.PAGE.基于51單片機的脈搏測量儀摘要：脈搏心率測量儀在我們的日常生活中已經得到了非常廣泛的應用。為了提高脈搏心率測量儀的簡便性和精確度,本課題設計了一種基于51單片機的脈搏心率測量儀。系統以STC89C51單片機為核心,以紅外反射式傳感器ST188為檢測原件,并利用單片機系統內部定時器來計算時間,由紅外反射式傳感器ST188感應產生脈沖,單片機通過對脈沖累加得到脈搏心率跳動次數,時間由定時器定時而得。系統運行中能顯示脈搏心率次數和時間,系統停止運行時,能夠顯示總的脈搏心率次數和時間。經測試,系統工作正常,達到設計要求。關鍵詞：脈搏心率測量儀；STC89C51單片機；紅外反射式傳感器一脈搏心率測量儀系統結構脈搏心率測量儀的設計,必須是通過采集人體脈搏心率變化引起的一些生物信號,然后把生物信號轉化為物理信號,使得這些變化的物理信號能夠表達人體的脈搏心率變化,最后要得出每分鐘的脈搏心率次數,就需要通過相應的硬件電路及芯片來處理物理變化并存儲脈搏心率次數。在硬件設計中一般的物理信號就是電壓變化。1.1光電脈搏心率測量儀的結構光電脈搏心率測量儀是利用光電傳感器作為變換原件,把采集到的用于檢測脈搏心率跳動的紅外光轉換成電信號,用電子儀表進行測量和顯示的裝置。本系統的組成包括光電傳感器、信號處理、單片機電路、數碼管顯示電路、電源等部分。1．光電傳感器即將非電量<紅外光>轉換成電量的轉換元件,它由紅外發射二極管和紅外接收三極管組成,它可以將接收到的紅外光按一定的函數關系<通常是線性關系>轉換成便于測量的物理量<如電壓、電流或頻率等>輸出。2．信號處理即處理光電傳感器采集到的低頻信號的模擬電路<包括放大、濾波、整形等>。3.單片機電路即利用單片機自身的定時中斷計數功能對輸入的脈沖電平進行運算得出心率〔包括STC89C51、外部晶振、外部中斷等。4．數碼管顯示電路即把單片機計算得出的結果用四位一體數碼管顯示出來。5.電源即向光電傳感器、信號處理、單片機提供的電源,采用直流5V電源供電。1.2工作原理本設計采用單片機STC89C51為控制核心,實現脈搏心率測量儀的基本測量功能。脈搏心率測量儀硬件框圖如下圖2.1所示：放大、整形電路ST188紅外反射傳感器放大、整形電路ST188紅外反射傳感器四位一體數碼管顯示電路四位一體數碼管顯示電路STC89C51主控制器復位電路復位電路晶振電路+5V電源晶振電路+5V電源圖2.1脈搏心率測量儀的工作原理當手指放在紅外線發射二極管和接收二極管中間,隨著心臟的跳動,血管中血液的流量將發生變換。由于手指放在光的傳遞路徑中,血管中血液飽和程度的變化將引起光的強度發生變化,因此和心跳的節拍相對應,紅外接收二極管的電流也跟著改變,這就導致紅外接收二極管輸出脈沖信號。該信號經放大、濾波、整形后輸出,輸出的脈沖信號作為單片機的外部中斷信號。單片機電路對輸入的脈沖信號進行計算處理后把結果送到四位一體數碼管顯示。圖3.3信號采集電路二.硬件系統圖3.3信號采集電路2.1信號采集電路圖3.3是脈搏心率信號的采集電路,U2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R10阻值的選取要求較高。R10選擇470Ω同時也是基于紅外接收三極管感應紅外光靈敏度考慮的。R21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心率和無脈搏心率時的信號。反之,R21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心率和無脈搏心率時的信號。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LM358輸入端而造成錯誤指示,用C4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。當有跳動的脈搏心率時,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很低,如當脈搏心率只有為50次/分鐘時,只有0.78Hz,200次/分鐘時也只有3.33Hz,因此信號首先經耦合電容C4耦合,再由R5、C5濾波以濾除高頻干擾后,加到線性放大輸入端。2.2信號放大2.1放大器的介紹LM358是由兩個獨立的高增益運算放大器組成。可以是單電源工作,也可以是雙電源工作,電源的電流消耗與電源電壓大小無關。應用范圍包括變頻放大器、DC增益部件和所有常規運算放大電路。采用DIP8或SOP8封裝形式。每一組運算放大器可用圖3.4所示的符號來表示,它有5個引出腳,其中"+"、"-"為兩個信號輸入端,"V+"、"V-"為正、負電源端,"Vo"為輸出端。兩個信號輸入端中,Vi-〔-為反相輸入端,表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+〔+為同相輸入端,表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM358的引腳排列見圖3.5。圖3.4圖3.5由于LM358二運放電路具有電源電壓范圍寬,靜態功耗小,可單電源使用,價格低廉等優點,因此被廣泛應用在各種電路中。2.3放大電路按人體脈搏心率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3.6所示。R6、C6組成低通濾波器以進一步濾除殘留的干擾,截止頻率由R6、C6決定,運放LM358將信號放大,放大倍數由R12和R13的比值決定。圖3.6低通放大電路根據一階有源濾波電路的傳遞函數,可得：放大倍數為：200。截止頻率為：3.9HZ。按人體的脈搏心率跳動為200次/分鐘時的頻率是3.3Hz考慮,低頻特性是令人滿意的。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3.7所示。圖3.72.4波形整形電路波形整形電路如圖3.8所示,LM358是一個電壓比較器。當有輸入信號時,LM358在比較器輸入信號的每個后沿到來時輸出低電平,用發光二極管D1作脈搏心率測量狀態顯示,脈搏心率每跳動一次發光二極管就亮一次。同時,該脈沖電平送到單片機/INTO腳,進行對心率的計算和顯示。輸出波形如圖3.所示。圖3.8波形整形電路經過比較器LM358的輸出波形：圖3.92.5單片機處理電路如圖3.12所示,本部分運用了STC公司的89C51單片機作為核心元件,在這里運用單片機能更快更準確地對數據進行運算,而且可以根據實際情況進行編程,所用外圍元件少,輕巧省電,故障率低。來自傳感和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機89C51的/INTO腳,單片機設為負跳變中斷觸發模式,故每次脈沖下降沿到達時觸發單片機產生中斷并進行計時,來一個脈沖脈搏心率次數就加一；定時器中斷主要完成一分鐘的定時功能。單片機對一分鐘內的脈沖次數進行累加,通過P0、P1口把測量過程和結果送到四位一體數碼管顯示出來[9]。圖3.12單片機處理電路2.6顯示電路本設計的顯示采用四位一體數碼管來顯示。單片機的P0口,P1口控圖3.13顯示電路制顯示器。顯示電路如圖3.13。圖3.13顯示電路脈搏心率測量儀電路原理圖圖3.16電路原理圖三.軟件系統3.1主程序流程：系統主程序控制單片機系統按預定的操作方式運行,它是單片機系統程序的框架。系統上電后,對系統進行初始化。初始化程序主要完成對單片機內專用寄存器、定時器工作方式及各端口的工作狀態的設定。系統初始化之后,進行定時器中斷、外部中斷、顯示等工作,不同的外部硬件控制不同的子程序[12]。流程如圖4.1所示。3.2定時器中斷程序流程：定時器中斷服務程序由一分鐘計時、按鍵檢測、有無測試信號判斷等部分組成。當定時器中斷開始執行后,對一分鐘開始計時,1s計時到之后繼續檢測下1s,直到60s到了再停止并保存測得的脈搏心率次數。同時可以對按鍵進行檢測,只要復位測試值就可以重新開始測試。主要完成一分鐘的定時功能和保存測得的脈搏心率次數。流程如圖4.2所示。3.3INT中斷程序流程：外部中斷服務程序完成對外部信號的測量和計算。外部中斷采用邊沿觸發的方式,當處于測量狀態的時候,來一個脈沖脈搏心率次數就加一,由單片機內部定時器控制一分鐘,累加得出一分鐘內的脈搏心率次數。流程如圖4.3所示。3.4代碼：.測量儀使用方法測量儀通電后,數碼管全部顯示0。把手輕輕置于右下角的傳感器中,以稍微有壓迫感為宜,這時很快就可以看到紅色發光二極管會伴隨你的脈搏心率而閃爍,讓你直觀的看到自己脈搏心率跳動的速度,按下復位鍵后單片機和顯示部分開始工作,單片機立刻開始計數,同時數碼管顯示出你的心率和測試的時間,非常方便。如果偶爾出現不穩的情況,請按復位鍵對系統進行復位。系統調試1.放大倍數的增加傳感器的輸出端經示波器觀察有幅度很小的正弦波,但經整形輸出后檢測到的脈沖還是很弱,在確定電路沒有問題的情況下,加強信號的放大倍數,調整電阻R12和R13的阻值。2.時鐘的調試根據晶體振蕩頻率計算出內部定時器的基本參數,通過運行一段時間可通過秒表來校正后,看時間誤差的量,以這個量為依據改變程序中的內部定時器基本參數,就可使時鐘調準確。3.開機后無顯示首先檢查交流電源部分,有無交流,若無則可能保險管或變壓器燒壞,如有繼續查直流有無,如無則電源已燒壞,可更換解決。4.顯示正常但經適當運動后測量,脈搏心率次數沒有增加可能是前置放大級有問題,可采用更換的辦法判斷并排除。5.進人測量狀態,但測量值不穩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.開機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,若無故障則是硬件損壞。7.電源的改變理論上模擬