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脉搏测量数字显示(一)信息工程毕业论文

2013-06-19 01:10

绪论
 人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张, 使血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播, 这种波称为脉搏波。脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息, 很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。为了节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测量一段时间内脉搏跳动的次数，再估算每分钟的脉搏跳动的次数，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高。
 人体脉搏与自己的心率是一致的，心率是指心脏每分钟跳动的次数。心率测量是根据心电波形，测定瞬时心率和平均心率。健康的成年人在安静状态下平均心率是75次/分，正常范围为60-100次/分。在不同生理条件下，心率最低可到40-50次/分，最高可到200次/分。    近年来，随着半导体和电子技术的不断发展，单片机技术也已发展到了相当高的水平，各种新型单片机层出不穷，技术日新月异，应用越来越广泛，与传统意义上的计算机相比，单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比较高、易于推广应用等显著优点，在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域中得到广泛的应用。
 此次设计就是利用单片机的这些优点制作一个简易的脉搏测量仪，利用传感器采集到脉搏跳动的信号，再把信号送给单片机，通过单片机的计算，把需要显示的数字用三位数字显示出来。

一  单元电路设计
 此次设计主要为了轻松、方便、准确的测量人体心率而提供的简易测量仪器，这种测量仪器的功能就是把手指放在传感器内10秒钟就可以精确测量出人体每分钟脉搏数。电路的设计主要是应用了单片机的基本特性，用到了定时、中断、简单的乘法和加法运算，再加上一些外围的电路，组成了简易的测量仪器，其整体构思框图如1所示，这次的设计主要是围绕单片机展开的，单片机属于核心元件，信号的采集和放大主要是为单片机提供一个脉冲信号，通过单片机的计算，提供显示信号显示所需数值。下面将逐步介绍电路的组成单元。

                     图1   系统方框图

1.脉搏信号采集部分
 红外线属于一种电磁射线,其特性等同于无线电或X射线,人眼可见的光波是380nm-780nm,发射波长为780nm-1mm的长射线称为红外线，尽管肉眼看不到这种光线，但利用红外线发送和接收装置却可以发送和接收红外线信号，实施红外线通讯。
 脉搏信号主要由动脉血的充盈引起, 而血液中还原血红蛋白和氧合血红蛋白含量变化将造成透光率的变化，当氧合血红蛋白和还原血红蛋白对光的吸收量相等时，透射光的强度将主要由动脉血管的收缩和舒张引起，此时能够比较准确地反映出脉搏信号。脉搏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,因此这次设计的脉搏信号采集的部位就在人体指尖。
 采集信号用的传感器是由红外线发射二极管和接收二极管组成。在红外接收二极管上输出的脉搏信号为直流和交流叠加电压信号, 其中交流信号中包含了脉搏信息, 因此信号调理电路先要滤除叠加的直流信号, 再对交流信号进行放大，滤除直流信号可以通过一个电容来实现。在得到包含有脉搏信号的交流信号后, 只要通过简单的放大电路和低通滤波电路即可实现脉搏信号的提取，然后还要对其脉搏信号整形，因为这部分电路要对脉搏信号放大、低通滤波和整形，在此选择了CD4069芯片，CD4069 是一个CMOS六非门集成电路,其内部图如图2所示：
 
  图2   CD4069内部图
 其脉搏信号的采集放大与整形电路的设计如图3所示，由红外二极管采集的脉搏信号经过CD4069和电容、电阻组成的放大器放大和整形出信号送给AT89C51。

 图3   脉搏信号采集图
 对这部分的电路（图3）分析如下：由红外光的特性可知，红外光可透过人体细胞，却不易透过血液，这样如果将手指放在红外发射二极管和红外接收二极管之间，红外发射二极管发出的红外光就通过手指照射到红外接收二极管上，由于手指中血管的血液流动随着心脏的跳动而呈现脉动状态，红外接收二极管上的电流就会发生变化，这就导致红外接收二极管上有脉动信号，这个脉动信号由F1-F3、R3-R5、C1、C2等组成的低通滤波放大器进行放大，再经由F4、R6、R7、C3组成的放大器进一步放大，其输出信号送给由F5、F6、RP1、R8组成的施密特触发器进行整形后输出，输出的信号作为单片机的输入信号。可变电阻RP1用来调整施密特触发器的阀值电压，从而调整电路的灵敏度。 （科教作文网 zw.nseac.com整理）
2.脉搏个数计算部分
 随着电子科技日新月异的发展，单片机的应用越来越广泛，单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。此次设计核心元件也是单片机（AT89C51），此芯片主要是用来计算脉搏跳动的次数，供显示部分显示。
2.1其管脚如图4所示：
2.2管脚说明：
VCC：电源。
GND：接地。
 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。P0口绝大多数情况下都是作为单片机系统的地址/数据线使用。
 P1口：P1口是准双向口,当P1口作为输出口使用时,已能对外提供推拉电流负载。当P1口作为输入口使用时,                 
 应先向其锁存器写“1”,                   
 使输出驱动电路的FET截止。                            
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双