年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗的混合信號(hào)處理器。其內(nèi)部集成了很多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器，提供強(qiáng)大的功能。不過(guò)該芯片昂貴不適合一般的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[3]。

方案二

采用51系列的單片機(jī)，該單片機(jī)是一個(gè)高可靠性，超低價(jià)，無(wú)法解密，高性能的8位單片機(jī)，32個(gè)IO口，且STC系列的單片機(jī)可以在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。

因此選用方案二中的51系列單片機(jī)作為主控芯片。

2.2顯示模塊的選型和論證

方案一：

采用點(diǎn)陣式數(shù)碼管顯示，點(diǎn)陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對(duì)于顯示文字比較合適，如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費(fèi)，且價(jià)格也相對(duì)較高，所以不用此種作為顯示。

方案二：

采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描，LED數(shù)碼管價(jià)格雖適中，對(duì)于顯示數(shù)字也最合適，而且采用動(dòng)態(tài)掃描法與單片機(jī)連接時(shí)，占用單片機(jī)口線少。但是由于數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描需要借助74LS164移位寄存器進(jìn)行移位，該芯片在電路調(diào)試時(shí)往往有很多障礙，所以不采用LED數(shù)碼管作為顯示。

方案三：

采用LCD液晶顯示屏，液晶顯示屏的顯示功能強(qiáng)大，可顯示大量文字，圖形，顯示多樣，清晰可見(jiàn)，對(duì)于本設(shè)計(jì)而言一個(gè)LCD1602的液晶屏即可，價(jià)格也還能接受，需要的借口線較多，但會(huì)給調(diào)試帶來(lái)諸多方便。

所以本設(shè)計(jì)中方案三中的LCD1602液顯示屏作為顯示模塊。

2.3傳感器的選型和論證

方案一：

采用壓電傳感器用來(lái)提取人的脈搏信號(hào)，壓電傳感器是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生的壓電效應(yīng)制成的傳感器。所謂壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變（包括彎曲和伸縮形變）時(shí)，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，會(huì)在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。通過(guò)此現(xiàn)象可以提取出人的脈搏信號(hào)。

方案二：

采用光電傳感器提取人體脈搏信號(hào)，授予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(dòng)相對(duì)動(dòng)脈血是十分微弱的，可以忽略，因此可以認(rèn)為光透過(guò)手指后的變化僅由動(dòng)脈血的充盈而引起，那么在恒定波長(zhǎng)的光源的照射下，通過(guò)檢測(cè)透過(guò)手指的光強(qiáng)將可以間接測(cè)量到人體的脈搏信號(hào)[4]。

由于光電傳感器較壓電傳感器容易在一般的地方可以買(mǎi)得到，因此這里選用光電傳感器來(lái)提取人體脈搏信號(hào)。

2.5系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)概述

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)由STC89C52、按鍵、LCD1602、光電傳感器、時(shí)鐘模塊、運(yùn)放等構(gòu)成，如圖2.1所示，系統(tǒng)設(shè)有四個(gè)按鍵，可以設(shè)置上下限脈搏數(shù)，當(dāng)超過(guò)范圍的時(shí)候單片機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)響，脈搏測(cè)量的時(shí)候需要人把手輕輕的按在光電傳感器上面，由于人脈搏跳動(dòng)的時(shí)候，血液的透光性不一樣會(huì)導(dǎo)致接收器那邊接收的信號(hào)強(qiáng)弱不一樣，間接的把人脈搏信號(hào)傳回，通過(guò)運(yùn)放對(duì)其進(jìn)行放大、整形后連接到單片機(jī)的IO口，單片機(jī)利用外部中斷對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，最終換算成人一分鐘脈搏的跳動(dòng)次數(shù)，最終顯示在液晶屏上。

第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

主控模塊模塊在整個(gè)系統(tǒng)中起著統(tǒng)籌的作用，需要檢測(cè)鍵盤(pán)等各種參數(shù)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)液晶顯示相關(guān)參數(shù)，在這里我們選用了51系列單片機(jī)中的STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片。

51系列單片機(jī)最初是由Intel 公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，但后來(lái)Intel 公司把51 核的設(shè)計(jì)方案賣(mài)給了幾家大的電子設(shè)計(jì)生產(chǎn)商，譬如SST、Philip、Atmel 等大公司。因此市面上出現(xiàn)了各式各樣的均以51 為內(nèi)核的單片機(jī)[6]。這些各大電子生產(chǎn)商推出的單片機(jī)都兼容51 指令、并在51 的基礎(chǔ)上擴(kuò)展一些功能而內(nèi)部結(jié)構(gòu)是與51一致的。

STC89C52有40個(gè)引腳，4個(gè)8位并行I/O口，1個(gè)全雙工異步串行口，同時(shí)內(nèi)含5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。STC89C52的存儲(chǔ)器系統(tǒng)由4K的程序存儲(chǔ)器(掩膜ROM)，和128B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)組成。

3.1.3單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

              圖3.3為單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖，單片機(jī)最小系統(tǒng)有單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路組成，時(shí)鐘電路選用了12MHZ的晶振提供時(shí)鐘，作用為給單片機(jī)提供一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，其中執(zhí)行一條基本指令需要的時(shí)間為一個(gè)機(jī)器周期，單片機(jī)的復(fù)位電路，按下復(fù)位按鍵之后可以使單片機(jī)進(jìn)入剛上電的起始狀態(tài)。圖中10K排阻為P0口的上拉電阻，由于P0口跟其他IO結(jié)構(gòu)不一樣為漏極開(kāi)路的結(jié)構(gòu)，因此要加上拉電阻才能正常使用。

由于本設(shè)計(jì)中要求顯示界面顯示一些參數(shù)，因此這里選用了LCD1602作為界面顯示，可以把一些相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行顯示。

3.2.1 液晶原理介紹

液晶顯示器(LCD)英文全稱為L(zhǎng)iquid Crystal Display，它一種是采用了液晶控制透光度技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)色彩的顯示器。和CRT顯示器相比，LCD的優(yōu)點(diǎn)是很明顯的。由于通過(guò)控制是否透光來(lái)控制亮和暗，當(dāng)色彩不變時(shí)，液晶也保持不變，這樣就無(wú)須考慮刷新率的問(wèn)題。

顯示接口用來(lái)顯示系統(tǒng)的狀態(tài)，命令或采集的電壓數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)顯示部分用的是LCD液晶模塊，采用一個(gè)16×2的字符型液晶顯示模塊。

點(diǎn)陣圖形式液晶由 M 行×N 列個(gè)顯示單元組成，假設(shè) LCD 顯示屏有64行，每行有 128列，每 8列對(duì)應(yīng) 1 個(gè)字節(jié)的 8 個(gè)位，即每行由 16 字節(jié)，共 16×8=128個(gè)點(diǎn)組成，屏上 64×16 個(gè)顯示單元和顯示 RAM 區(qū) 1024 個(gè)字節(jié)相對(duì)應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和屏上相應(yīng)位置的亮暗對(duì)應(yīng)。一個(gè)字符由 6×8 或 8×8點(diǎn)陣組成，即要找到和屏上某幾個(gè)位置對(duì)應(yīng)的顯示 RAM區(qū)的 8 個(gè)字節(jié)，并且要使每個(gè)字節(jié)的不同的位為‘1’，其它的為‘0’，為‘1’的點(diǎn)亮，為‘0’的點(diǎn)暗，這樣一來(lái)就組成某個(gè)字符。但對(duì)于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來(lái)說(shuō)，顯示字符就比較簡(jiǎn)單了，可讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在LCD 上開(kāi)始顯示的行列號(hào)及每行的列數(shù)找出顯示 RAM對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，在此送上該字符對(duì)應(yīng)的代碼即可。

3.2.2液晶模塊簡(jiǎn)介

LCD1602液晶模塊采用HD44780控制器，hd44780具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集，可以實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)，閃爍等功能，LM016L與單片機(jī)MCU通訊可采用8位或4位并行傳輸兩種方式，hd44780控制器由兩個(gè)8位寄存器，指令寄存器（IR）和數(shù)據(jù)寄存器（DR）忙標(biāo)志（BF），顯示數(shù)RAM（DDRAM），字符發(fā)生器ROMA（CGOROM）字符發(fā)生器RAM（CGRAM），地址計(jì)數(shù)器RAM(AC)。IR用于寄存指令碼，只能寫(xiě)入不能讀出，DR用于寄存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由內(nèi)部操作自動(dòng)寫(xiě)入DDRAM和CGRAM,或者暫存從DDRAM和CGRAM讀出的數(shù)據(jù)，BF為1時(shí)，液晶模塊處于內(nèi)部模式，不響應(yīng)外部操作指令和接受數(shù)據(jù)，DDTAM用來(lái)存儲(chǔ)顯示的字符，能存儲(chǔ)80個(gè)字符碼，CGROM由8位字符碼生成5*7點(diǎn)陣字符160中和5*10點(diǎn)陣字符32種.8位字符編碼和字符的對(duì)應(yīng)關(guān)系， CGRAM是為用戶編寫(xiě)特殊字符留用的，它的容量?jī)H64字節(jié)，可以自定義8個(gè)5*7點(diǎn)陣字符或者4個(gè)5*10點(diǎn)陣字符，AC可以存儲(chǔ)DDRAM和CGRAM的地址，如果地址碼隨指令寫(xiě)入IR,則IR自動(dòng)把地址碼裝入AC，同時(shí)選擇DDRAM或CGRAM，LCD1602液晶模塊的引腳圖如圖3.4所示。

液晶寄存器選擇控制如表3.1。

3.2.3液晶顯示部分與STC89C52的接口

如圖3.5所示。用STC89C52的P0口作為數(shù)據(jù)線，用P1.2、P1.1、P1.0分別作為L(zhǎng)CD的EN、R/W、RS。其中EN是下降沿觸發(fā)的片選信號(hào)，R/W是讀寫(xiě)信號(hào)，RS是寄存器選擇信號(hào)本模塊設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：顯示模塊初始化：首先清屏，再設(shè)置接口數(shù)據(jù)位為8位，顯示行數(shù)為1行，字型為5×7點(diǎn)陣，然后設(shè)置為整體顯示，取消光標(biāo)和字體閃爍,最后設(shè)置為正向增量方式且不移位[10]。向LCD的顯示緩沖區(qū)中送字符，程序中采用2個(gè)字符數(shù)組，一個(gè)顯示字符，另一個(gè)顯示電壓數(shù)據(jù)，要顯示的字符或數(shù)據(jù)被送到相應(yīng)的數(shù)組中，完成后再統(tǒng)一顯示.首先取一個(gè)要顯示的字符或數(shù)據(jù)送到LCD的顯示緩沖區(qū)，程序延時(shí)2.5ms,判斷是否夠顯示的個(gè)數(shù)，不夠則地址加一取下一個(gè)要顯示的字符或數(shù)據(jù)。

此部分電路的功能是由傳感器將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，一般為幾十毫伏，必須加以放大，以達(dá)到整形電路所需的電壓，一般為幾伏。放大后的信號(hào)波形是不規(guī)則的脈沖信號(hào)，因此必須加以濾波整形，整形電路的輸出電壓應(yīng)滿足計(jì)數(shù)器的要求。選擇電路：所選放大整形電路框圖如圖3.8所示。

3.4.1傳感器簡(jiǎn)介

傳感器采用了紅外光電轉(zhuǎn)換器，作用是通過(guò)紅外光照射人的手指的血脈流動(dòng)情況，把脈搏跳動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其原理電路如圖3.9所示。

如圖3.9中，紅外管VD采用ST188。用+5V電源供電，R1取150Ω，R2取33kΩ,當(dāng)人把手指放在發(fā)光二極管和光電二極管之間的時(shí)候，光電二極管接收到的信號(hào)會(huì)隨人脈搏強(qiáng)度的變化而變化[11]。

3.4.2濾波電路

圖3.10為脈搏計(jì)的放大濾波信號(hào)，由于脈搏信號(hào)輸出的信號(hào)十分微弱，一般在uV級(jí)別，除此外輸出的信號(hào)一般會(huì)伴隨很大的噪聲干擾，因此在這里用LM358搭建起一個(gè)放大和濾波電路。

3.4.3放大整形電路

經(jīng)過(guò)放大濾波后的脈搏信號(hào)仍是不規(guī)則的脈沖信號(hào)，且有低頻干擾，仍不滿足計(jì)數(shù)器的要求，必須采用整形電路，這里選用了滯回電壓比較器，如圖3.11所示，其目的是為了提高抗干擾能力。集成運(yùn)放采用了LM358，除此外LM358還接上了一個(gè)LED用作指示脈搏跳動(dòng)的狀態(tài)。

              

第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖4.1所示，單片機(jī)上電后先進(jìn)行初始化，清楚一些參數(shù)的初值，然后等待用戶按下對(duì)應(yīng)的按鍵并進(jìn)入對(duì)應(yīng)的功能，當(dāng)用戶按下測(cè)量按鍵的時(shí)候流程如圖4.1(c)所示，單片機(jī)通過(guò)定時(shí)15s測(cè)量人體的脈搏次數(shù)流程如圖4.1(b)所示，然后再換算出對(duì)應(yīng)的真實(shí)的脈搏次數(shù)再在液晶屏幕上顯示流程如圖4.1(a)所示，當(dāng)用戶按下設(shè)置脈搏范圍設(shè)定按鍵后，單片機(jī)根據(jù)用戶按下的按鍵進(jìn)行增加或減少范圍。

首先先調(diào)用液晶自定義的字庫(kù)，設(shè)置好DDRAM地址后在第一行顯示，根據(jù)程序中的數(shù)據(jù)設(shè)置顯示數(shù)據(jù)的首地址并設(shè)置循環(huán)量，在循環(huán)過(guò)程中不斷的取字符代碼直到終止，第二行的顯示過(guò)程同一行的顯示過(guò)程一樣，兩行顯示完畢后便結(jié)束子程序，如圖4.2所示[15]。

軟件任務(wù)分析和硬件電路設(shè)計(jì)結(jié)合進(jìn)行，哪些功能由硬件完成，哪些任務(wù)由軟件完成，在硬件電路設(shè)計(jì)基本定型后，也就基本上決定下來(lái)了。

軟件任務(wù)分析環(huán)節(jié)是為軟件設(shè)計(jì)做一個(gè)總體規(guī)劃。從軟件的功能來(lái)看可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是執(zhí)行軟件，它能完成各種實(shí)質(zhì)性的功能，如測(cè)量，計(jì)算，顯示，打印，輸出控制和通信等，另一類(lèi)是監(jiān)控軟件，它是專(zhuān)門(mén)用來(lái)協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系，在系統(tǒng)軟件中充當(dāng)組織調(diào)度角色的軟件。這兩類(lèi)軟件的設(shè)計(jì)方法各有特色，執(zhí)行軟件的設(shè)計(jì)偏重算法效率，與硬件關(guān)系密切，千變?nèi)f化。

軟件任務(wù)分析時(shí)，應(yīng)將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個(gè)執(zhí)行模塊進(jìn)行功能定義和接口定義（輸入輸出定義）。在各執(zhí)行模塊進(jìn)行定義時(shí)，將要牽扯到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類(lèi)型問(wèn)題也一并規(guī)劃好。

各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以監(jiān)控程序了。首先根據(jù)系統(tǒng)功能和鍵盤(pán)設(shè)置選擇一種最適合的監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)。相對(duì)來(lái)講，執(zhí)行模塊任務(wù)明確單純，比較容易編程，而監(jiān)控程序較易出問(wèn)題。這如同當(dāng)一名操作工人比較容易，而當(dāng)一個(gè)廠長(zhǎng)就比較難了。

軟件任務(wù)分析的另一個(gè)內(nèi)容是如何安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊。整個(gè)系統(tǒng)軟件可分為后臺(tái)程序（背景程序）和前臺(tái)程序。后臺(tái)程序指主程序及其調(diào)用的子程序，這類(lèi)程序?qū)��?shí)時(shí)性要求不是太高，延誤幾十ms甚至幾百ms也沒(méi)關(guān)系，故通常將監(jiān)控程序（鍵盤(pán)解釋程序），顯示程序和打印程序等與操作者打交道的程序放在后臺(tái)程序中執(zhí)行；而前臺(tái)程序安排一些實(shí)時(shí)性要求較高的內(nèi)容，如定時(shí)系統(tǒng)和外部中斷（如掉電中斷）。也可以將全部程序均安排在前臺(tái)，后臺(tái)程序?yàn)椤笆瓜到y(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)”，以利于系統(tǒng)節(jié)電和抗干擾。

第五章 系統(tǒng)調(diào)試

基于單片機(jī)的脈搏計(jì)系統(tǒng)是多功能的數(shù)字型設(shè)計(jì)，，所以對(duì)于它的程序也較為復(fù)雜,所以在編寫(xiě)程序和調(diào)試時(shí)出現(xiàn)了相對(duì)較多的問(wèn)題。最后經(jīng)過(guò)多次的模塊子程序的修改，一步一步的完成，最終解決了軟件。在軟件的調(diào)試過(guò)程中主要遇到的問(wèn)題如下：

問(wèn)題1：燒入程序后，LCD液晶顯示閃動(dòng),而且亮度不均勻。

解決：首先對(duì)調(diào)用的延時(shí)進(jìn)行逐漸修改，可以解決顯示閃動(dòng)問(wèn)題。其次，由于本作品使作動(dòng)態(tài)掃描方式顯示的數(shù)字，動(dòng)態(tài)掃描很快，人的肉眼是無(wú)法看出,但是調(diào)用的顯示程序時(shí)，如果不在反回時(shí)屏蔽掉最后的附值，則會(huì)出現(xiàn)很亮的現(xiàn)象，所以在顯示的后面加了屏蔽子令，最后解決了此問(wèn)題。

問(wèn)題2：當(dāng)用戶按下按鍵的時(shí)候，單片機(jī)讀取的數(shù)值跟設(shè)定的數(shù)值不對(duì)。

解決：重新檢查矩陣鍵盤(pán)電路的連接，重新建立一個(gè)新的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

基于單片機(jī)的脈搏計(jì)系統(tǒng)的電路較大，對(duì)于焊接方面更是不可輕視，龐大的電路系統(tǒng)中只要出于一處的錯(cuò)誤，則會(huì)對(duì)檢測(cè)造成很大的不便，而且電路的交線較多，對(duì)于各種鋒利的引腳要注意處理，否則會(huì)刺破帶有包皮的導(dǎo)線，則會(huì)對(duì)電路造成短路現(xiàn)象[14]。

在本脈搏計(jì)的設(shè)計(jì)調(diào)試中遇到了很多的問(wèn)題。回想這些問(wèn)題只要認(rèn)真多思考都是可以避免的，以下為主要的問(wèn)題：

問(wèn)題1：最開(kāi)始的時(shí)候以為單片機(jī)IO口直接可以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲，后來(lái)調(diào)試的時(shí)候久久不能出聲音（見(jiàn)附錄C）。

解決：經(jīng)過(guò)查找相關(guān)資料，知道揚(yáng)聲器需要三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)，后來(lái)把三極管放大器加上系統(tǒng)便可以正常工作。

問(wèn)題2：開(kāi)始的時(shí)候由于沒(méi)想到脈搏信號(hào)十分微弱大概在uV級(jí)別，因此沒(méi)有放大足夠的倍數(shù)，單片機(jī)最后沒(méi)有檢測(cè)到脈搏的信號(hào)（見(jiàn)附錄C）。

解決：經(jīng)過(guò)查找相關(guān)資料，確定脈搏信號(hào)的幅值范圍后，增加放大器的放大倍數(shù)就解決問(wèn)題。

1.放大倍數(shù)的增加

   傳感器的輸出端經(jīng)示波器觀察有幅度很小的正弦波，但經(jīng)整形輸出后檢測(cè)到的脈沖還是很弱，在確定電路沒(méi)有問(wèn)題的情況下，加強(qiáng)信號(hào)的放大倍數(shù)，調(diào)整電阻R23和R27的阻值。

2.時(shí)鐘的調(diào)試

根據(jù)晶體振蕩頻率計(jì)算出內(nèi)部定時(shí)器的基本參數(shù)，通過(guò)運(yùn)行一段時(shí)間可通過(guò)秒表來(lái)校正后,看時(shí)間誤差的量,以這個(gè)量為依據(jù)改變程序中的內(nèi)部定時(shí)器基本參數(shù),就可使時(shí)鐘調(diào)準(zhǔn)確。

3.開(kāi)機(jī)后無(wú)顯示

首先檢查交流電源部分，有無(wú)交流，若無(wú)則可能保險(xiǎn)管或變壓器燒壞，如有繼續(xù)查直流有無(wú)，如無(wú)則電源已燒壞，可更換解決。

4.顯示正常但經(jīng)適當(dāng)運(yùn)動(dòng)后測(cè)量，脈搏次數(shù)沒(méi)有增加

可能是前置放大級(jí)有問(wèn)題，可采用更換的辦法判斷并排除。

5.進(jìn)人測(cè)量狀態(tài), 但測(cè)量值不穩(wěn)定

主要是光電傳感器受到電磁波等干擾，其次是損壞或有虛焊。

6.開(kāi)機(jī)后顯示不正常或按鍵失靈

可查手指擺放的位置或按鍵電路，若無(wú)故障則是硬件損壞。

經(jīng)過(guò)一系列的問(wèn)題查找后系統(tǒng)最終能正常工作，并完成所有的功能。

注：實(shí)際的脈搏次數(shù)以聽(tīng)診器測(cè)出的脈搏次數(shù)為參考值。

表3.1列出了測(cè)量值，但存在誤差，由于傳感器和其他器件本身并非理想線性，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性補(bǔ)償。

由均方差公式得：

=0.59

誤差分析：經(jīng)校準(zhǔn)，非線性補(bǔ)償后，誤差以基本達(dá)到要求。

結(jié)  論

通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)到了不少課本上沒(méi)有的知識(shí)，也鍛煉了自己的動(dòng)手能力，將以前學(xué)過(guò)的零散的知識(shí)串到一起。經(jīng)過(guò)我長(zhǎng)時(shí)間的設(shè)計(jì)及調(diào)試，本系統(tǒng)基本能實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的脈搏計(jì)的所有功能。不足之處有：1.硬件的穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高2.系統(tǒng)人性化還不足。

我的綜合設(shè)計(jì)主要涉及硬件和軟件兩方面的內(nèi)容，通過(guò)這些我的硬件和軟件開(kāi)發(fā)能力都獲得了提高。首先硬件方面，基本了解了電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)流程和所要做的工作。基本掌握了Protel99SE原理圖的方法，并設(shè)計(jì)了一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)。通過(guò)開(kāi)發(fā)板的設(shè)計(jì)和硬件搭建的過(guò)程，使我對(duì)51系單片機(jī)的接口有了更深層次的理解，熟悉了一些單片機(jī)常用的外圍電路引腳和連接方法，如LCD液晶，鍵盤(pán)等。并且我學(xué)會(huì)了分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，加深了對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解和運(yùn)用。我的動(dòng)手能力得到了很大的提高，創(chuàng)新意識(shí)得到了鍛煉。

致  謝

在這次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我的指導(dǎo)老師11111老師給予了我很大的幫助，提供了相關(guān)的資料，對(duì)我的課程設(shè)計(jì)作品給予了指導(dǎo)和支持。使我順利圓滿的完成了此次課稱設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)。在此，向1111老師表示衷心的感謝！同時(shí)，也要感謝學(xué)院提供制板等設(shè)施，使我的設(shè)計(jì)得以順利完成。

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，就像一場(chǎng)沒(méi)有球門(mén)的足球賽，滿場(chǎng)亂踢；一個(gè)沒(méi)有規(guī)劃的人生，就像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)專(zhuān)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)。

最后，再次感謝學(xué)院給了我們機(jī)會(huì)，以及電子信息與電氣工程學(xué)院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！

單片機(jī)源程序如下:

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2018-7-4 17:48 上傳

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