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基于單片機紅外式脈搏檢測儀的設計
【摘 要】脈搏測量儀在我們的日常生活中已經(jīng)得到了非常廣泛的應用，通過觀測脈搏信號，可以對人體的健康進行檢查，通常被用于保健中心和醫(yī)院。為了提高脈搏測量儀的簡便性和精確度，本文設計了一種基于我國宏晶公司的STC89C52單片機的脈搏檢測儀。該系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，利用ST188紅外光電傳感器產(chǎn)生電壓信號，利用單片機系統(tǒng)內(nèi)部定時器來計算時間，由單片機通過對信號累加得到脈搏跳動次數(shù)。當系統(tǒng)停止運行時，能夠顯示總的脈搏次數(shù)和時間。經(jīng)測試，系統(tǒng)工作正常，達到設計要求。
【關鍵詞】STC89C52單片機;LCD顯示器;脈搏測量儀;ST188光電傳感器
引言
從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學界的重視。而幾乎世界上所有的民族都用過“摸脈”作為診斷疾病的手段。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強度(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脈搏測量在有脈搏時遮擋光線。
本系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，利用脈搏檢測儀在測量時，有脈搏時遮擋光線弱，無脈搏時透光強的特點設計，所采用的傳感器是紅外對管反射式傳感器ST188。利用單片機系統(tǒng)內(nèi)部定時器來計算時間，由光電傳感器感應產(chǎn)生信號，單片機通過對信號累加得到脈搏跳動次數(shù)，時間由定時器定時而得。系統(tǒng)運行中可以通過觀察指示燈閃爍，若均勻閃爍說明測量值準確。但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號， 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號， 必需經(jīng)過放大和濾波以滿足采集的要求。
1、系統(tǒng)總體方案設計
系統(tǒng)總體設計由單片機STC89C52、按鍵、LCD1602、ST188光電傳感器、運算放大器、濾波電路等模塊構(gòu)成，總體方案框圖如圖1所示。當脈搏測量的時候，需要人把手輕輕的按在ST188光電傳感器上面，由于人脈搏跳動的時候，血液的透光性不一樣會導致接收器那邊接收的信號強弱不一樣，間接的把人的脈搏信號傳回，通過運放對其進行放大、整形、濾波后連接到單片機的I/O口，單片機利用外部中斷對其進行計數(shù)，最終換算成人一分鐘脈搏的跳動次數(shù)，最終顯示在LCD液晶屏上。
2、脈搏檢測儀硬件電路設計
2.1 單片機主控電路與LCD顯示電路
脈搏檢測儀主控電路在整個系統(tǒng)中起著統(tǒng)籌的作用，需要檢測傳感器輸出電壓等各種參數(shù)，同時驅(qū)動液晶顯示相關參數(shù)，在這里我們選用了我國宏晶公司單片機中的STC89C52單片機作為系統(tǒng)的主控芯片。
該單片機最小系統(tǒng)有STC89C52單片機、晶振電路、復位電路組成，晶振電路選用了12MHZ的晶振提供時鐘，以給單片機提供一個時間基準，其中執(zhí)行一條基本指令需要的時間為一個機器周期，單片機的復位電路按下復位按鍵之后使單片機進入剛上電的起始狀態(tài)。
由于本設計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。該電路用STC89C52的P0口作為DB0～DB7的8位數(shù)據(jù)線，用P1.2、P1.1、P1.0分別作為LCD的EN、R/W、RS。其中EN是下降沿觸發(fā)的片選信號，R/W是讀寫信號，RS是寄存器選擇信號，只要按照LCD1602產(chǎn)品說明文檔的方法與單片機引腳連接即可。
2.2信號采集電路
此部分電路的功能是由ST188紅外光電反射式傳感器采集脈搏信號，通過紅外光照射人的手指的血脈流動情況，把脈搏跳動轉(zhuǎn)換為電信號，由于光電傳感器輸出的電壓一般為幾十毫伏，所以必須加以放大，以達到整形電路所需的電壓，一般為幾伏。放大后的信號波形仍是不規(guī)則的脈沖信號，因此必須加以濾波整形，經(jīng)整形電路后輸出的電壓應滿足計數(shù)器的要求。其原理電路如圖2所示。
上圖中，紅外反射式對管采用ST188。用+5V電源供電，R4取330Ω，R5取20kΩ，當人把手指放在發(fā)光二極管和光電二極管之間的時候，光電二極管接收到的信號會隨人脈搏強度的變化而變化。由于脈搏信號輸出的信號十分微弱，一般在毫伏級別，而且輸出的信號一般會伴隨很大的噪聲干擾，因此在這里用電阻和電容搭建起一個RC濾波電路用于消除噪聲。
2.3 運算放大電路整形電路
由于經(jīng)過濾波后的脈搏信號仍是不規(guī)則的脈沖信號，且有低頻干擾，仍不滿足計數(shù)器的要求，必須采用整形電路。這里選用了集成運算放大器LM358，由于該芯片有兩個運算放大器，故此為了提高抗干擾能力，其中一個集成運放用作放大光電傳感器電壓信號，另一個運放用作電壓比較器，以輸出直流方波信號給單片機。除此外LM358還接上了一個LED用作指示脈搏跳動的狀態(tài)。放大整形電路如圖3所示：
3、系統(tǒng)軟件程序設計
單片機上電后先進行初始化，清楚一些參數(shù)的初值，然后等待用戶施加外部中斷，當進入外部中斷服務程序后，單片機定時器啟動，之后單片機通過定時器定時15s，然后再換算出對應的真實的脈搏次數(shù)，經(jīng)過4倍乘后變?yōu)?min再在液晶LCD1602屏幕上顯示。主程序流程圖如圖4所示。
4、系統(tǒng)測試與結(jié)束語
本文將STC89C52的紅外脈搏檢測儀測得的脈搏次數(shù)與醫(yī)用聽診器測出的脈搏次數(shù)經(jīng)過五組比較，每組分為5次，其對比結(jié)果滿足誤差要求，驗證了該設計的可靠性。本文基于宏晶公司的STC89C52單片機設計了一種紅外反射式脈搏檢測儀，該檢測儀利用紅外反射式光電傳感器產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過濾波放大整形后，輸入STC89C52單片機內(nèi)進行相應的信號采集控制，最終經(jīng)單片機采集數(shù)據(jù)后并將數(shù)據(jù)在LCD1602液晶屏上顯示，從而測量出一分鐘內(nèi)的脈搏跳動次數(shù)，該設備使用快捷方便，具有較好的實用價值。
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