基于單片機(jī)及紅外傳感的電子脈搏計(jì)設(shè)計(jì)

易 鵬，魏 雄

（東華理工大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

脈搏測(cè)量的相關(guān)問(wèn)題越來(lái)越受到更多的關(guān)注和重視。傳統(tǒng)的手工脈搏測(cè)量誤差較大，無(wú)法實(shí)時(shí)觀察；采用電子測(cè)量，有利于精確測(cè)量，還可借助現(xiàn)代化的工具進(jìn)行更高效合理的分析診斷。隨著計(jì)算機(jī)以及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)已逐漸融入到電子脈搏計(jì)的設(shè)計(jì)中。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)對(duì)脈搏信號(hào)的采集處理、測(cè)量控制過(guò)程，本系統(tǒng)可劃分為以下幾個(gè)功能模塊：①傳感器模塊：將被測(cè)對(duì)象的脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為與此對(duì)應(yīng)的模擬電脈沖信號(hào)。②放大濾波整形電路：將傳感器的微弱信號(hào)放大，濾波整形除去雜散信號(hào)，以便得到便于單片機(jī)計(jì)數(shù)的規(guī)則的脈沖信號(hào)。③MCU控制模塊：在軟件的作用下控制脈搏信號(hào)放大、濾波和整形后進(jìn)入計(jì)數(shù)器的時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)時(shí)間定時(shí)、脈搏信號(hào)的計(jì)數(shù)、兩倍頻及脈搏數(shù)的BCD譯碼。④顯示模塊：對(duì)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理好的脈搏數(shù)以十進(jìn)制數(shù)的形式在數(shù)碼管中直觀實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。⑤電源模塊：提供系統(tǒng)所需電源。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。

圖1 電子脈搏計(jì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

（1）傳感器電路。本系統(tǒng)采用光電容積法實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏信號(hào)的采集，選用紅外光電傳感器，通過(guò)光電變換器將脈動(dòng)的光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)的電信號(hào)并送到放大濾波整形電路的輸入端口，從而采集到的脈搏信號(hào)。傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，它夾在被測(cè)人員的指尖或耳廓上。傳感器光源選用IR 333型紅外發(fā)射二極管，光電轉(zhuǎn)換器選用BPW83型紅外接收二極管。

（2）放大濾波整形電路。這部分電路的功能是對(duì)傳感器采集到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形處理，以滿足單片機(jī)的計(jì)數(shù)要求。

圖2 AMP 04的工作原理圖

圖3 電子脈搏計(jì)系統(tǒng)電路原理圖

由于光電傳感器拾取的脈搏信號(hào)十分微弱，僅為毫伏量級(jí)，一般為幾毫伏，前置放大電路需選擇高共模抑制比的放大器，本系統(tǒng)選用低功耗、高精度的測(cè)量放大器AMP 04，其工作原理圖如圖2所示。

脈搏信號(hào)變化緩慢、信號(hào)微弱，容易收到背景及工頻信號(hào)等干擾。通常脈搏信號(hào)的頻率范圍在0.3～20 Hz之間，因此須使用低通濾波器有效濾除50 Hz工頻干擾及其他的高頻噪聲干擾。相對(duì)于一階低通濾波器，二階有源低通濾波器，衰減率達(dá)40 dB/十倍頻，還具有一定的電壓放大和緩沖作用，只要通過(guò)合理選擇R、C的值，可以使fo=20 Hz，從而達(dá)到有效低通濾波的目的。本系統(tǒng)采用二階有源低通濾波器，對(duì)經(jīng)初級(jí)放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

經(jīng)過(guò)放大濾波后的脈搏信號(hào)仍是不規(guī)則的脈沖信號(hào)，且有其他信號(hào)干擾，仍不滿足單片機(jī)的計(jì)數(shù)要求，本系統(tǒng)選擇施密特滯回比較器對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行整形。

（3）MCU控制電路：在軟件的作用下控制脈搏信號(hào)放大、濾波、整形后進(jìn)入計(jì)數(shù)器的時(shí)間；實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)時(shí)間定時(shí)、脈博信號(hào)的計(jì)數(shù)和兩倍頻以及脈搏數(shù)的BCD譯碼；另外該電路還應(yīng)具有開(kāi)啟/關(guān)閉測(cè)量、電路清零顯示、內(nèi)部晶振時(shí)鐘、上電自動(dòng)復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位等功能。本系統(tǒng)選取智能單片機(jī)芯片AT 89 S51作為控制電路，這種方案的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，控制靈活，處理速度快，用軟件代替硬件，耗費(fèi)電子元器件少，軟件程序便于修改完善，性價(jià)比高。

（4）顯示電路。采用串口的LED靜態(tài)顯示，驅(qū)動(dòng)芯片選用74 LS164，數(shù)碼管選用七段數(shù)碼管LRS 547 R。AT 89 C 51串行口不作通信使用時(shí)，串行口采用移位寄存器工作方式，用以驅(qū)動(dòng)LED靜態(tài)顯示器，這樣就可以充分利用串行口。本系統(tǒng)中采用LED靜態(tài)顯示，相對(duì)動(dòng)態(tài)顯示而言，其優(yōu)點(diǎn)是顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，無(wú)閃爍，占用CPU時(shí)間少。為了避免靜態(tài)顯示I/O口占用過(guò)多的問(wèn)題，可采用串行接口擴(kuò)展LED數(shù)碼管的技術(shù)。電子脈搏計(jì)系統(tǒng)電路原理圖如圖3所示。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

圖4 中斷服務(wù)程序流程圖

（1）軟件設(shè)計(jì)思想。系統(tǒng)采用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)脈搏測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)間1 min的定時(shí)，控制測(cè)量時(shí)間，每隔1秒對(duì)脈搏數(shù)進(jìn)行一次BCD碼轉(zhuǎn)換并顯示，當(dāng)30秒定時(shí)時(shí)間到，關(guān)閉定時(shí)器T0、計(jì)數(shù)器T1，并對(duì)T1計(jì)數(shù)到的脈搏數(shù)進(jìn)行2倍乘，就可以得到1 min內(nèi)的脈搏數(shù)，再讀取脈搏數(shù)并進(jìn)行譯碼顯示，本次測(cè)量結(jié)束，等待清零，開(kāi)始新的測(cè)量。

（2）軟件程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件程序分為兩個(gè)模塊：①主程序模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)A89 S51、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、顯示緩沖區(qū)等的初始化，并設(shè)置堆棧指針以及開(kāi)中斷，然后進(jìn)行循環(huán)判鍵和計(jì)數(shù)脈搏數(shù)。②中斷服務(wù)模塊：實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)定時(shí)，每滿1秒就將計(jì)得的二進(jìn)制脈搏數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，并在數(shù)碼管中實(shí)時(shí)顯示出來(lái)；滿30秒后讀定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1中TL1的值，并進(jìn)行兩倍乘，即可得到每分鐘脈搏數(shù)。中斷服務(wù)流程圖如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)的電子脈搏計(jì)，充分使用單片機(jī)的內(nèi)部軟件資源，減少了倍頻電路、基準(zhǔn)定時(shí)電路等硬件電路設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是設(shè)計(jì)操作簡(jiǎn)單，攜帶方便，控制靈活，處理速度快，成本低，穩(wěn)定可靠，誤差不大于±2次/min。控制器芯片AT89S51可以在線編程，便于軟件程序的改進(jìn)升級(jí)，可改變測(cè)量方法和計(jì)數(shù)時(shí)間，提高測(cè)量精度。

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