脉搏信号的处理硬件部分设计
目 录
1 绪论 1
1.1 选题的背景 1
1.2 常见几种脉搏测量的方法 1
1.3 选题的现实意义 1
1.4 本文主要研究的内容 2
2 系统硬件方案的设计 2
2.1 系统主要器件的选择 2
2.1.1 主控芯片的选择 2
2.1.2 显示器件的选择 3
2.1.3 信号放大芯片的选择 3
2.2 系统总体方案 4
3 硬件电路设计 4
3.1 STC89C52主控芯片的设计 4
3.1.1 STC89C52单片机的硬件结构 4
3.1.2 STC89C52单片机引脚介绍 4
3.1.3 STC89C52单片机最小系统介绍 6
3.2 LCD1602液晶显示器的设计 7
3.2.1 LCD1602技术特性 7
3.2.2 LCD1602引脚说明 8
3.2.3 LCD1602工作原理 8
3.3 LM358的概述 10
3.4 心率检测电路的设计 11
3.4.1 传感器介绍 12
3.4.2 放大电路 12
3.4.3 整型电路 13
4 软件设计及实现 14
4.1 主函数的设计 14
4.2 LCD1602显示函数的设计 14
4.3 定时器0中断函数的设计 15
结 论 17
致 谢 18
参 考 文 献 19
附录A硬件总设计图201 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
绪论
1.1 选题的背景
在中国古代大夫给病人看病通常为“望、闻、问、切”这四种诊断方式。其中的切就是把脉的意思。大夫通过对病人进行把脉后通过对脉象特征进行分析诊断病人的身体情况。脉诊作为中国最具特色的医学诊断手段，广受中外人士的关注。在当今很多医生在看病时也常常会先采用把脉，观察脉象来判断病人的身体情况、通常大夫给病人把脉为了节省时间，通过感知大致把脉十秒钟后推算出一分钟的脉搏跳动次数，这样显得误差非常大。如今把脉与科技结合起来，大大的提高了准确性和可靠性，也因电子集成技术的迅猛发展，使得脉诊变得更加方便。
1.2 常见几种脉搏测量的方法
(1)LED测量法。
通过配置使用LED的发光模块和使用光电晶体管等的受光模块，利用血液中的血红蛋白容易吸收绿色等特定波长的光的特性，当用LED照射手指时，利用其反射光来检测脉搏[1]。这种方式在当今智能手机上已经得到广泛的应用，通过手机APP商城就可以下载到非常多类似功能的应用，它们所采用的原理一致。
(2)采用气体压力传感器测量心率法。
将压力传感器测量的压强转换成电量，用数字电压表测量和监控。集成压力传感器是以硅为主要材料，把用来感受压力的硅应变膜、应变电阻和采集应变信号的桥式掉了、放大输出电路等集成在一个芯片上[2]。在现在医生常用的方法之一。
(3)采用光电对管测量法。
将手指放在光电对管上是，随着心脏的跳动，血管内的血液浓度发送周期性的变化，血液浓度的变化引起光电接收管上接收的光强变化，从而系统可以采集到周期变化的脉动信号。此阿勇合适的电路将信号放大、滤波、整形后输出标准的方波信号送到单片机[3]。
1.3 选题的现实意义
传统的脉搏检测是采用手指尖轻压在人手腕的动脉向较结实的面，使得脉象能够传送到手指尖上供把脉人计算。如果将动脉压上软的组织，这时脉象波动就会被吸收或者抵消，而指尖就无法接收到脉象信息。在指尖压在动脉上时使用的力度要适中，不宜过轻或过重，用力过轻会使得脉搏信号无法传输到指尖上，用力过重会将血流阻断而没有脉搏产生。这种传统的把脉方式虽然简单易行，但是检测的精度不够高，不能连续的进行检测观察。所以需要设计出一款电子脉搏计，通过采集脉搏微弱信号进行放大整形后传输到MCU进行处理，并实时通过显示器进行显示出脉搏信息。使得脉搏的测量可以连续、实时性的测量、价格便宜、具有市场需要和潜力。
1.4 本文主要研究的内容
本文研究的主要内容是如何设计电路将微弱的脉搏信号进行放大滤波整形，最后输出完整的方波信号供单片机进行采集。并通过单片机的定时器进行计时计算出脉搏数后通过液晶显示器显示出来。
2 系统硬件方案的设计
2.1 系统主要器件的选择
在硬件电路的搭建之前必须明确设计的方案，通过各个模块之间进行比较选择出最适合本设计的硬件，以发挥器件的最大功效。
2.1.1 主控芯片的选择
方案一：
采用大家平时常用的51型系列单片机。STC89C52单片机是由全球最大8051单片机设计公司宏晶科技生产制作。其编程方面和MCS-51内核的单片机完全通用、而却价格低廉、在使用上简单方便。不过该款单片机还有些不足之处，例如：能够处理的字节有限，数据处理的能力比较差，处理的速度比较慢，资源方面不够丰富，在一些比较大型的设计上就需要扩展比较多的外围电路来满足设计的要求，这也会大大增大设计成本。
方案二：
采用DSP最为主控处理器。DSP又名数字信号处理器，根据它的名称我们就可以得知DSP主要是运用于数字信号处理的领域上为多数，常适合运算量大和、精密计算和大数据容量的信号处理方面。现在在通讯、便携设备（如计算机、仪表类等）、家用电器、医疗设备等领域上已经得到了广泛的应用。DSP区别于一般的微型处理器的另外一个重要特征就是硬件乘法器和特殊指令，一般的微型处理器大多都是采用软件的方式来实现乘法，逐条执行指令，这样相对于DSP依靠硬件乘法器单个周期完成乘法运算和具有专门的信号处理指令来说会显得有点慢。价格相对也高。
方案三：
采用PIC16F877A单片机作为主控芯片。PIC16F877A是由Microchip公司所生产开发的新产品，属于8位单片机微机，具有Flash程序内存功能，可反复擦写程序。但是开发成本高，难度相对大。
综合考虑最终选择STC89C52单片机作为主控芯片。
2.1.2 显示器件的选择
方案一：
采用数码管显示。现在很多显示器件都采用数码管进行显示。数码管价格便宜，使用简单，但是数码管的引脚较多，到电路设计中比较麻烦。在显示数字0~9或者只有单纯的字母A、B、C、D、E、F之类的时候可以考虑使用。并且显示的位数不宜过多，如果位数过多也会造成线路过去复杂。
方案二：
采用LCD1602进行显示。LCD1602可以显示32个字符、数字或者自定义字符。LCD1602液晶支持最多8个自定义字符并可以调用进行显示，该液晶采用两行八列的方式进行显示。并且 可以通过调节背光引脚的电压值进行调节显示的对比度，一般通过一个电位器进行控制。
方案三：
(2)芯片的电压适用范围为3.3～5.6V；
(3)液晶正常工作的电流要求为2.0mA；
1 绪论 1
1.1 选题的背景 1
1.2 常见几种脉搏测量的方法 1
1.3 选题的现实意义 1
1.4 本文主要研究的内容 2
2 系统硬件方案的设计 2
2.1 系统主要器件的选择 2
2.1.1 主控芯片的选择 2
2.1.2 显示器件的选择 3
2.1.3 信号放大芯片的选择 3
2.2 系统总体方案 4
3 硬件电路设计 4
3.1 STC89C52主控芯片的设计 4
3.1.1 STC89C52单片机的硬件结构 4
3.1.2 STC89C52单片机引脚介绍 4
3.1.3 STC89C52单片机最小系统介绍 6
3.2 LCD1602液晶显示器的设计 7
3.2.1 LCD1602技术特性 7
3.2.2 LCD1602引脚说明 8
3.2.3 LCD1602工作原理 8
3.3 LM358的概述 10
3.4 心率检测电路的设计 11
3.4.1 传感器介绍 12
3.4.2 放大电路 12
3.4.3 整型电路 13
4 软件设计及实现 14
4.1 主函数的设计 14
4.2 LCD1602显示函数的设计 14
4.3 定时器0中断函数的设计 15
结 论 17
致 谢 18
参 考 文 献 19
附录A硬件总设计图201 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
绪论
1.1 选题的背景
在中国古代大夫给病人看病通常为“望、闻、问、切”这四种诊断方式。其中的切就是把脉的意思。大夫通过对病人进行把脉后通过对脉象特征进行分析诊断病人的身体情况。脉诊作为中国最具特色的医学诊断手段，广受中外人士的关注。在当今很多医生在看病时也常常会先采用把脉，观察脉象来判断病人的身体情况、通常大夫给病人把脉为了节省时间，通过感知大致把脉十秒钟后推算出一分钟的脉搏跳动次数，这样显得误差非常大。如今把脉与科技结合起来，大大的提高了准确性和可靠性，也因电子集成技术的迅猛发展，使得脉诊变得更加方便。
1.2 常见几种脉搏测量的方法
(1)LED测量法。
通过配置使用LED的发光模块和使用光电晶体管等的受光模块，利用血液中的血红蛋白容易吸收绿色等特定波长的光的特性，当用LED照射手指时，利用其反射光来检测脉搏[1]。这种方式在当今智能手机上已经得到广泛的应用，通过手机APP商城就可以下载到非常多类似功能的应用，它们所采用的原理一致。
(2)采用气体压力传感器测量心率法。
将压力传感器测量的压强转换成电量，用数字电压表测量和监控。集成压力传感器是以硅为主要材料，把用来感受压力的硅应变膜、应变电阻和采集应变信号的桥式掉了、放大输出电路等集成在一个芯片上[2]。在现在医生常用的方法之一。
(3)采用光电对管测量法。
将手指放在光电对管上是，随着心脏的跳动，血管内的血液浓度发送周期性的变化，血液浓度的变化引起光电接收管上接收的光强变化，从而系统可以采集到周期变化的脉动信号。此阿勇合适的电路将信号放大、滤波、整形后输出标准的方波信号送到单片机[3]。
1.3 选题的现实意义
传统的脉搏检测是采用手指尖轻压在人手腕的动脉向较结实的面，使得脉象能够传送到手指尖上供把脉人计算。如果将动脉压上软的组织，这时脉象波动就会被吸收或者抵消，而指尖就无法接收到脉象信息。在指尖压在动脉上时使用的力度要适中，不宜过轻或过重，用力过轻会使得脉搏信号无法传输到指尖上，用力过重会将血流阻断而没有脉搏产生。这种传统的把脉方式虽然简单易行，但是检测的精度不够高，不能连续的进行检测观察。所以需要设计出一款电子脉搏计，通过采集脉搏微弱信号进行放大整形后传输到MCU进行处理，并实时通过显示器进行显示出脉搏信息。使得脉搏的测量可以连续、实时性的测量、价格便宜、具有市场需要和潜力。
1.4 本文主要研究的内容
本文研究的主要内容是如何设计电路将微弱的脉搏信号进行放大滤波整形，最后输出完整的方波信号供单片机进行采集。并通过单片机的定时器进行计时计算出脉搏数后通过液晶显示器显示出来。
2 系统硬件方案的设计
2.1 系统主要器件的选择
在硬件电路的搭建之前必须明确设计的方案，通过各个模块之间进行比较选择出最适合本设计的硬件，以发挥器件的最大功效。
2.1.1 主控芯片的选择
方案一：
采用大家平时常用的51型系列单片机。STC89C52单片机是由全球最大8051单片机设计公司宏晶科技生产制作。其编程方面和MCS-51内核的单片机完全通用、而却价格低廉、在使用上简单方便。不过该款单片机还有些不足之处，例如：能够处理的字节有限，数据处理的能力比较差，处理的速度比较慢，资源方面不够丰富，在一些比较大型的设计上就需要扩展比较多的外围电路来满足设计的要求，这也会大大增大设计成本。
方案二：
采用DSP最为主控处理器。DSP又名数字信号处理器，根据它的名称我们就可以得知DSP主要是运用于数字信号处理的领域上为多数，常适合运算量大和、精密计算和大数据容量的信号处理方面。现在在通讯、便携设备（如计算机、仪表类等）、家用电器、医疗设备等领域上已经得到了广泛的应用。DSP区别于一般的微型处理器的另外一个重要特征就是硬件乘法器和特殊指令，一般的微型处理器大多都是采用软件的方式来实现乘法，逐条执行指令，这样相对于DSP依靠硬件乘法器单个周期完成乘法运算和具有专门的信号处理指令来说会显得有点慢。价格相对也高。
方案三：
采用PIC16F877A单片机作为主控芯片。PIC16F877A是由Microchip公司所生产开发的新产品，属于8位单片机微机，具有Flash程序内存功能，可反复擦写程序。但是开发成本高，难度相对大。
综合考虑最终选择STC89C52单片机作为主控芯片。
2.1.2 显示器件的选择
方案一：
采用数码管显示。现在很多显示器件都采用数码管进行显示。数码管价格便宜，使用简单，但是数码管的引脚较多，到电路设计中比较麻烦。在显示数字0~9或者只有单纯的字母A、B、C、D、E、F之类的时候可以考虑使用。并且显示的位数不宜过多，如果位数过多也会造成线路过去复杂。
方案二：
采用LCD1602进行显示。LCD1602可以显示32个字符、数字或者自定义字符。LCD1602液晶支持最多8个自定义字符并可以调用进行显示，该液晶采用两行八列的方式进行显示。并且 可以通过调节背光引脚的电压值进行调节显示的对比度，一般通过一个电位器进行控制。
方案三：
(2)芯片的电压适用范围为3.3～5.6V；
(3)液晶正常工作的电流要求为2.0mA；
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