河南城建学院本科毕业设计（论文）
系统的硬件部分设计分析
RP1 1 U1 19 XTAL1 18 P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 39 38 37 36 35 34 33 2 3 4 5 6 7 8 9 XTAL2 RST P0.7/AD7 32 9 29 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 21 22 23 RESPACK-8 24 30 31 PSEN ALE EA 25 26 27 28 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR 1 2 10 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 11 12 13 14 15 16 17 3 4 5 6 7 8
P1.7 P3.7/RD AT89C51 图 3.8 数码管显示电路
本设计用 LED 数码管段数一般为 7 段另加一个小数点。LED 数码管根据 LED 的接法不同分为共阴和共阳两类，了解 LED 的这些特性，对编程是很重要的，因 为不同类型的码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的设计采 用 4 位共阴数码管某段数码管阳极为高电平时该数码管被点亮。
3.1.5 报警电路
根据医学数据，人体脉搏正常在 60 到 120 之间，当数码管所显示的示数大于 120 或小于 60 时，蜂鸣器响应报警；示数小于 120 时大于 60 时，蜂鸣器不响。因 为单片机的端口输出电流能力低，无法直接驱动那些器件，故增加三极管加大功 率 ，驱动蜂鸣器工作。报警电路如图 3.9 所示。
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R8 +5V
Q1
PN4250
10k
LS1
SPEAKER
图 3.9 报警电路
3.2 脉搏信号采集
目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：光电容积脉搏波法、液体耦合腔 脉搏传感器、压阻式传感器以及应变式传感器。
3.2.1 光电传感器的结构及原理
近年来，光电检测技术在临床医学应用中发展很快，这主要是由于光能避开 强烈的电磁干扰，具有很高的绝缘性，且可非侵入地检测病人各种症状信息。用 光电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生物医学仪器工作的专家和学者的重视。
传感器由红外发光二级管和红外接收三极管组成。采用 GaAs 红外发光二极管 作为光源时，可基本抑制由呼吸运动造成的脉搏波曲线的漂移。红外接收三极管 在红外光的照射下能产生电能，它的特性是将光信号转换为电信号。在本设计中， 红外接收三极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。
从光源发出的光除被手指组织吸收以外，一部分由血液漫反射返回，其余部 分透射出来。光电式脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射式和反射式 2 种。 其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置，接收的是透射 光，这种方法可较好地反映出心律的时间关系。因此本系统采用了指套式的透射 型光电传感器，实现了光电隔离，减少了对后级模拟电路的干扰。透射式光电传 感器结构如图 3.2 所示。
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图 3.1 式光电传感器结构图
3.2.2
信号采集电路
图 3.2 脉搏信号的采集电路，U3 是红外发射接收装置，由于红外发射二极管
中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大，所以对 R21 阻值的选取 要求较高。R21 选择 270Ω同时也是基于红外接收三极管感应红外光灵敏度考虑的。 R21 过大，通过红外发射二极管的电流偏小，红外接收三极管无法区别有脉搏和无 脉搏时的信号。反之，R21 过小，通过的电流偏大，红外接收三极管也不能准确地 辨别有脉搏和无脉搏时的信号。
当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期。虽然手指遮挡了红 外发射二极管发射的红外光，但是由于红外接收三极管中存在暗电流，会造成输 出电压略低。二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接 收三极管中的暗电流减小，输出电压上升。但该传感器输出信号的频率很低，如 当脉搏只有为 50 次/分钟时，只有 0.78Hz，200 次/分钟时也只有 3.33Hz，因此信 号首先经 R22、C10 滤波以滤除高频干扰。
R21 R22 56K
U3
C
Optoisolator1
2
GND
图 3.3 信号采集电路
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3.3 信号放大电路
本设计采用的放大器是LM324。LM324 是四运放集成电路，它采用14 脚双列 直插塑料封装.它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四 组运放相互独立。由于LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可 单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
由于通过光电式脉搏传感器检测到的脉搏波的信号非常微弱，所以在单片机 接受处理前需要进行信号的放大处理。按人体脉搏在运动后跳动次数达 200 次/分 钟的计算来设计低通放大器，放大电路如图 3.5 所示。R23、C6 组成低通滤波器以 进一步滤除残留的干扰，截止频率由 R23、C6 决定，运放 U3A 将信号放大，放大 倍数由 R23 和 R27 的比值决定。
GND R26 56K
GND
4 47nf R
1M V
5
6
图 3.5 放大电路
根据一阶有源滤波电路的传递函数，可得：
A(s) VO(s) Ao V (s)
1 wc
s (3.1)
23
R放大倍数为： A 1
1
1M 214
(3.2)
0
R27
4.7K
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截止频率为： f 0
1 2 R23C6
3.39Hz
(3.3)
按人体的脉搏跳动为 200 次/分钟时的频率是 3.3 Hz 考虑，低频特性是令人满 意的。经过低通放大后输出的信号是叠加有噪声的脉动正弦波。
3.4 波形整形电路
波形整形电路如图 3.6 所示，U2A 是一个电压比较器，C11、R29 构成一个微 分器，U1A 和 C7、R32 组成单稳态多谐振荡器，其脉宽由 C7、R32 决定。
该比较器的阀值电压可用 R31 调节在正弦波的幅值范围内，但是对 R31 的调 节要求并不严格，因为 U2A 的输出信号经 C11、R29 的微分后总是将尖脉冲送到单
片机INT 0 脚，进行对心率的计算和显示。
R25 10K
U2A LM324
8
C1
VCC
R28 22K
1nf
R29 R
1M GND
图 3.6 整形电路
3.5 单片机处理电路
单片机处理电路如图 3.7 所示，本部分运用了 ATMEL 公司的 89S52 单片机作 为核心元件，在这里运用单片机能更快更准确地对数据进行运算，而且可以根据 实际情况进行编程，所用外围元件少，轻巧省电，故障率低。
单片机外围电路包括复位电路和振荡电路。本设计采用自激荡方式，使内部 振荡器按照石英晶振的频率振荡产生时钟信号。石英晶振选择频率为 11.0592MHz， 电容选择 30pf。如图 3.6 中振荡电路所示。经计算得单片机工作机器周期为： 11.0592 (1 11.0592M ) 1us 。时钟电路工作后，在 REST 管脚上加两个机器周期 （12 个晶振周期）以上的高电平，芯片内部开始进行初始复位。
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