基于单片机的指脉检测系统的设计(编辑修改稿)

基于单片机的指脉检测系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 考虑到各种脉搏传感器的特点，本文采用的是光电脉搏传感器。 信号采集系统 由于光电脉搏波属于缓慢变化的微弱生理信号，信噪比低，极易受到环境噪声和 肢体运动的干扰。 传统的光电脉搏波信号检测电路都采用高增益放大器，以获得较高的检测灵敏度，这种设计思路导致了检测信号动态范围缩小，在受到运动干扰时，将导致由于干扰信号而带来的光电脉搏波信号检测的饱和失真。 本系统采用过采样技术，通过对信号的高速采样来提高采样精度，相当于用高分辨率的 ADC 对信号进行模数转换，达到了提高信噪比并改善动态范围的效果。 因此本系统对经过光电转换后的信号进行模数转换而不需要任何信号调理 (放大和滤波 )电路。 放大电路 脉搏信号的基本特征是：稳定性不高并且具有随机性，还是一种典型 的极微弱生理信号。 凡是生理信号大都具有强干扰与的噪声强的特点，因此，要想感测到信号就必须对噪声进行抑制，还要求所采用的放大电路必须具有高增益、高输入阻抗和低噪声等特点。 脉搏传感器的输出信号大致在 05mV 的毫伏级电压信号，所以需要放大的倍率在1000 以上。 本系统设计了前置放大电路和主放大电路组成的多级放大电路对其进行放大处理，可以使得放大后的信号满足系统分析的要求。 滤波电路 滤波电路就是对信号波形进行一种类似过滤处理的电路，具体来说是让某些频率范围内的信号通过，而其它频率信号不能通过的电路单 元。 即对有些频率信号波形具有抑制功能。 信号处理系统中滤波电路得到了非常广泛的应用，其种类繁多。 具体分类如下：既可以分为低通滤波电路 (LPF)，高通滤波电路 (HPF)，带通滤波电路 (BPF)和带阻滤波电路 (BEF)等；也可看其内部是否含有有源器件 (通常是运放 )分为无源滤波电路和有源滤波电路，除此之外，滤波电路还可分为一阶、二阶和高阶滤波电路，而高阶滤波电路基于单片机的指脉检测系统的设计 6 可通过低阶滤波电路进行级联而组成。 数据采集电路 由光电传感器感测的脉搏信号经前电路一系列处理后，还需要进行 A/D 转换后才可以送到单片机进行逻辑 与数据传输控制等处理。 AT89S51 单片机 AT89S51 单片机是一个低功耗，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8位中央处理器和 ISP Flash 存储单元， AT89S51 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 显示电路 本文设计的显示电路是将脉搏信息显示在 LCD 屏上，以助于更加生动形象的观察 脉搏信息的变化。 基于单片机的指脉检测系统的设计 7 3 指脉检测电路的设计 指脉传感器的基本原理 本研究所用的传感器是光电传感器，其基本原理是 血液的流动会导致血管内的血容量的发生改变，而血容量的多少会影响血液对光线的吸收量，从而导致透过组织的光线强度也将随血流的变化而发生变化，光电传感器就是将接收透射后的光信号转换为电信号，从而来获取脉搏信息的。 检测电路的设计 系统以 AT89S51 单片机为核心，由光电脉搏传感器采集脉搏信号，经滤波、放大、积分、比较后得到与脉搏相关的脉冲信号，该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行脉冲周期的计 算，然后得出每分钟的脉搏搏动次数，并在显示屏上显示。 利用一个运放作为恒流源电路向发光二极管提供稳定的工作电流，此外，电容 C12能滤除高频信号，使发光二极管的工作更为稳定。 电阻 R2 为光敏电阻提供工作电压，电阻 R5 和电容 C2 组成无缘低通滤波器，能对进入检测电路的高频噪声进行滤波。 由于经过滤波后的脉搏信号幅度较小，且脉搏信号并不是标准的脉冲信号，不能直接作为单片机的中断信号，于是通过放大和积分将每一个脉搏搏动信号变换成脉冲信号。 我们可以使用一个有源积分器，这样同时完成了放大与积分的处理。 最后再用一个电压比较器 ，生成标准的脉冲信号 . 图 脉搏信号的交换 脉搏脉冲 脉搏波 基于单片机的指脉检测系统的设计 8 图 脉搏信号变换电路 基于单片机的指脉检测系统的设计 9 4 单片机控制电路的设计 单片机的选择 单片机有很多种，我们的设计采用的是 AT89S51. 单片机其他还有以下几种类型： ① Motorola 单片机 : Motorola 是世界上最大的单片机厂商。 从 M6800 开始 ,开发了广泛的品种 ,4 位 ,8 位 ,16 位 32 位的单片机都能生产 ,其中典型的代表有 :8 位机M6805,M68HC05 系列 ,8 位增强型 M68HC11,M68HC12 , 16 位机 M68HC16, 32 位机 M683XX. Motorola 单片机的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较 Intel 类单片机低得多 ,因而使得高频噪声低 ,抗干扰能力强 ,更适合于工控领域及恶劣的环境。 ② MicroChip 单片机 : MicroChip 单片机的主要产品是 PIC 16C 系列和 17C 系列 8位单片机 ,CPU 采用 RISC 结构 ,分别仅有 33,35,58 条指令 ,采用 Harvard 双总线结构 ,运行速度快 ,低工作电压 ,低功耗 ,较大的输入输出直接驱动能力 ,价格低 ,一次性编程 ,小体积。 适用于用量大 ,档次低 ,价格敏感的产品 .在办公自动化设备 ,消费电子产品 ,电讯通信 ,智能仪器仪表 ,汽车电子 ,金融电子 ,工业控制不同领域都有广泛的应用 ,PIC 系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高 .发展非常迅速。 ③ MDT20XX系列单片机 : 工业级 OTP单片机 ,Micon公司生产 ,与 PIC单片机管脚完全一致 ,海尔集团的电冰箱控制器 ,TCL 通信产品 ,长安奥拓铃木小轿车功率分配器就采用这种单片机。 ④ EM78系列 OTP型单片机 : 台湾义隆电子股份有限公司 ,直接替代 PIC16CXX,管脚兼容 ,软件可转换。 ⑤ cenix 单片机 : Scenix 公司推出的 8 位 RISC 结构 SX 系列单片机与 Intel 的Pentium II 等一起被 Electronic Industry Yearbook 1998评选为 1998 年世界十大处理器。 在技术上有其独到之处 : SX 系列双时钟设置 ,指令运行速度可达50/75/100MIPS(每秒执行百万条指令 ,XXX M Instruction Per Second)。 具有虚拟外设功能 ,柔性化 I/O端口 ,所有的 I/O端口都可单独编程设定 ,公司提供各种 I/O的库函数 ,用于实现各种 I/O 模块 的功能 ,如多路 UART,多路 A/D,PWM,SPI,DTMF,FS,LCD 驱动等等。 采用 EEPROM/FLASH 程序存储器 ,可以实现在线系统编程。 通过计算机 RS232C 接口 ,采用专用串行电缆即可对目标系统进行在线实时仿真。 ⑥ 8051 单片机最早由 Intel 公司推出 ,其后 ,多家公司购买了 8051 的内核 ,使得以8051 为内核的 MCU 系列单片机在世界上产量最大 ,应用也最广泛 ,有人推测 8051 可能最终形成事实上的标准 MCU 芯片。 ⑦ LG 公司生产的 GMS90 系 列 单 片 机 , 与 Intel MCS51 系列 ,Atmel 基于单片机的指脉检测系统的设计 10 89C51/52,89C2051等单片机兼容 ,CMOS技术 ,高达 40MHZ的时钟频率 ,应用于 : 多功能电话 ,智能传感器 ,电度表 ,工业控制 ,防盗报警装置 ,各种计费器 ,各种 IC 卡装置 ,DVD,VCD,CDROM。 ⑧ 华邦单片机 : 华邦公司的 W77,W78系列 8位单片机的脚位和指令集与 8051兼容 , 但每个指令周期只需要 4 个时钟周期 ,速度提高了三倍 ,工作频率最高可达 增加了 WatchDog Timer,6 组外部中断源 ,2 组 UART,2 组 Data pointer 及 Wait state control pin. W741 系列的 4 位单片机带液晶驱动 ,在线烧录 ,保密性高 ,低操作电压(~)。 ⑨ Zilog单片机 : Z8单片机是 Zilog公司的产品 ,采用多累加器结构 ,有较强的中断处理能力 ,开发工具价廉物美 .Z8 单片机以低价位面向低端应用。 我想很多人都知道Z80 单板机 ,直到 90 年代后期 ,很多大学的微机原理还是讲述 Z80。 ⑩ NS 单片机 : COP8 单片机是 NS(美国国家半导体公司 )的产品 ,内部集成了 16 位A/D,这是不多见的 ,在看门狗多路及 STOP 方式下单片机的唤醒方式上都有独到之处。