基于单片机的脉搏心率测量仪的开发与设计毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的脉搏心率测量仪的开发与设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

件检测到，血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比在血液中的穿透性高出几十倍，根据这个特点，光电式脉搏传感器采用的是透射式光电效应对手指进行脉搏信号的拾取，这里使用的光敏器件是加了反向偏压的光敏二极管，这种光敏二极管的反向电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性，在一定的光照强度范围内，光敏二极管的反向电流与光照强度呈线性关系，人体的皮肤、肌肉、骨骼对光的吸收频率是恒定不变的，而人体血管中的血液浓度会随着心脏的跳动而呈周期性的变化，光源和光敏二极管分别放置在手指尖端的两侧，光源发出的光照射 到指端，当指端血管的血液容积和透光度随心搏的改变而改变时，另一端的光敏二极管接收到的光照强度也会随之发生改变，使得光敏二极管产生的光电流也产生相应的变化，由于心脏跳动是呈周期性的，因此血管中的血液浓度也会呈周期性的变化，由此光敏二极管接收到得光照强度也呈周期性变化，光敏二极管将会产生脉冲电信号，这种脉冲电信号信号通过信号的放大、检波、滤波最后通过传输设备传入单片机进行相应处理和 A/D 转换，最后通过传输设备传入数码管和播报器显示出测量结果。 方案确定 压电式脉搏传感器功能比较全面，技术也比较成熟，应 用比较广泛，目前已经被应用于很多领域，但就其操作复杂，一个人很难实现对自己的脉搏进行测量，而且输出波形只有专业医师通过分析之后才能对人体健康状况作出判断，所以很少用在家用电器中，只有在体育器材或是医院的大型专业医疗器械才能用到。 而且这种传感器的体温检测功能在本次设计中没有得到体现，且它的价格比较昂贵。 光电式脉搏传感器是当今世界比较先进的脉搏传感器，由于刚被人们使用，技术不是很成熟，是一项新兴的光电技术，还有很多方面需要完善，目前被应用的并不是很多，但其结构比较简单，只需一个光源和一个光敏器件就能实现，操作 简单，只需将手指放于光源和光敏器件之间就能实现对脉搏的测量，可以用于个人使用和家庭使用，这种传感器可以自己完成制作且容易实现，不需要花太多的钱去买，精确度高。 考虑到以上诸多因素，本课题采用光电式脉搏传感器。 光电式脉搏传感器结构比较简单，制作工艺容易实现，所以本文自行设计的光电传感器我来进行脉搏的测量。 哈尔滨工业大学 毕业设计（论文） 7 第 3 章 硬件电路设计 元器件介绍 AT89C2051 单片机 AT89C2051 是一个 CMOS 8 位单片机，具有高性能、低电压的特点，其片内含 2Kbt的可反复擦写的只读 Flash 程序存储器 （ ROM） 和 128 bt 的数据存储器（ RAM）。 美国ATMEL 公司采用了高密度、非易失真性存储技术研发生产而成，它兼容标准的 MCS51单片机指令系统，片内置通用 8 位中 央处理器和 Flash 存储单元。 AT89C2051 单片机技术比较先进，功能也比较全面，其采用了 20 引脚封装技术，15 个双向 I/O 口线，其中 P1 口是一个完整的 8 位双向 I/O 口，此外还有两个外中断口、一个模拟比较放大器、两个全双向串行通信口、两个 16 位可编程定时 /计数器。 AT89C2051 与其它单片机相比有一个特殊点就是它的时 钟频率可以为零，可以通过软件设置睡眠系统，能有效的节省电能，当单片机进入睡眠状态时，可以通过 RAM、定时 /计数器、串行口和外中断口等系统唤醒方式将其唤醒，系统被唤醒后就会进入继续工作状态，接着睡眠前得工作状态继续工作。 在省电模式中，单片机所有将会功能停止工作，直至系统被硬件复位唤醒后方可继续运行。 （ 1） AT89C2051 引脚简介，引脚图如图 31 所示。 图 31 AT89C2051 引脚图 ① VCC：电源端口。 ② GND：接地端口。 ③ P1 口： P1 口是一个完整的 8位双向 I/O 口。 引脚 和 在接外围元件时 必须设置外部上拉电阻，引脚 ~ 上拉电阻由单片机内部提供。 和 还可以分别作为片内精密模拟比较器的同相输入端 (ANI0)和反相输入端 (AIN1)。 P1 口输出缓冲器哈尔滨工业大学 毕业设计（论文） 8 可吸收 20mA 电流并能直接驱动 LED 进行数码 显示。 当 P1 口引脚写入“ 1” 时，就可用作输入端，当引脚 ~ 用作输入并被外部设备拉低时，它们将因内部的上拉电阻作用而输出电流。 ④ P3 口： P3 口的引脚 ~ 和 是七个双向 I/O 口，它们都带有内部上拉电阻。 作为一通用 I/O 引脚，不但可以访问还可以用于固定输入片内比较器的输出信号。 P3 口缓冲器可吸收 20mA 的电流。 当 P3 口写入“ 1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。 用作输入时， P3 口被外部拉低时将被上拉电阻作用而输出电流。 P3 口还用于实现 AT89C2051 的其他功能，其第二功能如表 31 所列： 表 31 P3 口第二功能表 引 脚 功 能 RXD 串行输入端口 TXD 串行输入端口 INT0 外中断 0 INT1 外中断 1 T0 定时器 0 外部输入 T1 定时器 1 外部输入 （注： P3口还接收一些用于闪速记忆体编程和程序校验的控制信号。 ） ⑤ RST： 复位输入 引脚。 当 RST 变成高电平 时，单片机 所有的 I/O 口 引脚就 被 复位到“ 1”。 振荡器正在运行时，持续给 RST 引脚两个机器 周期 的高电平便可完成复位。 每一个机器周期需 12个时钟周期。 ⑥ XTAL1： 用 作反相器 、 振荡器和内部时钟发生器 的输入端口。 ⑦ XTAL2：反相放大器 和 振荡器 的输出端口。 哈尔滨工业大学 毕业设计（论文） 9 （ 2） AT89C2051内部结构 图 32 AT89C205 内部结构图 AT89C2051是带有 2K 字节闪速可编程可擦除只读存储器（ EEPROM）微处理器。 它采用 ATMEL 的 高密 非易失存储技术制造 ， 并 能 和标准 MCS51指令集和引脚结构兼 RAM 地址寄存器 PEROM RAM 程序地址寄存器 VCC GND 堆栈指示器 ACC B 寄存器 缓冲器 TM2 TM1 PC 增量器 程 序计数器 ALU 中断、串行端口与定时器单元 PSW RST 指令寄存器 同步与控制 DPTR 端口 2储存 端口 1储存 振荡器 端口 3 驱动 端口 1 驱动 哈尔滨工业大学 毕业设计（论文） 10 容。 通过在单块芯片上组合通用的 CPLI 和闪速记忆体， ATMEL 的 AT89C2051是强劲的微型处理器，它对许多嵌入式控制应用提供一定高度灵活和成本低的解决办法。 AT89C2051具有 以下标准功能： 2K 字节闪速记忆体， 128字节 数据存储器 RAM，15个双向 I/O 口，两个 16位定时器，一个 两级 五矢量中断结构，一个全双工串行 接 口，一个精密模拟比较器以及两种可选的软件节电工作方式。 空闲方 可以 停止 CPU 工作但允许定时器 /计数器、 程序存储器 RAM、中断系统 和 串行工作口继续工作。 掉电方式保存 RAM 内容但振荡器停止工作并禁止 所 有其他部件的 工作直 到下一个硬件复位 [15， 16]。 LM324 简介 LM324 系列器件 是 带有真差动输入的四运算放大器。 其价格便宜， 与单电源应用场合的标准运算放大 器相比， 具有很多 优点。 该四 运算 放大器 工作电压跨度较大， 可以在低到 伏或者高到 32 伏的电源 电压 下 正常工作 ，静态电流为 MC1741 的静态电流的五分之一。 共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。 每一组运算 放大器 可用图 33 所示的符号来表示，它有 5 个引出脚，其中“+” 、 “ ” 为两个信号输入端， “ V+” 、 “ V” 为正、负电源 输入 端， “ Vo” 为输出端。 两个信号输入端中， Vi为反相 信号 输入端，表示该输入端 与 运放输出端 Vo 的信号的位相反； Vi+为同相 信号 输入端，表示该输入端 与 运放输出端 Vo 的信号的相位相同。 LM324 采用 14 脚双列直插塑胶封装 ， 引脚排列如图 34 所示： 图 33 运算放大器 图 34 LM324 引脚图 由于 LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，可单电源使用，静态功耗小， 价格便宜 等优点，因此被广泛应用在各种 放大 电路中。 参数描述： 运放类型 低功率；放大器数目 4；带宽 ；针脚数 14； 哈尔滨工业大学 毕业设计（论文） 11 工作温度范围 0℃ 70℃ ；封装类型 SOIC； 3dB 带宽增益乘积 ；变化斜率；增益带宽 ；电源电压范围 V32V；运放特点 高增益频率补偿运算。 LM324 的特点 ： （ 1）短路保护输出； （ 2）真差动输入级； （ 3）可单电源工作： 3V32V； （ 4）低偏置电流：最大 100nA； （ 5）每封装含四个运算放大器； （ 6）具有内部补偿的功能； （ 7） 共模范围扩展到负电源； （ 8）行业标准的引脚排列； （ 9）输入端具有静电保护功能。 7809 和 7805 简介 （ 1） 7089简介 7809系 列为 3端正稳压电路 元器件 ,采用 TO220封装 技术 ， 可以为不同的元器件 提供 不同的 固定输出电压 ，从而在电路设计方面得到了广泛的应用。 芯片内部 内含 有 过 热 、超载 和 过流 保护电路。 当 带 有 散热片时，输出电流可达 1A 左右。 虽然是固定稳压电路，但外接元件 的不同 ，可获得不同的 输出 电 流 和电 压。 7809外 形引脚图如图 35所示，三个引脚从左到右依次是输入引脚 （ INPUT） 、接地引脚 （ GND） 、输出引脚 （ OUTPUT）。 图 35 7809 外形引脚图 7809 主要特点：输出电流为 1A；输出电压为 9V；具有过热保护、短路保护、输出晶体管 SOA 保护等功能。 7089 各参数极限值： VI—— 输入电压 (VO=5~18V) 35V RθJC—— 热阻（结到壳） 5℃ /W RθJA—— 热阻（结到空气） 65℃ /W 哈尔滨工业大学 毕业设计（论文） 12 TOPR—— 工作结温范围 0~125℃ TSTG—— 贮存温度范围 65~150℃ （ 2） 7805简介 7805是一个输出正 5V 直流电压的稳压电源电路。 IC 采用集成稳压器 7805， C C2分别为输入端和输出端滤波电容， RL 为负载电阻。 当输出电流较大时， 7805应配上散热板。 7805外形引脚图如图 36所示，其引脚从左到右依次为输入引脚 （ INPUT） 、接地引脚 （ GND） 、输出引脚 （ OUTPUT） [22， 23]。 图 36 7805 外形引脚图 7805电参数 如表 32所示： 表 32 7085电参数表 参数 符号 测试条件 最小值 典型值 最大值 单位 输出电压 Vo Tj=25℃ V 1o Po15W ， Vi= V 线性调整率 △ Vo Tj=25℃ ， Vi= 100 mV Tj=25℃ ， Vi=8V12V 50 mV 负载调整率 △ Vo Tj=25℃ lo= 9 100 mV Tj=25℃ lo=250mA750mA 4 50 mV 静态电流 IQ Tj=25℃ 8 mA 静态电流变化率 △ IQ lo= mA Vi=8V25V mA 输出电压温漂 △ Vo/△ T lo=5mA mV/℃ 输出噪音电压 VN f=10Hz100KHz， Ta=25℃ 42 μV 纹波抑制比 RR f=120Hz， Vi=8V18V 62 73 dB 输入输出电压差 Vo lo=， Tj=25℃ 2 V 哈尔滨工业大学 毕业设计（论文） 13 输出 阻抗 Ro f=1KHz 15 mΩ 短路电流 1SC Vi=35V， Ta=25℃ 230 mA 峰值电流 1PK Tj=25℃ A 整体电路分析 本次设计为单片机控制数码管显示型便捷式脉搏测量仪，硬件整体电路如图 37 所示。 整个电路图可以分为脉搏信号采集电路、脉搏信号处理电路和单片机控制显示电路三部分组成。 图 37 硬件整体电路图 哈尔滨工业大学 毕业设计（论文） 1。