基于CD4069及51单片机的脉搏测量仪设计

基于CD4069及51单片机的脉搏测量仪设计

一、电路工作原理

电路由传感器电路、信号放大和整形电路、单片机电路、数码显示电路等四部分组成。

传感器由红外线发射二极管和接收二极管组成，测量原理如下：将手指放在红外线发射二极管和接收二极管之间，血管中血液的流量随着心脏的跳动变化，由于手指放在光的传递路径中，血管中血液饱和度的变化将引起光的传递强度变化，此变化和心跳的节拍相对应，因此红外接收二极管的电流也跟着心跳的节拍改变，使得红外接收二极管输出与心跳节拍相对应的脉冲信号。该脉冲信号经F1~F3、R3~R5。C1、C2等组成的低通放大器放大，F4、R6、R7、C3组成的放大器进一步放大后，送给由F5、F6、RP1、R8等组成的施密特触发器整形后输出，作为单片机的外部中断信号。

IC2、X1、R10、C5等组成单片机电路。单片机对由P3.2输入的脉冲信号进行计算处理后，送到数码管显示。发光二极管VD3作脉搏测量状态显示，脉搏每跳动一次，VD3点亮一次。

三只数码管VT1~VT3、R12-R21等组成数码显示电路。本机采用动态扫描显示方式，使用共阳数码管，P3.3~P3.5口作三只数码管的动态扫描位驱动码输出，通过三极管VT1-VT3驱动数码管。P1.0-P1.6口作数码管段码输出。

二、软件设计

程序用C语言编写，由主程序、外部中断服务程序、定时器TO中断服务程序、延时子程序等模块组成。主程序主要完成程序的初始化。外部中断0服务程序由测量、计算、读数等部分组成。定时中断服务程序由计时、动态扫描点显示、无测试信号判断等部分组成。程序中用变量n对时间计数，用变量m对脉搏脉冲信号个数计数。

从P3.2口输入的与脉搏相对应的脉冲信号作为外部中断0的请求中断信号，外部中断采用边沿触发的方式。由于脉冲信号的频率很低，所以不适宜用计数的方法进行测量，故而采用测脉冲周期的方法进行测量，即用脉冲来控制计时信号，通过计时数计算出脉冲周期，再由脉冲周期计算出频率，从P3.2口每输入一次脉冲信号就能显示一次脉搏数。

定时器TO的中断时间为5ms，每中断一次计时变量n加1，因此计时的基本单位为5ms，例如一个脉搏脉冲周期对应的n值为240，则对应的时间为1.2s，由此可得每分钟脉搏数为50。如果n的值达到2000，即10秒钟仍没有发生外部

中断，则表示没有脉搏脉冲信号输入，于是n被清零，测量结果显示也为0。读数采用三位数码显示。定时器TO每中断一次显示一个位，因此3次中断就可以刷新一次数据，即15ms刷新一次数据。

三、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接收二极管分别固定在一个塑料夹子的两侧，用时只需将夹子夹在手指上即可。制作时注意保证红外线接收二极管在使用时不要受到外界光线的干扰。

调试的主要工作是通过对RP1的调节来调整电路的灵敏度，RP1的阻值越小灵敏度越高，反之灵敏度越低。调试时可通过VD3的发光状态进行观察，如果脉搏跳动时VD3不跟随发光，则说明灵敏度偏低，不易检测到脉搏信号；如果在没有脉搏跳动时VD3偶尔也点亮发光，说明灵敏度偏高，容易受到干扰。

研究成果：

基于单片机的脉搏测量仪主要考虑到传统医学上对于脉搏的测量存在不方便等问题。本设计中对脉搏频率的测量采用周期测量法。

考虑到脉搏的频率很低，大约为1HZ左右，而16 位定时/计数器的最高计数值为65535，这样定时/计数器将发生溢出，且最后脉搏波动频率的计算涉及到双字节除法，编程较复杂。为此，采用定时器中断方式，即在一个脉搏周期内，隔一段时间T1，T1即为中断周期，且T1<65535，就将TH0，TL0清零。

四、研究前景和不足：

1.传感器部分

脉搏传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式决定了脉搏测量精度，因此其选型对整个设计具有决定性的作用。

目前，脉搏信号的测量方式主要有：

(1)光电脉搏波传感器；

(2)力传感器测量；

(3)脉搏信号还表现为皮肤振动，因此可以用加速度传感器进行检测，其特点是结构简单、体积小、波形测量精度较高。

本设计中，采用第一种脉搏传感器，即光电脉搏波传感器。

2.信号放大整形电路部分

脉搏传感器出来的电压信号较弱，一般在毫伏级，需要对其进行放大。所以，设计信号放大电路，将脉搏传感器出来的信号进行放大，使之成为一个幅值适当的信号，便于后续电路的处理。由于本设计对于脉搏波的整形要求比较低，只需要将每个脉搏波整形成为一个标准的方波，送入单片机中进行计数，即可。所以这部分电路采用了比较简单的方法得到的信号进行放大和整形就可以的了。

3.单片机选择

本设计作为一个简单脉搏测量仪，最后需给出脉搏波动频率。以单片机作为信息处理中心，通过对单片机进行编程，完成信号输入检测、信息分析处理及信息显示。

4.改进之处

报警上下限数值的设定。在基于单片机的脉搏测量仪的设计中没有考虑到一个非常重要的问题，就是当病人的脉搏不正常时是否可以给出合理的提示，使得病人能提前了解预知自己的身体状况，在病理前期就可以采取相应措施，一方造成严重的后果。研究设计小组下一步预期系统的基本框图如下图所示。

（1）通过脉搏传感器采样脉搏信号，设计脉搏波检测电路，通过示波器显示出来

（2）将整形后的脉冲波送入单片机，采用单片机构成脉搏检测仪，要求实时显示脉率变化，脉率超限时用蜂鸣器报警，报警范围可以通过键盘设定。

五、研究的意义

随着信息时代的发展,电子行业越来越重要,它能够有效、智能化地提高生产效率,给人们的生活带来极大的方便。在工农业生产部门,比如医疗行业,经常要进行脉搏的测量,如果采用了电子测量计,便有利于精确测量,还可以借助现代化的工具进行更高效、合理的判断，改善了人工测脉搏的不准确性以及耗时性。使得测量脉搏普遍化，让我们共同来关注健康，关爱生命。

在这次的课题申报过程中，首先要感谢一直以来给予研究小组帮助和指导的熊继平老师，是他不轻言放弃的精神感染着我们，用于创新的情操激励着我们，一步步的完成了给予单片机的脉搏测量仪的研究与设计；其次感谢有我们这样一个团队，一起努力一起探讨，最终达成我们共同的目标；最后，研究小组想说的是虽然我们的本次课题已经告一段落，但是我们的下一步研究即将起航，预警上下限的设定的改进与组装相信很快也会有成果，我们会更加努力的！

附录：

#include

unsigned char i,j,t,m,YSHSHJIAN,YSHHCHONG[3];

unsigned int n,MBO;

unsigned char code

WXUAN[3]={0xf7,0xef,0xdf};//位选

unsigned char code

XSHB[10]={0x81,0xcf,0x92,0x86,0xcc,0xa4,0xa0,0x8f,0x80,0x84};//字形码sbit SHRU=P3^0;

void YSHI(YSHSHJIAN);

main() //主程序

{

TMOD=0x01; //定时器T0工作于方式1

TH0=0xec;

TL0=0x78; //T0定时时间为5ms

IE=0X83; //开中断

IT0=1; //外部中断0为边沿触发方式

TR0=1; //开定时器T0

for(;;) //脉搏指示灯控制

{

if(SHRU==0)

{

YSHI(200);

SHRU=1;

}

}

}

external0() interrupt 0//外部中断服务程序

{

SHRU=0; //点亮指示灯

if(n==0)

MBO=0;

else

MBO=12000/n; //计算每分钟脉搏数

YSHHCHONG[2]=MBO%10;//取个位数

MBO=MBO/10;

YSHHCHONG[1]=MBO%10;//取十位数

YSHHCHONG[0]=MBO/10;//取百位数

n=0; }

Timer0() interrupt 1//定时中断服务程序

{

TH0=0xec;

TL0=0x78;

t=WXUAN[j];//取位值

P3=P3|0x38;//P3.3-P3.5送1

P3=P3&t; //P3.3-P3.5输出取出的位值

t=YSHHCHONG[j];//取出待显示的数

t=XSHB[t];//取字形码

P1=t; //字型码由P3输出显示

j++; //j作为数码管的计数器,取值0-2,显示程序通过它确认显示哪个数码管if(j==3)

j=0;

n++;

if(n==2000)//10秒钟测不到心率,n复位

n=0;

}

void YSHI(YSHSHJIAN)//延时子程序

{

for(;YSHSHJIAN>0;YSHSHJIAN--)

{

for(i=0;i<250;i++)

;

}

}