智能脉搏计的系统设计

智能脉搏记录仪设计

摘要：脉搏测量仪在日常生活中已经得到广泛的应用。为了提高脉搏测量的简便性和精确度，本文介绍一款以AT89S52单片机为核心控制模块的智能脉博记录仪。该仪器通过红外发射管FBCB30与红外接收管TBBB30组成的光电传感器采集脉搏模拟信号，利用LM358芯片构成的放大整形电路将采集到的模拟信号处理成数字信号送给单片机处理，通过LCD1602液晶屏将单片机处理后得到每分钟的脉搏跳动次数显示出来。经过多次实验表明，该仪器较为精确的测量出人体一分钟内脉搏跳动次数，而且操作方便简洁。

关键词：AT89S52；脉搏测量；信号处理；计数

The Design of Intelligent Pulse Recorder

Abstract：Pulse measuring instrument in daily life has been widely used. In order to improve the simplicity and definition , this paper introduces a AT89S52 microcontroller as the core control module intelligent pulse recorder. The instrument FBCB30 and the infrared receiving tube photoelectric sensor acquisition pulse TBBB30 composed of analog signal through the infrared emission tube ,using the LM358 chip shaping circuit consisting of the collected analog signal into digital signal to the microcontroller processing, the microcontroller via LCD 1602 obtained after processing the pulse beats per minute is displayed. After several experiments show that the instrument is more accurately measure the human pulse beats a minute, and the operation is simple and convenient.

Key words:AT89S52 microcontroller; Pulse measuring; Signal Processing; Count

目录

前言 (1)

第1章系统总体设计 (3)

1.1 系统设计方案确定 (3)

1.2 系统模块设计方案论证 (4)

1.3 系统技术指标 (5)

第2章系统硬件设计 (6)

2.1 主控制模块 (6)

2.1.1 AT89S52芯片简介 (6)

2.1.2 单片机最小系统设计 (10)

2.2 脉搏感应模块 (12)

2.2.1 光电传感器简介 (12)

2.2.2 信号采集电路 (13)

2.3 信号处理模块 (15)

2.3.1 LM358芯片简介 (15)

2.3.2低通滤波放大电路设计 (16)

2.3.3 整形电路设计 (18)

2.4 脉搏跳动提示模块 (19)

2.5 LCD显示模块 (20)

2.5.1 LCD1602简介 (20)

2.5.2 LCD1602显示电路设计 (22)

2.6 测量结束提示模块 (23)

2.7 电源电路设计 (24)

第3章系统软件设计 (25)

3.1 主程序设计 (25)

3.2 外部中断子程序设计 (26)

3.3 定时中断服务子程序设计 (27)

3.4 LCD显示子程序设计 (28)

第4章系统调试 (29)

4.1 硬件调试 (29)

4.2 软件调试 (30)

4.3 误差分析 (30)

第5章总结 (32)

参考文献 (33)

致谢 (35)

附录一：电路原理图 (36)

附录二：PCB图 (37)

附录三：实物图 (38)

附录四：元器件清单 (39)

附录五：程序清单 (40)

前言

脉搏每分钟跳动次数和频率可以反映出人身体的健康状况，在我国中医“望、闻、问、切”四诊中，脉诊占据着重要的位置。脉诊作为我国传统医学中最具特色的一项“绿色无创”诊断的手段和方法，引起了国内外人士的广泛关注。虽然脉诊以简便、无创、无痛的特点为广大患者所接受，但是中医的医师靠手指获取脉搏信息的方法，在长期的医疗实践中存在一定的局限性[1]。首先，医生切脉时单凭手指感觉和经验来辨别脉象的特征，表述过程中难免存在许多主观臆断因素，不能规范地判断脉象，其次，用手指切脉的技巧难以掌握，感知的脉象难以记录和保存，对脉象机理的研究产生影响。脉诊的这种定性化和主观性，影响了脉搏测量的精度与可行性，很大程度上制约了中医脉诊的应用、发展和交流。为了提高诊脉的精确度和规范化，需要将诊脉与现代科学技术结合起来，使得脉诊结果更加准确，切脉的方式更加便捷。

随着科学技术的飞速发展，脉搏测量技术也逐渐成熟，对脉搏的测量精度要求也越来越高。国内外先后研制了各种类型的脉搏测量仪，其中脉搏测量的关键是脉搏传感器的研究。如今，脉搏传感器主要分为接触式脉搏传感器和非接触式脉搏传感器，利用接触式脉搏传感器所研制的脉搏测量仪各有其优缺点。指夹式脉测量仪比较方便、简单，但手指上的汗腺较多，常年使用可能会使测量灵敏度下降；耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护，但耳脉信号较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境

温度影响明显，造成测量结果不准确。

人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，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(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)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。因此，对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器，其中以光电式脉搏传感器的发展为主。光电式传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器，通过对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号。具有结构简单、无损伤、精度高、可重复使用等优点。通过光电式脉搏传感器所研制的脉搏测量仪已经应用到临床医学等各个方面并收到了理想效果。但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号, 脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号,因此，必须经过放大和后级滤波以满足采集的要求。

本课题设计是一个智能脉搏记录仪系统，利用人体血液循环对光的吸收与衰减呈周期性变化的原理来测量人体的脉搏，通过红外光电传感器采集人体脉搏信号，转换为模拟信号，经过滤波，放大整形电路处理成可供单片机使用的数字信号，单片机对信号计算并通过LCD液晶屏显示每分种脉搏跳动的次数。

第1章系统总体设计

1.1系统设计方案确定

智能脉搏记录仪系统的设计，通过采集人体脉搏跳动变化引起的一些生物信号，使之转化为可以被测量的物理信号，这些变化的物理信号能够反应人体脉搏的变化。通过后级滤波，放大及整形的方法对转化后的低频微弱物理信号进行处理，处理后的信号送入单片机，单片机将计算得出的每分钟脉搏跳动次数输出到液晶屏上显示。设计的实现，需要运用相应的硬件电路及芯片来处理变化的物理信号并存储脉搏次数。可以根据脉搏信号转化成电信号的思路开始本次设计，通过硬件电路设计和软件编程来实现智能脉搏记录仪的功能要求。

根据上面所述，本次智能脉搏记录仪的设计主要分为以下几个模块：单片机控制模块、脉搏感应模块、信号处理模块、测量结束提示模块、脉搏跳动提示模块、LCD显示模块、电源电路模块、晶振模块、复位电路模块。整体系统结构如图1-1所示。

图1-1系统框图

图1-1中，系统各模块功能如下：

脉搏感应模块：采用红外发射接收对管对人体手指之间的脉搏信号进行检测与采集，将非电量的脉搏信号转化成电信号。

信号处理模块：转化后的模拟信号经过低通滤波、放大电路和整形电路的处理，使之转变成能够供单片机使用的数字信号。

脉搏跳动提示模块：处理后的数字信号通过对LED发光二极管的点亮和熄灭的方式，提示脉搏跳动的状态。

单片机控制模块：单片机作为主控制模块对传递进来的数字信号进行定时，计数及运算处理，计算出每分钟脉搏跳动的次数。

测量结束提示模块：当一次脉搏计数结束后，该模块中的蜂鸣器就会导通，提示本次脉搏测量结束。

LCD显示模块:采用LCD1602显示每分钟脉搏跳动的次数。

电源电路模块:产生直流5V电压给其它电路供电。

复位模块：采用复位电路为单片机实现上电复位和手动复位功能。

晶振模块：采用晶振电路为单片机提供时钟频率。

1.2 系统模块设计方案论证

1.单片机控制模块方案

方案一：采用AT89S52单片机

AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单片机芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52单片机为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活，超有效的解决方案。

方案二：采用FPGA单片机

FPGA（Field Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

本设计采用方案一，选用AT89S52单片机作为主控制模块。因为FPGA可编程器件接口复杂，操作繁琐。AT89S52单片机使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容，功耗低，操作简单方便，易于实现。

2.脉搏感应模块方案

方案一：HK-2000A集成化脉搏传感器

HK-2000A 集成化脉搏传感器采用高度集成化工艺，将力敏元件(PVDF压电膜)、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内。HK-2000A 集成化脉搏传感器的原理是采集信号，输出的模拟信号同步于脉搏波动的脉冲信号，脉搏波动一次，输出一个正脉冲。该产品可用于脉率检测，如运动、健身器材设备中的心率测试。

方案二：光电传感器

光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等，可以利用红外光电元器件接收脉搏信号并转换成电信号。

本设计采用方案二作为脉搏感应模块的控制模块，HK-2000A集成化脉搏传感器，集成化程度高,工作过程复杂,价格比较高。光电传感器有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，价格比较便宜，操作方便，在检测和控制中应用非常广泛。

1.3 系统技术指标

本课题设计要求具体技术指标如下：

1. 实现一分钟脉搏跳动次数的测量，并显示其数值。

2. 测量误差小于等于3次每分钟。

3. 在脉搏测量时要有脉搏跳动指示。

4. 设计功耗低，体积小，交互性强。

第2章系统硬件设计

图2-1系统硬件框图

图2-1系统硬件框图中，光电传感器红外发射管FBCB30发射的红外线透过手指指尖组织，由红外接收管TBBB30接收脉搏信号，转化为电信号后经过由运算放大器LM358构成的低通滤波放大电路，滤除高频信号并放大输入的电压，再通过由运算放大器LM358构成的电压比较器对放大好的信号进行整形，比较器将模拟信号整形成数字信号。整形好的数字信号一路送入LED脉搏指示电路，根据脉搏跳动节奏闪烁。另一

路送入AT89S52单片机P3.2口，单片机对脉冲信号计数和运算，最后，把计算的结果输出到LCD1602液晶显示，脉搏测试结束后蜂鸣器提示测量完成。

2.1 主控制模块

2.1.1 AT89S52芯片简介

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），与计算机相比，单片机缺少了外围设备等。单片机的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

AT89S52系列是AT89系列中新推出的高档型系列。在这个系列中，目前已推出4种产品。AT89S51是这个系列的基本型，AT89S52是本系列的增强型，存储器容量扩大了一倍，增加了两个中断源，16位定时/计数器，增加了一个功能极强的定时/计数2。AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash 存储器[2]。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。AT89S52单片机在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。AT89S52单片机引脚图如图2-2所示：

图2-2 AT89S52单片机引脚图1.AT89S52单片机的主要性能参数如下：

(1) 8位字长CPU；

(2) 振荡器和时钟电路，全静态操作：0~33MHz；

(3) 片内256字节RAM数据存储器；

(4) 片内8K字节系统内可编程Flash存储器；

(5) 4个8位并行I/O端口（P0、P1、P2、P3）共32线；

(6) 3个16位的定时器/计数器；

(7) 全双工（UART）串行口通道；

(8) ISP端口；

(9) 定时监视器（看门狗）；

(10) 双数据指针（DPTR）；

(11) 20多个特殊功能寄存器；

(12) 电源下降标志。

2.AT89S52引脚功能说明：

VSS(GND):电源地电平；

VCC：电源供电电压4-5V。

P0 口：P0口是一个8 位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8 个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节，在程序校验时，输出指令字节。程序校时，需要外部上拉电阻。

P1 口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入和时器/计数器2的触发输入。

P1口引脚第二功能：

P1.0 定时器/计数器T2的外部计数输入，时钟输出；

P1.1定时器/计数器T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制；

P1.5在系统编程用；

P1.6 在系统编程用；

P1.7 在系统编程用。

P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P2口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器。

P3 口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能），在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

P3口引脚第二功能：

P3.0RXD(串行输入口)；

P3.1TXD(串行输出口)；

P3.2 INTO(外中断0)；

P3.3 INT1(外中断1)；

P3.4TO(定时/计数器0)；

P3.5T1(定时/计数器1)；

P3.6WR(外部数据存储器写选通)；

P3.7RD(外部数据存储器读选通)。

RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。

ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。

寄存器：并不是所有的地址都被定义了。片上没有定义的地址是不能用的。读这些地址，一般将得到一个随机数据；写入的数据将会无效。用户不应该给这些未定义的地址写入数据“1”。由于这些寄存器在将来可能被赋予新的功能，复位后，这些位都为“0”。

2.1.2单片机最小系统设计

单片机最小系统由单片机的时钟电路和复位电路构成，单片机最小系统如图2-3所示。

图2-3单片机最小系统

图2-3是单片机最小系统电路连接图。单片机的最小系统中18引脚和19引脚接时钟电路,X1接外部晶振和电容的一端,X2接外部晶振和电容的另一端。第9引脚为复位输入端,接上电容、电阻后能够上电复位,20引脚为接地端,40引脚为电源端。复位电路采用手动复位方式[3]。时钟电路以及复位电路设计如下：

1.时钟电路设计

时钟电路就是产生像时钟一样准确的振荡电路。任何工作都按时间顺序，然而用于产生这个时间的电路就是时钟电路，一般由晶体振荡器、晶震控制芯片和电容组成。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统稳定性。

XTAL1，XTAL2分别是系统时钟信号的输入输出端。在XTAL1，XTAL2的引脚上外接定时原件，内部振荡器能产生自激振荡，定时原件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路，电容的值通常选择20-60pF左右，该电容大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。考虑原件引脚的等效输入电容，两个22pF的电容构成晶振的振荡电路是比较好的选择。

晶振的振荡器频率的范围通常在1.2～12MHz之间，晶体的频率越高，则系统的时钟频率也就变高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快，对存储器的速度要求就高。对印刷电路板的工艺要求也高，即要求浅间的寄生电容要小，晶体和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生生活，更好的保证振荡器稳定，可靠地工作。本设计采用12MHz晶振Y1,一个机器周期是1us，并联两个22pF瓷片电容C2及

C3构成时钟电路。单片机晶振电路如图2-4所示。

图2-4单片机晶振电路

2．复位电路设计

为保证系统电路工作稳定，程序正常运行，单片机外接复位电路，需要两个机器周期，复位电路如图2-5所示。

图2-5 单片机复位电路

在图2-5中，电容C1为10uF，电阻R2为10KΩ。复位时间T=r×C1，其中的电阻r为单片机内置的10KΩ电阻，则复位时间为100ms。当VCC上电瞬间，电容C1充电电流最大，电容相当于短路，RESET端为高电平，单片机自动复位，当电容C1两端的电压达到电源电压时，电容C1充电电流为零，电容C1相当于开路，RESET 端为低电平，单片机开始正常工作。工作期间，当按下按键S时，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，复位时间T=R2×C1，则复位时间为100ms。所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移，电容的电压在0.1S 内，从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K

电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RESET引脚又接收到高电平。单片机系统自动复位。

2.2 脉搏感应模块

2.2.1 光电传感器简介

1．光电传感器原理

根据朗伯.比尔定律，物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织吸收、反射衰减后测量到的光强，将在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织，其中非血液组织的光吸收量是恒定的，而在血液中，静脉血的搏动相对于动脉血是十分微弱的，可以忽略。因此，可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的，在恒定波长的光源照射下，通过检测透过手指的光强可以转变为人体的脉搏信号[4]。

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。因此，根据以上原理，本设计将3mm红外发射管FBCB30产生的红外线照射到人体的手指指尖部位，经过手指组织的反射和衰减，由装在该部位旁边的3mm红外接收管TBBB30接收其透射光并把它转换成电信号。由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的反射和衰减也是周期性脉动的, 于是，红外接收管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。只要将转换成的电信号进行滤波，放大整形，计数和显示，即可实时的测出脉搏的次数。

2. 光电传感器结构

光电传感器由3mm红外发射管FBCB30和3mm红外接收管TBBB30组成。采用3mm红外发射管作为发射端时，从红外发射管发出的红外线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，红外接收管接收透过指尖透射出来的光信号转换为电信号[5]。本系统采用红外发射管与红外接收管的距离相等并且对称布置，这种方法可较好地反映出心律的时间关系，实现了光电隔离,减少了对后级模拟电路的干扰。光电传感器结构如图2-6所示。

图2-6透射式光电传感器

2.2.2信号采集电路

本设计采用红外线发射管和红外发射接收管采集脉搏信号，并将采集到的脉搏信号转化为电信号供下级电路处理，具体电路如图2-7所示。

图2-7信号采集电路

图2-7是脉搏信号的采集电路,主要是用3mm红外发射管和3mm红外接收管装置检测脉搏信号,将检测到的信号Ui加到放大整形电路输入端Uo1，因为Ui中可能存在高频谐波，高频谐波会对测量结果产生影响，所以，设计添加一级由R7和C5构成的RC低通滤波电路将高次谐波滤除。

1．限流电阻R5及R6设计

首先，红外发射管的工作电流一般小于20mA ，根据电源电压VCC 为5V ，可以计算出R5的值应大于250欧姆；其次，经多次测试发现，当红外发射二极管中的电流越大时,发射角度越小,产生的发射强度就越大,基于红外接收管感应红外光灵敏度考虑，若R5设计过大,通过红外发射管的电流偏小,红外接收管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，若R5设计过小,通过的红外发射管电流偏大，红外接收管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号[6]。经过多次实际测试，R5最终取值为360欧姆。R6的取值只要满足流过红外接收管的额定电流小于20mA ，在满足条件的范围内，R6的取值电路的影响不大，本次设计采用20K 的电阻R6。

2. 滤波参数R7及C5设计

经多次测试得出，人体运动时的脉搏接近200次/分钟时，频率约为3.33Hz ，所以，由R7和C5构成的滤波器要初步滤除高于3.3Hz 的高频谐波。

RC

f π210= （2-1） 式（2-1）为截止频率公式，由式（2-1）来确定R7和C5的取值。本次设计采用68K 的电阻R7，1uF 的电容C5，根据式( 2-1 )可算出截止频率为2.34Hz 左右。

2.3 信号处理模块

2.3.1 LM358芯片简介

LM358芯片内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益 模组,音频放大器、工业控制、DC 增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合[7]。 LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。LM358芯片结构如图2-8所示。

图2-8 LM358芯片结构

1.LM358性能参数：

（1）大直流电压增益：100dB；

（2）低输入偏置电流：20 nA；

（3）低输入失调电压：2mV；

（4）低输入偏置电流：2 nA；

（5）单位增益频带宽：1 MHz；

（6）大输出电压摆幅：0 V至1.5V；

（7）电源电压范围宽：单电源3V至30V。

2.引脚功能如表2-1所示。

表2-1LM358引脚功能说明

引脚功能

1 输出1

2 反相输入1

3 非反相输入1

4 VCC–

5 非反相输入2

6 反相输入2

7 输出2

8 VCC +

2.3.2 低通滤波放大电路设计

低通滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，滤波器实质上是一个选频电路，所以也称选频装置。本次设计的低通滤波放大电路，滤除Uo1中的高频谐波，对微弱的Uo1信号进行放大处理[8]，整体滤波放大电路如图2-9所示。

图2-9低通滤波放大电路

1．滤波电路设计

图2-9中，经过R7和C5构成的滤波器，初步滤除高频谐波信号后，从Uo1输入端加到运算放大器的正相输入端3脚，因为，初步滤除的信号中仍存在高频谐波信号和一些过低的低频谐波信号，不足以达到脉搏测量的低频要求，所以，需要在设计一个由R8和C6构成的低通滤波电路，进一步滤除高频谐波信号和一些频率过低的低频谐波信号。

因为，人体在安静时的脉搏跳动大约是50次/分钟，频率约为0.78Hz，人体在剧烈运动时脉搏跳动大约在200次/分钟，频率约为3.3Hz[9]，所以，本设计需要滤除高于3.3Hz 和低于0.78Hz的谐波信号。根据式（2-1）可以算出截止频率的取值范围f<3.3Hz。

0.78Hz<

τ（2-2）

=

RC

式（2-2）为时间常数公式，经计算可得，0.047s<τ<0.20s，所以，这里C6和R8根据时间常数τ取值，本次设计中采用330nF的电容C6，200K的电阻R8时，

RC

f π210=41.2≈Hz ，符合低频要求。 2．放大电路设计

由红外光电传感器将脉搏信号转化为电信号，经过R7和C5构成的滤波器阶低通滤波器，从Uo1输入端加到运算放大器U2A 的正相输入端3脚。因为输入到正相输入端的电压较小，不能达到整形所需电压，所以，需要设计一个放大器将Uo1端输入电压放大。

当运放特性理想时，电路的传递函数[10]为：

)

861(w 81)(1R sC R R s A ++

= （2-3） 电路放大倍数为： 1

w 81R R Ao += （2-4） 多次实际测试发现，图2-9中的运算放大器U2A 的放大倍数在20倍左右，可以达到整形所需要求的电压幅度。已知R8的取值为200K ，根据式（2-4）可知R w1取10K 。可以通过改变R w1的值适当地改变放大倍数。此外，通过放大器放大后的信号是不规则的，有高频谐波信号干扰，所以，设计添加1uF 的耦合电容C7，C7具有通低频阻高频作用，经过C7耦合后的输出信号Uo2送到下一级整形电路。经过低通放大后输出的信号Uo2是脉动正弦波形如图2-10所示。

图2-10 Uo2波形图

2.3.3整形电路设计

Uo2为正弦波模拟量，不能直接提供给单片机使用，所以，需要设计一个电路，将正弦波形信号整形成方波信号，本次设计的整形电路主要利用电压比较器实现。

电压比较器的基本功能是对两个输入电压的大小进行比较，判断两个输入电压中哪