电子脉搏计设计

毕业论文（设计）任务书

论文题目 电子脉搏计设计 院部 自动化工程学院 毕业论文（设计）的要求 次/min； 2、要求在短时间内（5s、15s）测出脉搏数/每分钟； 3、测量范围要求在±4次/min以内； 4、要求锁定每分钟脉搏数，将测量结果通过数码管出来。 毕业论文（设计）的内容与技术参数 利用红外线检测由于心脏跳动而引起的手指尖内微血管容积发生的变化，经过信号放大、调理、整形输出同步于脉搏跳动的脉冲信号，从而计算出脉率。脉搏测试仪的核心是要对低频信号在固定的短时间计数，最后以数字形式显示出来。可见，脉搏测试仪的主要组成部分是计数器和数字显示器。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，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高。本文介绍一种用单片机制作的脉搏测量仪，只要人把手指放在传感器内2秒钟就可以精确测量出每分钟脉搏数。 毕业论文（设计）工作计划 1、2011.11~2011.12参考国内文献，了解课题研究的背景、意义以及发展现状，撰写开题报告。 2、2011.12~2012.1设计电路框图、原理图、选择元件参数。 3、2012.02~2012.03完成电路的组装与调试，撰写电子版毕业论文。 4、2012.04整理毕业论文资料。 5、2012.04准备答辩。 专业 自动化 班级 自动化本科班 021、要求用十进制数显示被测人体脉搏每分钟跳动的次数，测量范围30～160接受任务日期 年 月 日 要求完成日期 年 月 日 学生 (签名) 年 月 日 指导教师 (签名) 年 月 日 院长(主任) (签名) 年 月 日 I

摘要

对于医院的危重病人，或者在其他一些特殊场合，需对人的脉搏进行连续检测，本课题即针对这一需求，设计一台简易的脉搏检测仪。本课题应用红外脉搏传感器，利用红外线检测由于心脏跳动而引起的手指尖内微血管容积发生的变化，经过信号放大、调理、整形输出同步于脉搏跳动的脉冲信号，从而计算出脉率。血液容积脉搏血流中包含有心搏功能、血液流动等诸多心血管系统的重要生理信息，同时容积脉搏血流主要存在于外周血管中的微动脉毛细血管等微血管中，所以容积脉搏血流同样包含有丰富的微循环生理病理信息，是我们研究人体循环系统重要的信息来源。红外脉搏波采集操作简便性能稳定具有无创伤和适应性强等诸多优点因而受到国内外医学界的普遍重视。 关键词：红外脉搏传感器；脉率；脉冲信号

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Abstract

For hospital critically ill patients, or in some other special occasions, and heart rate for continuous detection, this topic is aimed at this

requirements, design a simple heart rate detector. This topic application HKG-series infrared pulse transducer, using infrared detection because the beating of the heart and cause the tips of your fingers microvascular volume in the changes of, after amplification, regulate, plastic output in the pulse of synchronous pulse signal, so as to calculate MaiLv. Blood volume blood contains intentional pulse cardiac function, blood flow, and many other cardiovascular system important physiological information, and at the same time volume pulse blood flow mainly exists in the

peripheral artery of the capillary, etc in capillaries, so volume contains rich same pulse blood flow of microcirculation physiological pathology information, is our human circulatory important source of information. Infrared pulse wave acquisition simple operation performance stability has no wound and strong adaptability, and many other advantages and is paid attention to the medical profession at home and abroad Keyword: Infrared pulse transducer,Pulse rate ,pulse signal

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目录

1 绪论 ..................................................... 1

1.1 人体脉搏研究的背景和意义 ........................... 1 1.2 国内外研究现状 ..................................... 2 1.3 论文结构安排 ....................................... 3 2 方案原理及设计 ........................................... 4

2.1 方案原理介绍及论证 ................................. 4 2.2 方案及传感器的选择 ................................. 5

2.2.1 方案论证 ...................................... 5 2.2.2 方案设计 ...................................... 6 2.2.3 方案验证 ...................................... 6 2.2.4 总体方案介绍 .................................. 6

3 系统技术基础 ............................................. 8

3.1 AT89C2051主要性能 .................................. 8 3.2 AT89C2051的结构框图 ................................ 8 3.3 AT89C2051的引脚说明 ................................ 9 3.4 复位电路 .......................................... 10 3.5 振荡电路 .......................................... 10 3.6 AT89C2051的优点 ................................... 11 3.7 光电式脉搏传感器原理 .............................. 11 4 系统硬件设计 ............................................ 13

4.1 脉搏波检测电路 .................................... 13 4.2 脉搏信号拾取电路 .................................. 13 4.3 信号放大电路 ...................................... 14 4.4 二级放大电路和比较电路 ............................ 15 4.5 波形整形部分 ...................................... 16 4.6 显示器设计 ........................................ 17 4.7 整体电路 .......................................... 18 5 软件分析 ................................................ 19

5.1 主程序流程图 ...................................... 19 5.2 T1中断服务程序 .................................... 20 5.3 中断服务子程序 .................................... 21 6 总结 .................................................... 23 致 谢 ..................................................... 24 参考文献 ................................................... 25 附录A ...................................................... 26 附录B ...................................................... 27

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1 绪论

1.1 人体脉搏研究的背景和意义

脉搏是由心脏搏动而引起, 经动脉和血流传至远端的桡动脉处, 它携带有丰富的人体健康状况信息。早在公元前7世纪脉诊就成为中医的一项独特诊病方法。但自古以来中医独特的诊断方法及治病的疗效总是笼罩着一层神秘的面纱。中医一直是靠手指获取脉搏信息, 这难免存在许多主观臆断因素, 况且这种用手指切脉的技巧很难掌握,因此人们迫切期望尽早实现脉诊的科学化和现代化。随着传感器技术及计算机处理技术的发展，人们希望能够将现代技术应用于中医脉象诊断，以便更科学、更客观地揭示脉象的实质与特征。另一方面从西医的角度看,近年来人们也试图根据脉搏波的变异性来评价和诊断人体心血管系统的病变,以便能找到一个有效的心血管疾病早期无创诊断的方法。因此,对脉搏信号进行无失真的检测、采集和处理是一项重要而很有意义的基础工作,它是对脉搏信号进一步分析并依此对心脏及动脉血管系统疾病进行预报和诊断的前提。本论文的研究主要是基于这方面来进行的，利用功能强大的虚拟仪器LabVIEW设计出脉搏的采集与分析系统，从客观、物理的角度来诠释人体脉搏系统。

心率(Heart Rate)：用来描述心动周期的专业术语，是指心脏每分钟跳动的次数,以第一声音为准。在正常情况下，脉率和心率是一致的。正常成年人安静时的心率有显著的个体差异，平均在75次/分左右(60—100次/分之间)。初生儿的心率很快，可达130次/分以上。在成年人中，女性的心率一般比男性稍快。健康成人的心率为60～100次/分，大多数为60～80次/分，女性稍快；3岁以下的小儿常在100次/分以上；老年人偏慢。成人每分钟心率超过100次（一般不超过 160次/分）或婴幼儿超过 150次/分者，称为窦性心动过速。如果心率在 160～220次/分，常称为阵发性心动过速。心率低于60次/分者（一般在40次/分以上），称为窦性心动过缓。如心率低于40次/分，应考虑有房室传导阻滞。心率过快超过160次/分，或低于40次/分，大多见于心脏病病人，病人常有心悸、胸闷、心前区不适，应及早进行详细检查，以便针对病因进行治疗。对某些阵发性心率过速或过缓，往往在就医时测试出心率正常，以至使医生无法确诊，所以我们设计出这种可以随时进行心率测量的心率计，不仅可以随时地监测一个人的健康状况，而且为医生对这种病症的确诊提供证据。

人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张,使血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播,这种波称为脉搏波。脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息,很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。

传统的脉搏测量采用脉诊方式,中医脉象诊断技术就是脉搏测量在中医上卓有成效的应用,但是受人为的影响因素较大,测量精度不高。无创测量（NoninvasiveMeas2urements）又称非侵入式测量或间接测量,其重要特征是测量的探测部分不侵入机体,不造成机体创伤,通常在体

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外,尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。

生物医学传感器获取生物信息并将其转换成易于测量和处理信号的一个关键器件。光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器,通过对手指末端透光度的监测,间接检测出脉搏信号。光电式脉搏传感器具有结构简单、无损伤、可重复好等优点,本文讨论的就是基于光电式脉搏传感器的设计和具体实现。

1.2 国内外研究现状

脉搏系统和脉搏信息的研究包括两大方面: 一是理论分析与计算(即建模方面)；二是信号检测与分析。从发表的文献来看, 国外在前一方面做了大量的研究, 也早于国内学者; 而国内在后一方面的研究多于国外。对脉搏信号的分析主要包括以下方面: （1）脉搏信号检测与提取

用脉搏记录仪器描绘脉搏波图像已有百余年的历史。1860年法国人研制了杠杆脉搏描记器，成为现代脉象描记的基础。脉象仪的总体构成包括脉象信号检测，信号预处理和信号分析三个环节。我国医务界约从50年代初就开始了用西方传来的脉搏描记技术，使脉象图形化。近十多年来，已经研制出了许多性能各异的脉象仪，各类脉搏描记器最关键和差异较大的部分就是脉象传感器的研制。从测量原理上讲，脉象传感器可分为机械式、压电式、光电容式等多种。 （2）脉搏信号处理与特征提取

目标信号检测的关键是提取信号的特征。在实际中,目标信号总是淹没在大量的杂波或干扰中,而且目标信号的幅值或功率较杂波或干扰信号可能还低得多,这就需要进行有效的信号处理。

时域分析法：目前国内对脉象信号的特征提取方法,多数采用时域分析法,即在时间方向上分析波动信号的动态特征,通过对主波、重搏前波、重搏波的高度、比值、时值、夹角、面积值的参量分析,找出某些特征与脉象变化的内在联系。时域分析法包括直观形态法、多因素识脉法、脉象速率图法、脉图面积法。直观形态法。

频域分析法：频域分析主要是通过离散快速傅里叶变换,将时域的脉搏波曲线变换到频域,得到相应的脉搏频谱曲线,通过频谱曲线的特征分析,从中提取与人体生理病理相应的信息,实现脉象分类。与时域分析不同, 脉搏信号的频域特征可分辨性好, 因此80年代以来国内外一些学者开始在频域内对脉搏信号进行分析, 初步取得了有意义的结果。这种从频域和能量的角度来分析脉搏信号的思想是十分正确的。我们从能量角度研究了几种不同疾病脉搏信号的特征频域特征和差异, 利用频域分析的延伸技术——倒谱与同态解卷,首次估计出了人体脉搏系统的传递函数, 分析了脉搏系统的频率特性。

时频联合分析法：是把一维信号或系统表示成一个时间和频率的二维函数,时频平面能描述出各个时刻的谱成分。常用的时频表示方法有短时傅立叶变换和小波变换(WT) 。

短时傅立叶变换(STFT)方法：是一种广义情形,是一种线性时频表示方法,它依赖于被分析信号的线性特性,即信号的频谱与在数据中提供正

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弦成分的幅度成线性比例。其最主要的优点是容易实现、计算简洁有效,而它主要的缺陷是时间和频率分辨率在整个时频平面上固定不变。另外的限制是对一个特殊的信号,需要一个特殊的窗才能得到最佳分辨率。 小波变换(WT)：是另外一种重要的线性时频表示,它在时频平面上具有可变的时间和频率分辨率,把FT 中的正弦基函数修改成在整个时频平面上具有可变时频分辨率的基函数,使得它在高频区域能够提供高的时间分辨率,而在低频区域能够提供高的频率分辨率。小波变换这种独特的能力使其成为分析脉搏这种非平稳信号的有力工具。在目前已知的小波函数中,复值调制的Gaussian 函数是使用最高的小波之一。

1.3 论文结构安排

本文首先对方案的选择做了详细的论证与设计。本设计用到的主要核心部件是AT89C2051，为了加深对该单片机的了解，本文详细介绍了该单片机的内部结构图以及它的复位电路和振荡电路。该电路为了采集脉搏波信号用到了光电传感器，并对光电传感器的信号拾取，信号放大做了较为详细的介绍，因为采集到的光电信号比较弱，所以用到了二级放大，经过二级放大后的波形经过整形电路，将脉冲信号传送到单片机，经CPU的计数、比较最终将结果显示出来。

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2 方案原理及设计

2.1 方案原理介绍及论证

正常人的脉搏次数是每分钟60～90次（婴儿为90～120次,老年人则为100～150次), 这种频率信号属于低频范畴.因此,脉搏测试仪是用来测量低频信号的装置,它的基本功能要求是:

要把人体的脉搏数(振动)转换成电信号,这就需要借助传感器。对转换后的电信号要进行放大、滤波和整形处理，以保证后续电路能正常对其进行进一步的加工和处理。脉搏测试仪要能在几秒左右测出脉搏跳动次数，并作出是否报警的判断。报警的上、下限及对象选择可以通过多路开关调节。总之，脉搏测试仪的核心是要对低频信号在固定的短时间计数，最后以数字形式显示出来。可见，脉搏测试仪的主要组成部分是计数器和数字显示器。

脉搏传感器的作用是将脉搏信号转换为相应的点冲信号。脉搏传感器是脉搏象检测系统中重要的组成部分，其性能的好坏直接影响到后置电路的处理和结构的显示。目前典型的脉搏传感器有以下三种：光电类、压阻类和压电类。在这三种目前采用最多的是压电类传感器，近年来, 光电检测技术在临床医学应用中发展很快, 这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰, 具有很高的绝缘性, 且可非侵入地检测病人各种症状信息。用光电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生物医学仪器工作的专家和学者的重视。

本次毕业设计中是利用光电式传感器来实现对脉搏信号的采样。本设计思路为：采用传感器，量脉搏的跳动，出微弱的信号，入放大器中放大；后通过滤波器滤除干扰信号后，将形整形为方波或脉冲信号；后经过倍频器增加信号的频率，输入计数器中计数，时通过定时器控制计数的时间，后得出一分钟内脉搏次数即为心率。计数器计数值输入到显示器中显示，同时，将其输入到数值器中与比较器预设值即标准值作比较，若，测量值不在标准值范围内则报警，即LED灯亮。 本方案的整体流程图，如下：

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传感器 放大器 滤波器 整形电路 报警 倍频器 比较器 计数器 定时器 显示器 图2-1 方案整体流程图

目前典型的脉搏传感器有以下三种：光电类、压阻类和压电类。在这三种当中目前采用最多的是压电型传感器，而本文采用了光电传感器，光电传感器的研究有着更为深远的应用，光电容积血流脉搏波描记（PPG）信号可以敏感反映末梢循环的细微变化,临床监测领域致力于研究如何通过PPG波形图的变化调控人体神经功能的平衡,以维持全身循环血流的生物医学工程与临床。本心率计采用红外光学检测法，摒弃了不便于运动状态下测量脉搏的听诊器和吸附在人体上的电极等老式测量方法。

2.2 方案及传感器的选择

2.2.1 方案论证

正常人的脉搏次数是每分钟60～90次（婴儿为90～120次,老年人则为100～150次), 这种频率信号属于低频范畴.因此,脉搏测试仪是用来测量低频信号的装置,它的基本功能要求是:

要把人体的脉搏数转换成电信号,这就需要借助传感器。对转换后的电信号要进行放大、滤波和整形处理，以保证后续电路能正常对其进行

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进一步的加工和处理。脉搏测试仪要能在15秒左右测出脉搏跳动次数，并作出是否报警的判断。报警的上、下限及对象选择可以通过多路开关调节。总之，脉搏测试仪的核心是要对低频信号在固定的短时间计数，最后以数字形式显示出来。可见，脉搏测试仪的主要组成部分是计数器和数字显示器。

2.2.2 方案设计

脉搏测试仪的上述功能要求，可采用了二种不同的方案来实现： 方案一：把转换为电信号的脉搏信号，在单位时间N内（如15秒）进行计数，完成后将计数结果通过乘法器乘以系数60/N（如60÷15=4）并用数字显示其计算后的值，从而得到每分钟的脉搏数。

方案二：该种方案和第一种有一点类似，其差别在于该方案采用的是倍频的方式求取脉搏数。在单位时间15秒内进行计数，由于15秒是一分钟的1/4，所以理想情况下60秒内测得的脉搏数是15秒内测得值的4倍。所以可以通过对被测脉搏波进行细分（即4倍频），从而通过计数器在15秒内所得计数结果就是一分钟的脉搏数。

2.2.3 方案验证

这二种方案比较起来，第一种方案比较直观，但精度较低，如果计数时间是15秒最大时误差为±4次，而且电路结构需要乘法器，乘法器芯片难寻，电路结构复杂；第二种方案直观，电路结构简单，且精度较第一种方案高，但由于采用倍频电路其精度已提高到±1次，完全满足设计要求。为了使脉搏测试仪轻巧而便宜，且有较高精度通常采用第二种方案，本文的设计就基于这一方案。

2.2.4 总体方案介绍

本设计采用了第二种方案，选用该种方案的原因是电路容易实现，各部分造价较低，满足精度要求。该方案选用HKG-07系列红外脉搏传感器，光电式脉搏传感器由于采用不同的光敏元件有着多种实现方法, 其中光敏元件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和硅光电池。在传统的光电式脉搏传感器设计中, 通常采用的是独立光敏元件, 利用半导体的光电效应改变输出的电流, 通常光敏元器件输出的电流极低, 容易受到外界干扰, 而且对后续的放大器的要求比较严格, 需要放大器空载时的电流输出较小, 避免放大器空载输出电流对脉搏信号测量的干扰, 这样对于普通的放大器就不能直接应用在光敏元件的后端。在本文中, 采用一种新型的光敏元件OPT101 , 该元件将感光部件和放大器集成在同一个芯片内部, 这种集成化的设计方式有效地克服了后端运算放大器空载电流输出对光敏部件输出电流的影响, 而且芯片输出的电压信号可以通过外部的精密电阻进行调节, 有利于芯片适应整体的电路设计, 同时芯片的集成化设计也能够减小系统的功耗。光电式脉搏传感器主要由光源、光敏器件, 以及相应的信号调理控制电路构成，脉搏信号主要由动脉血的充盈引起, 而血液中还原血红蛋白( Hb) 和氧合血红蛋白( HbO2 ) 含量变化将造成透光率的变化, 当氧合血红蛋

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因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的, 那么在恒定波长的光源的照射下, 通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号。

从光源发出的光除被手指组织吸收以外, 一部分由血液漫反射返回。其余部分透射出来。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, 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, 但不能精确测量出血液容积量的变化; 反射式的发射光源和光敏器件位于同一侧, 接收的是血液漫反射回来的光, 此信号可以精确地测得血管内容积变化。本文讨论的是透射式脉搏传感器, 侧重于脉搏信号的测量。

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4 系统硬件设计

4.1 脉搏波检测电路

目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：光电容积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。近年来, 光电检测技术在临床医学应用中发展很快, 这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰, 具有很高的绝缘性, 且可非侵入地检测病人各种症状信息。用光电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生物医学仪器工作的专家和学者的重视。本系统设计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。

+12V3kR11k8TCRT5000R222kCEC1+放大整形电路 +

图4-1 血液脉搏检测电路

传感器由发光二级管和光敏二极管组成, 其工作原理是: 发光二极管发出的光透射过手指,经过手指组织的血液吸收和衰减，由光敏二极管接收。由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的吸收和衰减也是周期性脉动的, 于是光敏二极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。

4.2 脉搏信号拾取电路

如图所示，IClA为单位增益缓冲器，用于产生2.5V的基准电压。

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IMDIR333IRDPBW83R0VCC100C2R5VCCC147uFIC1ATLC2262R4150K0.01uF470KIC2BTLC2262ViR233KR333K 图4-2 信号拾取器图 红外接收二极管在红外光的照射下能产生电能，单个二极管能产生O.4 V电压，0.5 mA电流。BPW83型红外接收二极管和IR333型红外发射二极管工作波长都是940 nm，在指夹中，红外接收二极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。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。图中，RO选100 Ω是基于红外接收二极管感应红外光灵敏度考虑的。R0过大，通过红外发射二极管的电流偏小，BPW83型红外接收二极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R0过小，通过的电流偏大，红外接收二极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当红外发射二极管发射的红外光直接照射到红外接收二极管上时，IC1B的反相输入端电位大于同相输入端电位，Vi为“O”。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，由于红外接收二极管中存在暗电流，仍有lμA的暗电流会造成Vi电位略低于2.5V。二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收二极管中的暗电流减小，Vi电位上升。 由此看来，所谓脉搏信号的拾取实际上是通过红外接收二极管，在有脉和无脉时暗电流的微弱变化，再经过IClB的放大而得到的。所拾取的信号为2μV左右的电压信号。 4.3 信号放大电路 按人体脉搏在运动后最高跳动次数达240次/分计算来设计低通放大器，它由IC2A和C04等组成，如图所示。转折频率由R07、C04、R08和C05决定，放大倍数由R08和R06的比值决定。 TSi 314 DFi45

2.5VR9300kC40.1uFIC2ATLC2264R6Vi10kC34.7uFR710kVo1C50.47uFR8Vs220k 图4-3 低通滤波器图

根据二阶低通滤波器的传递函数，可得

R081V01(S)R06R07R08C04C05 ?S1111V1(S)2S?(??)?C04R06R07R08R07R08C04C05?放大倍数为 H=-R08/R06 =-22 取0.707倍零频增益计算高频转折频率，

即fH = 7.7Hz 按人的脉搏最高为4 Hz考虑，低频特性是令人满意的。需要说明的是，以上分析是在忽略C03的条件下做出的，如果考虑C03的话，那么：

VS(S)?V1(S)1R06C04s?C04?1C03?1

R06C04s?1由此可见，C03没有影响频率特性的分析，它的作用只是隔直。

4.4 二级放大电路和比较电路

二级放大器兼比较器如图所示。Rpll用以调整系统的放大倍数，C06用以防止放大器自激。采用二级放大，零点漂移不很明显，在O.1 V左右。所以将比较器的阈值电压设计成O.25 V，以确保滤除干扰信号。

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采用比较器的好处是能有效地克服零点漂移所造成的影响，提高测量的准确性。 R4VCC39kRP1210kR1239k42.5v3IC2B134R16Vo110kR1610k12B211IC2CTLC2264RP11500k11C60.1uFA 图4-4 二级放大器和比较器图 4.5 波形整形部分 波形整形电路如图所示，IC3A是CD4528型单稳态多谐振荡器，有效脉宽为0.05 s．其宽度由R22和C20决定。IC3B也组成一个单稳态多谐振荡器，脉宽为240ms。D2、Dl和T3等组成一个或非门，只有C，E两点均为低电平时，信号放大器整机输出才是高电平。设计这个电路的目的是为了在输出端输出一个窄脉冲，并且要在由R13和C07决定的时间内任何信号都不会干扰输出。R23和C21充电时间的长短决定了计数脉冲的宽度，一般不希望它太宽。波形整形时序如图所示。

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VCCR2610k记数脉冲D1VCCVCC4148R2414.7kT39014R25470R2220k2R131MIC3ARCCX+T-TQ6145CD2D34148C200.1uFC71uFIC3B21RCCX+T-T4528Q64148ERQ7R2322kR241kB45280.01uF3R3C21D45Q7VCC 图4-5 波形整形线路图 4.6 显示器设计 经过译码器译码，输出信号为七段显示代码，输入到七段数码显示管中即可实现显示功能。采用半导体数码管BS201A显示，数码管引脚如下：

图4-6 数码管引脚图

D.P端为显示数码管的小数点位，本方案中不需用。BS201A的数码管有输出位，将其接地。这里控制1.6的接地与否可控制LED的导通与断开，即控制每一个BS201A的亮灭。在计数器中，有DS1,DS2,DS3三个控制个位十位和百位的输出端口，通过这三个输出口的输出信号控制三极管开关的导通与断开即可实现三个BS201A依次显示各位十位和百位。三极管选择A781,A781是PNP型三极管主要功用为开关，主要参数是工作电压20V,工作电流0.2A。

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4.7 整体电路

电路由传感器电路、信号放大和整形电路、单片机电路、数码显示电路等部分组成。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。

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5 软件分析

来自传感和整形输出电路的脉冲电平输入单片机89C2051的P3.3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；当下一次脉冲的下降沿到达时，单片机对两次脉冲间的时间进行运算得出心率，通过P1口把结果送到数码管显示出来。同时，对每次脉冲的到来均响铃，与脉搏同步。这样，就可以通过声光的形式形象地把脉搏的快慢显示出来。

为避免干扰的影响，单片机对两个脉冲之间的时间间距进行检测，若发现有干扰则忽略该干扰而不显示。本测试器的有效测量范围为50次－199次/分钟。本部分运用了ATMEL公司的89C2051单片机作核心元件，在这里运用了单片机能更快更准确地对数据进行运算，而且可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。

程序用单片机语言编写，由主程序、外部中断服务程序、定时器T1中断服务程序、延时子程序等模块组成。主程序主要完成程序的初始化。外部中断1服务程序由信号判断、计算、合理近似、显示输出等部分组成。定时中断服务程序由计时、计数、无效测试信号判断等部分组成。程序中用变量NUM对脉搏脉冲信号个数计数。

5.1 主程序流程图

心率测量程序设计由两部分构成，前半段实现初始化，报考定时器/计数器的初始化、设置堆栈指针以及开中断等。程序的后半段则是启动定时器/计数器以及调用显示子程序来完成心率值得显示

开始 定时器/计数器初始显示缓冲区清零 设置堆栈指针 开中断 调入数值比较显示 结束 5.1 脉搏计测量流程图

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5.2 T1中断服务程序

从P3.0口输入的与脉搏相对应的脉冲信号作为外部中断1的请求中断信号，外部中断采用边沿触发的方式。由于脉冲信号的频率很低，所以不适宜用计数的方法进行测量，故而采用测脉冲周期的方法进行测量，即用脉冲来控制计时信号，通过计时数计算出脉冲周期，再由脉冲周期计算出频率，从P3.0口每输入一次脉冲信号就能显示一次脉搏数。

入口 重装初值 进位标志C 将NUM送入A A加1，把结果送入NUM C=1? Y N 停止计时 重装初值 返回 图5-2 T1中断服务程序

此计时的基本单位为5ms，例如一个脉搏脉冲周期对应的NUM值为240，则对应的时间为1.2s，由此可得每分钟脉搏数为50。如果NUM的值达到256，即1.8秒钟仍没有发生定时器T1的中断时间为5ms，每中断一次计时变量NUM加1，因外部中断，则表示脉搏脉冲信号为坏值，于是NUM被清零，测量结果显示数值不变。数读采用三位数码显示。定时器T1每中断一次就刷新一次，用户可以实时了解数据。

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在数据采集中, 为了保证采集数据的不失真和适当的精确度, 必须选择合适的采样频率。人体脉搏正常跳动约为60次/ 分左右,即跳动频率在1Hz 左右，本系统为了更好的消除50Hz工频干扰，系统以50Hz的数据输出率对数据进行下抽取，抽样比为2048。中断程序中的数字处理包括如下步骤：(1)将脉冲载波的高电平时段内的数据累加2048/（2*64）＝16次，(2)将脉冲载波低电平时段内的数据累加2048/（2*64）＝16次,(3)用步骤(1)中的数据减去步骤(2)中的数据，便得到了解调后以50Hz的数据输出率输出的一个数据点。经过上述对信号的解调，有效去除背景光、杂散光的干扰。程序同时实现了过采样算法中的滤波和下抽取。

脉率计算程序包括如下步骤：将得到的数据以双字节存入ADC841的XRAM中（2304字节）。从0000H 开始,在60个样本数据中寻找最大值, 并确定其位置即波峰位置, 之后寻找紧挨着它的第二个波峰,采用软件计数器计算两者间的距离即其点数，然后按照脉率计算公式：脉率＝采样频率/ 相邻两波峰×60 ＝50×60/ 相邻两波峰，计算出脉率, 并将其存储。

当脉搏检测系统与中央监测系统或计算机进行实时数据传输时，通过设置定时器T3的控制寄存器T3CON为#86H，T3FD为 08H，得到9600的串口波特率。ADuC841发送握手信号与系统机建立通信，当握手成功

后，系统开中断并将转换处理后的数据送交系统应用程序进行处理。

5.3 中断服务子程序

中断服务子程序主要有以下三大功能：

1.实现0.6S定时，初始化中设定定时器/计数器0用作定时，定时时间为60ms，同时用内存单元6FH、7FH配合做计数器，设200H、300H单元的初始值为0AH，每进入一次中断，将200H、300H单元内容减1，减为0时为0.6S。 2.满0.6S后，读定时器/计数器1中TL1的值，即为每分钟脉搏跳动值。为了提高测量 的准确性，本设计采用测三次求平均的方法来获取心率值。这就需要我们定义一个R1寄存器的值为3，每过一个0.6s，R1的值减1，并将TL1中的值与上一次测量值A中的值相加，档R1为0时，A中的值就是三次测量总值，将其值除以3就得到心率值的结果。初始化时将定时器/计数器1设置为计数器工作方式。

3.将A计得的二进制数转换成十进制数，并将之送至显示缓冲区，其中百位数置60H单元，十位数和个位数设置61H单元，以使显示子程序实现每0.6S脉搏跳动显示。其中单字节二进制数转换成十进制数的设计思路是;将该二进制数先除以100，后在将余数除以10，即可一次获得十进制数的百位、十位和个位。中断子程序的程序流程图：

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重装初值，将7F内容设为0AH 7FH内容减1 判断7FH内容是否为0 读TL1的内容 TL1中的值与A中的值相判断R1的内容是否是 否 R1的内容减1 数据转换，将十进制数显示 调用显示子程序 返回主程序 图5-3 中断子程序流程图

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6 总结

本设计通过数模混合电路设计实现了对脉搏信号的实时测定，并能发出警告。整个电路尽量考虑到各方面的因素，做到线路简单，减小电磁场干扰，充分利用集成芯片，弥补分离元器件的精度不足。甚至还可以以该设计为基础加载其他功能，使其功能和结构更加完善，扩展至对人体其他生理状态的测定。

对于此次毕业设计，我自己感觉学到了很多东西。不仅是新知识的学习，更重要的是我学会了如何去运用已有的知识，深刻体会到了基础知识的重要性，更懂得了闭门造车是行不通的。

通过这次毕业设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。我觉得做毕业设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课且还可以记本时，有时问题老是弄不懂，做完设计，那些问题就迎刃而解了。而住很多东西。比如PLC的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，主要是因为没有动手实践过吧！认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。作为毕业的学生，能够搞这样的关于PLC技术的设计，确实从中学到了很多的知识。在项目设计方面，打破了以往单纯为解决问题的观念，树立了良好的项目设计思想。在内容设计方面，比较深入的学习了PLC方面的知识，补充了自己知识上的不足，更重要的是给自己找到了一个发展的方向。

在这个过程中，受到了我们老师和同学的热切关注和耐心辅导，特别朱璐瑛老师对我进行了系统的讲解和指导，对设计提出了很多建设性的意见及建议，对我的设计起到了指导性和决定性的作用，使我深刻的体会到了良师益友给我带来的帮助，在此表示深深的感谢！

毕业设计，就是为了让我们把已有的知识加以融会贯通，在此次设计中我们运用的都是以前学过的知识数字电子技术、模拟电子技术、测控电路和ORCAD等。然而这在以前，它们都是零散的，在此次设计中，一个脉搏测试仪就让我们把它们联系了起来。在设计电路时才真正弄懂了ORCAD的模拟功能是用来做什么的，对分频、倍频的概念才有了宏观的认识，明白了到了作为做仪器开发的工作人员的辛苦。

总之，亲自动手是课堂学习的延续，电子领域随时随地都在发生着翻天覆地的变化，现有的知识储备总是落后于科技的发展脚步，我们只有不断学习新知识，才能做到在面对新课题时游刃有余。

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致 谢

在这次毕业设计的过程中，我的指导老师田洪波老师和朱璐瑛老师给予了我很大的帮助，提供了相关的资料，对我的毕设作品给予了指导和支持。使我顺利圆满的完成了此次毕业设计。在此，向老师表示衷心的感谢！同时，也要感谢学院提供计算机等设施，使我的设计得以顺利完成。

寒窗几载，春花秋实。大学四年是我一生的重要阶段，是学习专业知识及提高各方面能力的重要阶段。从跨入大学的校门的那一刻起我就把这一信念做为人生的又一座右铭。

古人云：预则立，不预则废。祖先曾经教导我们：一年之计在于春，一日之计在于晨。作为即将走向社会的我们又何尝不是如此？一个没有规划的人生，就象一场没有球门的足球赛，一场乱踢；一个没有规划的人生，就象一叶在茫茫大海上漫无目标的小舟，随波飘荡。在我们即将走向社会的时候，我们必须对自己的职业生涯进行规划。罗素曾说：选择职业就是选择你自己的将来。因此我们要针对社会需要，结合自身的情况及早做好相应准备，为我们走向社会打下坚实的基础。俗话说：磨刀不误砍柴功。为适应社会需要，促进自我发展，我们除了学好本专业外，还应辅修相关转业知识，积极参加社会实践活动，培养工作能力，努力提高综合素质，同时努力培养特长，形成自身竞争优势。

最后，再次感谢学院给了我们机会，以及自动化工程学院的各位老师和许多的朋友、同学在各个方面给予了我很多的帮助和支持，谢谢你们！

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参考文献

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10.李世馨.模拟电子技术基础.高等教育出版社.2001.12 3

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14.郝晓剑.杨述平.张连红.《仪器电路设计与应用》.电子工业出版社.2007年6月

15.吴慎山.《电子线路设计与实践》.电子工业出版社.2005年9月 16.张国雄.金篆芷.《测控电路》.天津大学.机械工业出版社.2001年1月

17.胡向东.刘京城.《传感技术》.重庆大学出版社.2006年2月

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附录A R9VDDICIVSSC4100uF100VD3LEDR11220C8100uFC51uFDS1DS2DS3C65XTAL130pF4XTAL2IC2P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.71213141516171819220*7R1010kC730pFR1100R222kR5C147uFX112M1678911RSTP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.7R15R16R17R18R19R20R21S1R310kR410kF211M21F221F322P3.0/RXD3P3.1/TXDC22.2uFAT89C2051VT19012VT29012VT39012DC5VVD1PH303VD2PH302C11uFR622kF4121F521F62R122kR132kR142kRP1R7470k47kR8100k整体总电路图 26

附录B

程序源代码：

ORG 0000H AJMP START ORG 000BH AJMP TIME ORG 0013H AJMP INT_1

TIMES EQU 30H MORE_200 EQU 31H MORE200 EQU 32H BELL EQU 33H

ORG 00e0H START:

MOV SP,#50H

MOV TMOD,#01H ；//方式1，定时时间为6ms MOV TH0,#0E8H ； MOV TL0,#90H

SETB EA ；//开总中断

SETB IT1 ；//INT1 负跳变触发 SETB EX1 ；//INT1 开中断 SETB ET0； SETB IE1

MOV R1,#00H MOV R2,#00H MOV R3,#02H

setb tr0 org 0100h mov r3,#06h ajmp main org 0110h

MAIN: ACALL SHOW AJMP MAIN ；

*************************************************************

ORG 0200H

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TIME: clr ex1 PUSH ACC push psw

MOV TH0,#0E8H MOV TL0,#90H CLR C

MOV A,R6 ； SUBB A,#0c8H JC T_TEMP1 MOV R6,#00H

MOV MORE200,#01H AJMP T_TEMP2 T_TEMP1:INC R6 T_TEMP2:CLR C MOV A,BELL

SUBB A,#01H ；//响铃18ms，与脉搏脉冲同步 JC STOPBELL ；SETB P3.7 AJMP SSSS

STOPBELL:；CLR P3.7 SSSS: setb ex1 pop psw POP ACC RETI nop nop

ljmp 0100h ；

*************************************************************

ORG 0300H

INT_1: PUSH PSW ； PUSH ACC

MOV TIMES,R6 ；//保存r6的时间 MOV R6,#00H ；令r6为0，//重新计时

MOV MORE_200,MORE200 ；//保存MORE200标志位 MOV MORE200,#00H ；//令MORE200为0

MOV BELL,#03H ；//设响铃

MOV A,MORE_200 ；//判断是否大于200，即是否小于50次 CJNE A,#00H,TOKEEP ；//大于200小于50次保持原来的显示 CLR C

MOV A,TIMES ；//判断是否小于50，即是否大于200次

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SUBB A,#32H ；

JC TOKEEP ；//小于50，保持原来的显示 AJMP CALCULATE

TOKEEP: POP ACC POP PSW

AJMP C_TORETI

CALCULATE: push psw push acc mov r1,times mov r7,#0h mov r3,#27h mov r2,#10h clr c

subs1: mov a,r2 subb a,r1 mov r2,a mov a,r3 subb a,#0h inc r7 mov r3,a clr c

cjne r3,#0h,subs1 subs2: mov a,r2 subb a,r1 mov r2,a jc chg2dec inc r7 ajmp subs2

CHG2DEC:

MOV A,R7；

CLR C ；

SUBB A,#0C7H；//大于200次每分钟， JC CHANGE MOV R7,#0C7H

CHANGE: MOV A,R7 MOV R0,A

MOV A,R0

CLR C ；//减100 SUBB A,#64H

29

令为199次每分钟

JC NO_MINUS

MOV R0,A ；//大于等于100次每分钟，令百位为1 mov r1,#01h ajmp divv

NO_MINUS: mov r1,#00h

divv;

MOV A,R0; MOV B,#0AH; DIV AB MOV R2,a MOV R3,b Pop ACC POP PSW

AJMP C_TORETI C_TORETI: RETI nop nop

ljmp 0100h;

************************************************************************

ORG 0500H；SHOW的子程序 SHOW:MOV A,R1；

CJNE A,#00H,S_TEMP1； ACALL DELAY； AJMP S_TEMP2；

S_TEMP1:MOV A,R1；//显示百位 MOV DPTR,#TABLE MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A SETB P3.0

ACALL DELAY CLR P3.0

S_TEMP2:

MOV A,R1

CJNE A,#00H,S_TEMP2_2

MOV A,R2

CJNE A,#00H,S_TEMP2_2 ； ACALL DELAY AJMP S_TEMP3

S_TEMP2_2: MOV A,R2；//显示十位 MOV DPTR,#TABLE

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MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A SETB P3.1

ACALL DELAY CLR P3.1

S_TEMP3:MOV A,R3//显示个位 MOV DPTR,#TABLE MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A SETB P3.2

ACALL DELAY CLR P3.2 RET nop nop

ljmp 0100h ；

*****************************************************************************

ORG 0600H

DELAY: PUSH ACC MOV A,R5 PUSH ACC

MOV R5,#0AH ；//延时1ms D2_1:MOV R4,#32H D2_2:DJNZ R4,D2_2 DJNZ R5,D2_1 POP ACC MOV R5,A POP ACC RET nop nop

ljmp 0100h；

******************************************************************************

ORG 0700H

TABLE : DB 03FH ；//LED 显示码0，共阴 DB 006H ； 1 DB 05BH ； 2 DB 04FH ； 3 DB 066H ； 4 DB 06DH ； 5

31

DB 07DH ； 6 DB 007H ； 7 DB 07FH ； 8 DB 06FH ； 9 nop nop

ljmp 0100h END

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gt1x.html