单片机脉搏测量仪设计
心率作为身体状况的一个重要指标，包含着大量的有关人生理状况的信息，在传统医学中起到非常重要的作用，因此脉搏测量技术被越来越多的运用在在医疗、健身、运动等社会生活的各个方面。
本文主要阐述了有关于基于单片机的光电式脉搏测量仪设计的研究成果。由于人体指尖部分的动脉血对光的吸收能力会随着脉搏呈周期性变化，于是利用ST168高灵敏光电传感器将指尖上产生的变化的光信号转变成模拟电信号方法对脉搏信号进行采集，然后通过以LM324为核心构建的一级放大电路、波形整形电路（比较器和微分器）、单稳态多谐振荡电路最终将脉搏信号转换为尖脉冲数字信号输送给AT89C51单片机进行处理。单片机对脉冲信号进行计数，并由外部晶振以及内部定时器进行定时，最终将测量时间、本次测量脉搏数以及上次矫正之后的脉搏数从右向左分别通过数码管进行显示。由此可以直观监测心率正常与否，从而判断人体健康程度。 HM000068
经实验证明，本课题最终完成实物携带方便，在对机体不造成损伤的情况下测量简单方便、精确，长时间工作正常，满足设计要求。
关键词：脉搏测量仪 光电传感器 多级运放 AT89C51单片机
第一节 基本原理 查看完整请+Q:351916072获取
一般脉搏测量仪的设计，基本原理都是将脉搏信号通过传感器转换为与之同步的电信号，然后进行测量和处理。本设计采用的是光电感应原理，根据朗伯(Lambert)定律：光被透明介质吸收的比例与入射光的强度无关；在光程上每等厚层介质吸收相同比例值的光。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，但是人体指尖其他组织对光的吸收影响是一个恒定的值，并不能造成对光吸收的变化，从而可以认定静脉血以及骨骼、组织等相对动脉血而言，随着心脏搏动对于测量光的影响可以忽略不计。所以认为光通过手指反射的改变仅仅由动脉血的充盈引起的，而动脉血的充盈是和心率同步的，所以三极管在恒定波源照射下产生的脉冲，就可以认为是脉搏的搏动信号。之后进行单片机的处理并在数码管上显示，就能对人体脉搏进行直观的测量与监测了。
第二节 整体结构设计
一、信号处理部分
（一）信号采集模块
1、光电传感器电路
采用光电传感器采集脉搏信号并将其转化为模拟电信号。
（二）信号处理模块
1、低通滤波及放大电路
采用运算放大器设计电路以减轻高频杂波对脉搏信号的干扰，同时由于脉搏信号的变化十分细微，故而需进行放大。
2、波形整形电路
采用运算放大器设计电路对模拟信号进行处理，使之转换为数字信号，以便后级用来驱动二极管发光并交单片机处理。
3、单稳态多谐振荡电路
采用运算放大器设计电路将脉搏信号进行进一步的处理，使之更加稳定用以驱动发光二极管发光（此二极管闪烁频率与脉搏频率相同）。同时将脉搏信号送单片机处理。
4、虚地
为了使各个运算放大器能线性工作，在各运放的反相输入端加上虚地
二、数据处理部分
（一）单片机电路
利用单片机自身的定时中断计数功能对输入的脉冲电平进行处理得脉搏的相关信息。
1、外部晶振查看完整请+Q:351916072获取
用以给单片机提供定时器中断，晶振参数用以给定时器加载初值，定时器产生一秒计数，并通过数码管进行显示
2、外部中断
将信号处理部分最终输出的脉冲电平输入单片机，此信号与脉搏同步，通过单片机进行计数，最终可得测量脉搏数。
（二）数码管显示模块
将经单片机处理过后的有关脉搏的数据通过驱动八段共阳极数码管动态扫描进行显示。
三、电源
整个电路采用5V直流稳压电源进行供电。虽然本电路中存在需要理论上9V供电的地方，但是由于实际5V就可驱动，所以整个电路都采用5V供电。
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 - 1 -
第一节 选题的背景和意义 - 1 -
第二节 光电式脉搏测量仪的设计原理 - 2 -
第二章 光电脉搏测量仪整体设计思路 - 4 -
第一节 基本原理 - 4 -
第二节 整体结构设计 - 4 -
一、信号处理部分 - 4 -
（一）信号采集模块 - 4 -
1、光电传感器电路 - 4 -
（二）信号处理模块 - 4 -
1、低通滤波及放大电路 - 4 -
2、波形整形电路 - 4 -
3、单稳态多谐振荡电路 - 5 -
二、数据处理部分 - 5 -
（一）单片机电路 - 5 -
1、外部晶振 - 5 -
2、外部中断 - 5 -
（二）数码管显示模块 - 5 -
三、电源 - 5 -
第三节 整体结构框图 - 6 -
第五节 光电脉搏测量仪的特点 - 6 -
第六节 本章小结 - 7 -
第三章 光电脉搏测量仪硬件部分 - 8 -
第一节 信号处理部分 - 8 -
一、光电传感器（信号采集）电路 - 8 -
二、LM324集成运放芯片介绍 - 9 -
三、低通滤波放大电路 - 10 -
四、波形整形电路 - 11 -
五、单稳态多谐振荡（LED心率指示）电路 - 13 -
六、虚地 - 15 -
第二节 数据处理以及显示部分 - 15 -
一、单片机简介 - 15 -
（一）AT89C51简介 - 15 -
（二）AT89C51主要性能参数 - 16 -
（三）AT89C51芯片结构 - 16 -
二、单片机外围电路 - 17 -
三、数码管显示电路 - 19 -
（一）选用LED数码管的理由 - 19 -
（二）LED数码管的结构 - 20 -
（三）LED数码管的显示方式 - 21 -
1、静态显示 - 21 -
2、动态显示 - 21 -
第三节 本章小结 - 22 -
第四章 光电式脉搏测量仪的软件部分设计 - 23 -
第一节 定时器/计数器中断程序 - 23 -
一、定时器/计数器的初始化 - 23 -
二、定时器/计数器中断程序 - 24 -
第二节 数码管显示程序 - 25 -
第三节 外部中断程序 - 27 -
第四节 本章小结 - 28 -
第五章 系统的防干扰设计 - 29 -
第一节 防干扰的意义 - 29 -
第二节 防干扰的具体措施 - 29 -
一、电路设计环节 - 29 -
二、工艺流程环节 - 30 -
（一）检查虚焊 - 30 -
（二）灌胶 - 30 -
（三）加热缩套管 - 31 -
（四）制作外壳进行封装 - 31 -
（五）三防漆的喷涂 - 31 -
第三节 本章小结 - 32 -
第六章 调试及问题解决 - 33 -
第一节 系统调试 - 33 -
第二节 问题的发现与解决 - 36 -
第三节 实物展示 - 36 -
第四节 本章小结 - 38 -
总结与展望 - 39 -
致 谢 - 40 -
参考资料 - 41 -
附 录 - 43 -
一、原理图以及PCB图纸 - 43 -
二、实物图 - 45 -
三、源程序 - 46 -
英文翻译 - 54 -
一、英文原文 - 54 -
二、英文翻译 - 64 - 查看完整请+Q:351916072获取
本文主要阐述了有关于基于单片机的光电式脉搏测量仪设计的研究成果。由于人体指尖部分的动脉血对光的吸收能力会随着脉搏呈周期性变化，于是利用ST168高灵敏光电传感器将指尖上产生的变化的光信号转变成模拟电信号方法对脉搏信号进行采集，然后通过以LM324为核心构建的一级放大电路、波形整形电路（比较器和微分器）、单稳态多谐振荡电路最终将脉搏信号转换为尖脉冲数字信号输送给AT89C51单片机进行处理。单片机对脉冲信号进行计数，并由外部晶振以及内部定时器进行定时，最终将测量时间、本次测量脉搏数以及上次矫正之后的脉搏数从右向左分别通过数码管进行显示。由此可以直观监测心率正常与否，从而判断人体健康程度。 HM000068
经实验证明，本课题最终完成实物携带方便，在对机体不造成损伤的情况下测量简单方便、精确，长时间工作正常，满足设计要求。
关键词：脉搏测量仪 光电传感器 多级运放 AT89C51单片机
第一节 基本原理 查看完整请+Q:351916072获取
一般脉搏测量仪的设计，基本原理都是将脉搏信号通过传感器转换为与之同步的电信号，然后进行测量和处理。本设计采用的是光电感应原理，根据朗伯(Lambert)定律：光被透明介质吸收的比例与入射光的强度无关；在光程上每等厚层介质吸收相同比例值的光。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，但是人体指尖其他组织对光的吸收影响是一个恒定的值，并不能造成对光吸收的变化，从而可以认定静脉血以及骨骼、组织等相对动脉血而言，随着心脏搏动对于测量光的影响可以忽略不计。所以认为光通过手指反射的改变仅仅由动脉血的充盈引起的，而动脉血的充盈是和心率同步的，所以三极管在恒定波源照射下产生的脉冲，就可以认为是脉搏的搏动信号。之后进行单片机的处理并在数码管上显示，就能对人体脉搏进行直观的测量与监测了。
第二节 整体结构设计
一、信号处理部分
（一）信号采集模块
1、光电传感器电路
采用光电传感器采集脉搏信号并将其转化为模拟电信号。
（二）信号处理模块
1、低通滤波及放大电路
采用运算放大器设计电路以减轻高频杂波对脉搏信号的干扰，同时由于脉搏信号的变化十分细微，故而需进行放大。
2、波形整形电路
采用运算放大器设计电路对模拟信号进行处理，使之转换为数字信号，以便后级用来驱动二极管发光并交单片机处理。
3、单稳态多谐振荡电路
采用运算放大器设计电路将脉搏信号进行进一步的处理，使之更加稳定用以驱动发光二极管发光（此二极管闪烁频率与脉搏频率相同）。同时将脉搏信号送单片机处理。
4、虚地
为了使各个运算放大器能线性工作，在各运放的反相输入端加上虚地
二、数据处理部分
（一）单片机电路
利用单片机自身的定时中断计数功能对输入的脉冲电平进行处理得脉搏的相关信息。
1、外部晶振查看完整请+Q:351916072获取
用以给单片机提供定时器中断，晶振参数用以给定时器加载初值，定时器产生一秒计数，并通过数码管进行显示
2、外部中断
将信号处理部分最终输出的脉冲电平输入单片机，此信号与脉搏同步，通过单片机进行计数，最终可得测量脉搏数。
（二）数码管显示模块
将经单片机处理过后的有关脉搏的数据通过驱动八段共阳极数码管动态扫描进行显示。
三、电源
整个电路采用5V直流稳压电源进行供电。虽然本电路中存在需要理论上9V供电的地方，但是由于实际5V就可驱动，所以整个电路都采用5V供电。
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 - 1 -
第一节 选题的背景和意义 - 1 -
第二节 光电式脉搏测量仪的设计原理 - 2 -
第二章 光电脉搏测量仪整体设计思路 - 4 -
第一节 基本原理 - 4 -
第二节 整体结构设计 - 4 -
一、信号处理部分 - 4 -
（一）信号采集模块 - 4 -
1、光电传感器电路 - 4 -
（二）信号处理模块 - 4 -
1、低通滤波及放大电路 - 4 -
2、波形整形电路 - 4 -
3、单稳态多谐振荡电路 - 5 -
二、数据处理部分 - 5 -
（一）单片机电路 - 5 -
1、外部晶振 - 5 -
2、外部中断 - 5 -
（二）数码管显示模块 - 5 -
三、电源 - 5 -
第三节 整体结构框图 - 6 -
第五节 光电脉搏测量仪的特点 - 6 -
第六节 本章小结 - 7 -
第三章 光电脉搏测量仪硬件部分 - 8 -
第一节 信号处理部分 - 8 -
一、光电传感器（信号采集）电路 - 8 -
二、LM324集成运放芯片介绍 - 9 -
三、低通滤波放大电路 - 10 -
四、波形整形电路 - 11 -
五、单稳态多谐振荡（LED心率指示）电路 - 13 -
六、虚地 - 15 -
第二节 数据处理以及显示部分 - 15 -
一、单片机简介 - 15 -
（一）AT89C51简介 - 15 -
（二）AT89C51主要性能参数 - 16 -
（三）AT89C51芯片结构 - 16 -
二、单片机外围电路 - 17 -
三、数码管显示电路 - 19 -
（一）选用LED数码管的理由 - 19 -
（二）LED数码管的结构 - 20 -
（三）LED数码管的显示方式 - 21 -
1、静态显示 - 21 -
2、动态显示 - 21 -
第三节 本章小结 - 22 -
第四章 光电式脉搏测量仪的软件部分设计 - 23 -
第一节 定时器/计数器中断程序 - 23 -
一、定时器/计数器的初始化 - 23 -
二、定时器/计数器中断程序 - 24 -
第二节 数码管显示程序 - 25 -
第三节 外部中断程序 - 27 -
第四节 本章小结 - 28 -
第五章 系统的防干扰设计 - 29 -
第一节 防干扰的意义 - 29 -
第二节 防干扰的具体措施 - 29 -
一、电路设计环节 - 29 -
二、工艺流程环节 - 30 -
（一）检查虚焊 - 30 -
（二）灌胶 - 30 -
（三）加热缩套管 - 31 -
（四）制作外壳进行封装 - 31 -
（五）三防漆的喷涂 - 31 -
第三节 本章小结 - 32 -
第六章 调试及问题解决 - 33 -
第一节 系统调试 - 33 -
第二节 问题的发现与解决 - 36 -
第三节 实物展示 - 36 -
第四节 本章小结 - 38 -
总结与展望 - 39 -
致 谢 - 40 -
参考资料 - 41 -
附 录 - 43 -
一、原理图以及PCB图纸 - 43 -
二、实物图 - 45 -
三、源程序 - 46 -
英文翻译 - 54 -
一、英文原文 - 54 -
二、英文翻译 - 64 - 查看完整请+Q:351916072获取
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