基于stc89c52单片机为核心的脉搏心率测量仪-参考论文

基于stc89c52单片机为核心的脉搏心率测量仪-参考论文内容摘要：

质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。 当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织吸收、反射衰减后，测量到的光强将在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征 [7]。 脉搏心率主要由人体动脉舒张和收缩产生的，在人体指尖组织中的动脉成分含量高，而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄， 透过手指后检测到的光强相对较大，因此光电式脉搏心率传感器的测量部位通常在人体指尖。 手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织，其中非血液组织的光吸收量是恒定的，而在血液中，静脉血的搏动相对于动脉血是十分微弱的，可以忽略。 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心率信号 [7]。 光电传感器的结构 传感器由红外发光二级管和红外接收三极管组成。 采用 GaAs 红外发光二极管作为光源时，可基本抑制由呼吸运 动造成的脉搏心率波曲线的漂移。 红外接收三极管在红外光的照射下能产生电能，它的特性是将光信号转换为电信号。 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。 光电式脉搏心率传感器按照光的接收方式可分为透射式和反射式 2种 [8]。 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。 反射式的发射光源与光敏接收器件。 因此 本系统采用了 反射式 光电传感器。 结构如图。 图 反射式 光电传感器 12 光电传感器检测原理 检测原理是 : 随着心脏的搏动，人体 组织半透明度随之改变：当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小，当血液流回心脏，组织半透明度则增大；这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显 [5]。 因此本设计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的手指部位，经过手指组织的反射和衰减由装在该部位旁边的光敏三管来接收其透射光并把它转换成电信号。 由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的反射和衰减也是周期性脉动的 , 于是红外接收三极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。 故只要把此电信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示 [9]，即 可实时的测出脉搏心率的次数。 信号采集电路 图 是脉搏心率信号的采集电路， U2 是红外发射和接收装置，由于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，所以对 R10阻值的选取要求较高。 R10 选择 470Ω 同时也是基于红外接收三极管感应红外光灵敏度考虑的。 R21 过大，通过红外发射二极管的电流偏小，红外接收三极管无法区别有脉搏心率和无脉搏心率时的信号。 反之， R21 过小，通过的电流偏大，红外接收三极管也不能准确地辨别有脉搏心率和无脉搏心率时的信号。 当手指离开传感器或检测到较强的干扰光线 时，输入端的直流电压会出现很大变化，为了使它不致泄露到 LM358 输入端而造成错误指示，用 C4 耦合电容把它隔断 [10]。 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，但是由于红外接收三极管中存在暗电流，会造成输出电压略低。 二是有脉期。 当有跳动的脉搏心率时，血脉使手指透光性变差，红外接收三极管中的暗电流减小，输出电压上升。 但该传感器输出信号的频率很低，如当脉搏心率只有为 50 次 /分钟时，只有 ， 200 次 /分钟时也只有 ，因此信号首先经耦合电容 C4 耦合 ， 再由 R C5 滤波以滤除高频干扰 后 ， 加到线性放大输入端。 13 图 信号采集电路 信号放大 放大器的介绍 LM358 是由两个独立的高增益运算放大器组成。 可以是单电源工作，也可以是双电源工作，电源的电流消耗与电源电压大小无关。 应用范围包括变频放大器、 DC 增益部件和所有常规运算放大电路。 采用 DIP8 或 SOP8 封装形式。 每一组运算放大器可用图 ，它有 5个引出脚，其中 “+”、“”为两个信号输入端， “V+”、 “V”为正、负电源端， “Vo”为输出端。 两个信号输 入端中， Vi（ ）为反相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相反； Vi+（ +）为同相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同。 LM358 的引脚排列见图。 图 图 由于 LM358 二 运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用， 价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。 14 放大电路 按人体脉搏心率在运动后跳动次数达 200 次 /分 钟的计算来设计低通放大器，如图 所示。 R C6 组成低通滤波器以进一步滤除残留的干扰，截止频率由R C6 决定，运放 LM358 将信号放大，放大倍数由 R12 和 R13 的比值决定。 图 低通放大电路 根据一阶有源滤波电路的传递函数，可得： 00()() ()1icV s AAs sVs w 放大倍数为： 200。 截止频率为：。 按人体的脉搏心率跳动为 200 次 /分钟时的频率是 Hz 考虑，低频特性是令人满意的。 经过低通放大后输出的信号是叠加有噪声的脉动正弦波。 波形如图 所示。 15 图 波形整形电路 波形整形电路如图 所示， LM358 是一个电压比较器。 当有输入信号时， LM358 在比较器输入信号的每个后沿到来时输出 低 电平，用 发光二极管 D1 作脉搏心率测量状态显示，脉搏心率每跳动一次发光二极管就亮一次。 同时，该脉冲电平送到单片机 /INTO 脚，进行对心率的计算和显示。 输出 波形如图 所示。 16 图 波形整形电路 经过比较器 LM358 的输出波形： 图 17 单片机处理电路 如图 所示， 本部分运用了 STC 公司的 89C52 单片机作为核心元件 ，在这里运用单片机能更快更准确地对数据进行运算，而且可以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。 来自传感和整形输出电路的脉冲电平输入单片机 89C52 的 /INTO 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， 来一个脉冲脉搏心率次数就加一 ；定时器中断 主要完成一分钟的定时功能。 单片机对一分钟内的脉冲次数进行累加，通过 P0、 P1 口把测量过程和结果送到LCD1602 显示出来 [9]。 图 单片机处理电路 显示电路 本设计的显示采用 LCD1602来显示。 单片机的 P0口 ， P1口控 制 显示器。 显示电路如图。 18 图 显示电路 19 LCD1602 的综述 1602LCD 是指显示的内容为 16X2,即可以显示两行，每行 16 个字符液晶模块（显示字符和数字）。 目前市面上字符液晶绝大多数是基于 HD44780 液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于 HD44780 写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。 LCD1602 的结构 工业字符型液晶，能够同时显示 16x02 即 32 个字符。 （ 16 列 2 行） 注：为了表示的方 便 ，后文皆以 1 表示高电平， 0 表示 低电平。 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型 液晶模块。 它由若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有 间隔，起到了字符间距和 行间距 的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义 CGRAM，显示效果也不好）。 1602LCD 是指显示的内容为 16X2,即可以显示两行，每行 16 个字符液晶模块（显示字符和数字）。 目前市面上字符液晶绝大多数是基于 HD44780 液晶芯片的， 控制原理 是完全相同的，因此基于 HD44780 写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。 ⑵ 管脚功能 1602 采用标准的 16 脚接口，其中： 第 1 脚： VSS 为电源地 第 2 脚： VCC 接 5V 电源正极 第 3 脚： V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生 “鬼影 ”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度）。 20 第 4 脚： RS 为寄存器选择，高电平 1 时选择数据寄存器、低电平 0 时选择指令寄存器。 第 5 脚： RW 为读写信号线，高电平 (1)时进行读操作 ，低电平 (0)时进行写操作。 第 6 脚： E(或 EN)端为使能 (enable)端 ,高电平（ 1）时读取信息，负跳变时执行指令。 第 7～ 14 脚： D0～ D7 为 8 位双向数据端。 第 15～ 16 脚：空脚或背灯电源。 15 脚背光正极， 16 脚背光负极。 ⑶ 特性 或 5V 工作电压，对比度可调 内含复位电路 提供各种控制命令 ,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能 有 80 字节显示数据存储器 DDRAM 内建有 192 个 5X7 点阵的字型的字符发生器 CGROM 8 个可由用户自定义的 5X7 的字符发生器 CGRAM 管脚功能 1602 采用标准的 16 脚接口，其中： 第 1 脚： VSS 为电源地 第 2 脚： VCC 接 5V 电源正极 第 3 脚： V0 为 液晶显示器 对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生 “鬼影 ”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度）。 21 第 4 脚： RS 为 寄存器 选择，高电平 1 时选择 数据寄存器 、低电平 0 时选择指令寄存器。 第 5 脚： RW 为读写信号线，高电平 (1)时进行读操作，低电平 (0)时进行写操作。 第 6 脚： E(或 EN)端为使能 (enable)端。 第 7～ 14 脚： D0～ D7 为 8 位双向数据端。 第 15～ 16 脚： 空脚 或背灯电源。 15 脚背光正极， 16 脚背光负极。 特性应用 + 电压，对比度可调 内含 复位电路 提供各种控制命令 ,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能 有 80 字节 显示数据存储器 DDRAM 内建有 192 个 5X7 点阵的字型的字符发生器 CGROM 8 个可由用户自定义的 5X7 的字符发生器 CGRAM 微 功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。 LCD1602 指令集 1602 通过 D0~D7 的 8 位数据端传输数据和指令。 显示模式设置： (初始化 ) 0011 0000 [0x38] 设置 162 显示， 57 点阵， 8 位数据接口； 显示开关及光标设置： (初始化 ) 0000 1DCB D 显示 (1 有效 )、 C 光标显示 (1 有效 )、 B 光标闪烁 (1 有效 ) 0000 01NS N=1(读或写一个字符后地址 指针 加 1 amp。 光标加 1)， N=0(读或写一个字符后地址指针减 1 amp。 光标减 1)， S=1 且。