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基于單片機(jī)紅外式脈搏檢測儀的設(shè)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(yīng)用，通過觀測脈搏信號，可以對人體的健康進(jìn)行檢查，通常被用于保健中心和醫(yī)院。為了提高脈搏測量儀的簡便性和精確度，本文設(shè)計了一種基于我國宏晶公司的STC89C52單片機(jī)的脈搏檢測儀。該系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)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(jī)系統(tǒng)內(nèi)部定時器來計算時間，由單片機(jī)通過對信號累加得到脈搏跳動次數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)停止運(yùn)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(dá)到設(shè)計要求。
【關(guān)鍵詞】STC89C52單片機(jī);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(xué)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(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脈搏測量在有脈搏時遮擋光線。
本系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)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(qiáng)的特點設(shè)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(jī)系統(tǒng)內(nèi)部定時器來計算時間，由光電傳感器感應(yīng)產(chǎn)生信號，單片機(jī)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(yùn)行中可以通過觀察指示燈閃爍，若均勻閃爍說明測量值準(zhǔn)確。但人體的生物信號多屬于強(qiáng)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(shè)計
系統(tǒng)總體設(shè)計由單片機(jī)STC89C52、按鍵、LCD1602、ST188光電傳感器、運(yùn)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(dāng)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(dǎo)致接收器那邊接收的信號強(qiáng)弱不一樣，間接的把人的脈搏信號傳回，通過運(yùn)放對其進(jìn)行放大、整形、濾波后連接到單片機(jī)的I/O口，單片機(jī)利用外部中斷對其進(jìn)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(shè)計
2.1 單片機(jī)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(guān)參數(shù)，在這里我們選用了我國宏晶公司單片機(jī)中的STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片。
該單片機(jī)最小系統(tǒng)有STC89C52單片機(jī)、晶振電路、復(fù)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(jī)提供一個時間基準(zhǔn)，其中執(zhí)行一條基本指令需要的時間為一個機(jī)器周期，單片機(jī)的復(fù)位電路按下復(fù)位按鍵之后使單片機(jī)進(jìn)入剛上電的起始狀態(tài)。
由于本設(shè)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(jī)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(dá)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(yīng)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(dāng)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(qiáng)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(yùn)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(yùn)算放大器LM358，由于該芯片有兩個運(yùn)算放大器，故此為了提高抗干擾能力，其中一個集成運(yùn)放用作放大光電傳感器電壓信號，另一個運(yùn)放用作電壓比較器，以輸出直流方波信號給單片機(jī)。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(shè)計
單片機(jī)上電后先進(jìn)行初始化，清楚一些參數(shù)的初值，然后等待用戶施加外部中斷，當(dāng)進(jìn)入外部中斷服務(wù)程序后，單片機(jī)定時器啟動，之后單片機(jī)通過定時器定時15s，然后再換算出對應(yīng)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(shè)計的可靠性。本文基于宏晶公司的STC89C52單片機(jī)設(shè)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(jī)內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的信號采集控制，最終經(jīng)單片機(jī)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(shè)備使用快捷方便，具有較好的實用價值。
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