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脉搏测量数字显示(一)
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。
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
向I/O口。当用于外部程序存储器
或16位地址外部数据存储器进行
存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部 图4 AT89C51芯片引脚图
上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。同时也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3.0 RXD串行输入口， P3.4 T0记时器0外部输入，
P3.1 TXD串行输出口， P3.5 T1记时器1外部输入，
P3.2 /INT0外部中断0 ， P3.6/WR外部数据存储器写选通，
P3.3 /INT1外部中断1 ， P3.7/RD外部数据存储器读选通，
RST：复位信号。当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位操作。
ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA：当/EA信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当/EA信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。
XTAL1 和XTAL2：外接晶体引线端。当使用内部时钟时，此二引线端用于外接石英
晶体和微调电容；当使用外部时钟，用于接外部时钟脉冲信号。
2.3 振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，如图5所示。该反向放大器可以配置为片内振荡器，石晶振荡和陶瓷振荡均可采用，如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分 图5 AT89C51振荡电路
频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
2.4 单片机存储器结构
AT89C51片内有4kB的程序存储单元，其地址为0000H—0FFFH，单片机启动复位后，程序计数器的内容为0000H，所以系统将从0000H单元开始执行程序，但在程序存储中有些特殊的单元，这在使用中应加以注意：其中一组特殊是0000H—0002H单元，系统复位后，(PC)=0000H，单片机从0000H单元开始取指令执行程序，使用时则应在这三个单元中存放一条无条件转移指令，让CPU直接去执行用户指定的程序；另一组特殊单元是0003H—002AH，这40个单元被均匀的分为五段，它们的定义如下：
0003H—000AH 外部中断0中断地址区
000BH—0012H 定时/计数器0中断地址区
0013H—001AH 外部中断1中断地址区
001BH—0022H 定时/计数器1中断地址区
0023H—002AH 串行中断地址区
2.5 中断
向CPU发出中断请求的来源、或引起中断的原因称为中断源,中断源要求服务的请求称为中断请求。中断源有五个，可分为三类。
⑴ 外部中断（外部中断0和外部中断1）
⑵ 定时中断（定时中断0和定时中断1）
⑶ 串行中断
在单片机中，当CPU在执行程序时，由单片机内部或外部的原因引起的随机事件要求CPU暂时停止正在执行的程序，而转向执行一个用于处理该随机事件的程序， 处理完后又返回被停止的程序处继续执行，这一过程 图6 中断服务示意图 就称为中断，如图6所示。
单片机处理中断的4个步骤：中断请求、中断响应、中断处理和中断返回。
2.6 复位系统
2.6.1复位功能
⑴、复位是单片机的初始化操作。
⑵、复位功能是把PC初始化为0000H，使CPU从0000H单元开始执行程序。
⑶、除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键重新启动。
2.6.2 复位方式
复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式，这两种方式本电路都采用了，如图7所示，当接通电源瞬间电容C和电阻R2对单片机进行上电复位，或单片机正在工作时按下SB1对单片机进行复位，复位时间至少持续24个振荡脉冲周期（即2个机器周期）以上 ，才能完成了系统的复位初始化。
图7 复位电路
3．显示部分
数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。本环节就是采用了动态显示形式来工作的，将所有数码管的8个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就会使各个数码管轮流受控显示，如图8所示在本电路中单片机的P0.0-P0.6作为数码管的段控，P2.0-P2.2作为数码管的位控，段控和位控相应输出，实现了轮流显示，在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～5ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示。
图8 显示电路图
二 整机原理
1.整机电路
图9 整机电路图
2.工作原理
对整机电路（如图9）分析如下：开关S1闭合后，将手指放在红外线发射二极管和接收二极管中间，随着心脏的跳动，血管中血液的流量将发生变化，由于手指放在光的传递路径中，血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生变化，因此和心跳的节拍相对应，红外接收二极管的电流也跟着改变，这就会使红外接收二极管上产生脉动信号。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送到P3.1。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。 单片机AT89C51对P3.1输入的信号进行计算处理后把结果通过P0.0-P0.6口作数码显示七段笔划字形码的输出，再由P2.0-P2.2口输出的位控信号相结合，显示出需要的数字。发光二极管VD3作脉搏测量状态显示，脉搏每跳动一次P1.4就会输出一次低电平，发光二极管就点亮一次。3.安装与调试
传感器的制作是一个关键，可将红外线发射二极管和红外线接收二极管分别固定在一个塑料夹子的两侧，需测量时夹在手指上即可， 安装后的调试工作主要是通过对RP1的调节来调整电路的灵敏度，注意不要让红外线接收二极管在使用时受到外界光线的干扰，RP1的阻值小时灵敏度高，反之灵敏度低。调试时可通过VD3的发光状态来进行，测量中如果脉搏跳动时VD3不跟随发光说明灵敏度偏低，不易检测到脉搏信号；如果VD3在没有脉搏跳动时偶尔也点亮发光说明灵敏度偏高，易受到干扰信号的影响。
三 程序设计
程序部分主要是用Keil uvision2软件的编写，利用单片机定时和
中断系统，其流程图和程序部分如下
1.流程图（如图10所示）
图10 流程图
2.程序
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 000BH
AJMP D0
ORG 0030H
MAIN:MOV TMOD,#11H ；选择工作方式1定时器0
MOV TH0,#0ECH ；定时5ms
MOV TL0,#78H
MOV IE,#82H ；开中断
MOV 30H,#00H
MOV 31H,#00H
MOV 32H,#00H
MOV R1,#0C8H
MOV R4,#0AH
MOV R3,#03H
MOV R0,#40H
MOV R2,#0FEH
SETB TR0
W3:JB P3.1,W2 ；检测是否有脉冲到来
ACALL D10
JB P3.1,W2
ACALL D10
L3:JNB P3.1,L3
MOV A,32H
CLR C
INC A ；计算脉冲数单元加1
DA A
MOV 32H,A
CPL P1.4
W2:CLR P1.4
AJMP W3
D0:MOV TH0,#0ECH ；5 ms赋值
MOV TL0,#78H
DJNZ R1,Q1
DJNZ R4,L1 ；判断10S是否到
MOV R4,#0AH
MOV A,32H
MOV B,#0AH
MUL AB ；计算1分钟脉搏个数
MOV 30H,A
MOV 31H,B
MOV 32H,#00H
L1:MOV R1,#0C8H
Q1:MOV A,30H ；需要显示的数值送进缓冲区
MOV DPTR,#TAB
ANL A,#0FH
MOVC A,@A+DPTR
MOV 40H,A
MOV A,30H
SWAP A
ANL A,#0FH
MOVC A,@A+DPTR
MOV 41H,A
MOV A,31H
ANL A,#0FH
MOVC A,@A+DPTR
MOV 42H,A
MOV P2,R2 ；显示1分钟脉搏跳动次数
MOV P0,@R0
INC R0
MOV A,R2
RL A
MOV R2,A
DJNZ R3,F2
MOV R3,#03H
MOV R0,#40H
MOV R2,#0FEH
F2:RETI
TAB:DB C0H,F9H,A4H,B0H, ；十六进制共阳极数字形代码
DB 99H,92H,82H,F8H,
DB 80H,90H,
D10:MOV R5,#0AH ；防抖动延时时间
LOOP1:MOV R4,#7DH
LOOP2:NOP
NOP
DJNZ R4,LOOP2
NOP
DJNZ R5,LOOP1
RET
END
3.材料清单：
原件 数量 备注
40脚插座 1 AT89C51使用
12MHz晶振 1
30pF电容 2 无极性电容
47μF电容 2 有极性电容
10K电阻 6 1 / 8 W
330Ω电阻 9 1 / 8 W
520Ω电阻 4 1 / 8 W
AT89C51单片机 1
发光二极管 1
三极管 9012 4 PNP管
数码管 1 共阳极8段码3位
按钮 1 复位
100Ω 2
22k 2
100uf 2 有极性电容
2.2uf 1 有极性电容
1uf 1 无极性电容
1M 1
470K 1
47K 1 可调电阻
100K 1
实验板 1
镀银丝、焊锡丝 若干
结束语
此论文是介绍一种用单片机制作的简易脉搏测量仪器，为轻松、方便的测量自己和他人的心跳提供了简易的测量仪器，一分钟心跳的次数与人的身体健康有着直接的关系，每天让自己的心跳在半个小时内130次/每分钟，这样会大大提高了自身的免疫力。本次设计的测量仪器，由于体积小、简易操作很容易实现家庭必备的仪器。
这次做论文的经历使我受益匪浅，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，希望这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步。由于这次时间有限再加上本人经验和知识的不足，望各位老师提出宝贵意见和指导。
谢辞
本论文在沈蓬老师、朱春萍老师、都晔凯老师的悉心指导和严格要求下完成，从论文选择到具体构思和内容，无不凝聚着老师的心血和汗水，也始终感受着指导老师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此向各位老师表示深深的感谢和崇高的敬意。
参考文献
《单片机基础》 北京航空航天大学出版社
《电子电路》 机械工业出版社
《脉冲与数字电路》 中国劳动社会保障出版社
《集成运算放大器》 人民邮电出版社
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