李 靜,楊春花

(山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同037009)

基于51單片機(jī)脈搏儀的設(shè)計(jì)與分析測試

李 靜,楊春花

(山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同037009)

脈搏儀的應(yīng)用在醫(yī)療和居家生活中日漸廣泛，作為衡量健康指數(shù)的基本指標(biāo)，脈搏測量的準(zhǔn)確性是脈搏儀的重要特征。本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，通過鍵盤設(shè)置上下限,將測量到的脈搏信號通過紅外傳感器及附加放大整形電路轉(zhuǎn)換為電信號，反饋給主控芯片，通過LCD1602顯示屏顯示脈搏次數(shù)。測量分析顯示，該設(shè)計(jì)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了脈搏的測量，且準(zhǔn)確迅速、數(shù)據(jù)便于記錄，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了脈搏值超過上（下）限時(shí)的報(bào)警提示。

脈搏儀;STC89C52;紅外傳感;LCD1602

脈搏作為衡量人體健康的基本指數(shù)之一，在醫(yī)療和生活方面受到廣泛關(guān)注，隨著科學(xué)技術(shù)的逐步提高，脈搏儀應(yīng)運(yùn)而生，相較傳統(tǒng)的診脈手法“心中易了，指下難明”的缺陷，脈搏儀具有快速、簡單、精確度高的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)調(diào)查和多方查證，目前市面上普遍使用的有指夾式脈搏儀和血壓儀，前者基于動脈搏動期間光吸收量的變化，通過微處理器計(jì)算出脈搏值，而后者則通過血液循環(huán)產(chǎn)生的壓力粗略測量脈搏值，這兩種脈搏儀都存在一定程度上的測量誤差、信號采集延誤等問題，并重復(fù)使用率低。

針對上述脈搏儀的缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用51系列單片機(jī)中的STC89C52為主控芯片，使用紅外光電傳感器采集脈搏信號，轉(zhuǎn)換成的電信號經(jīng)過放大整形傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)將信號進(jìn)行累加得出脈搏值，可有效地降低儀器本身的誤差影響，且信號采集迅速，同時(shí)設(shè)計(jì)添加的時(shí)間設(shè)置部分，方便使用者在觀察數(shù)據(jù)的同時(shí)直觀的記錄測量時(shí)間。設(shè)計(jì)初期考慮到該脈搏儀的使用，附加了上下限設(shè)置模塊以及蜂鳴器報(bào)警模塊，在設(shè)計(jì)初始設(shè)置所需上下界限，當(dāng)測量的脈搏值超過設(shè)置限度時(shí)，主控芯片會驅(qū)動蜂鳴器報(bào)警，方便了使用者對自身健康的督查。

1 設(shè)計(jì)簡介

1.1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體由C52、鍵盤、顯示屏、光電傳感、時(shí)鐘模塊、運(yùn)放部分來構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，本設(shè)計(jì)共有四個按鍵，可在測量前設(shè)置實(shí)際時(shí)間和上下限數(shù)據(jù)，當(dāng)測量值超出所設(shè)置的限度時(shí)，系統(tǒng)會啟動蜂鳴器報(bào)警，在測量的時(shí)候，將手指平穩(wěn)輕放在光電傳感器上，傳感器會把脈搏跳動的信號接收并轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的電信號，然后經(jīng)過放大、整形之后傳回單片機(jī)將信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，最終把數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 軟硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的整體框架結(jié)構(gòu)，由單片機(jī)驅(qū)動其余五個模塊，開機(jī)后通過按鍵設(shè)置系統(tǒng)的上下限數(shù)值，之后開始測試，但設(shè)計(jì)的指脈信號采集是選用紅外光電傳感器來實(shí)現(xiàn)的，經(jīng)查證人體指脈的信號尤為微弱，大約在 級別，單片機(jī)無法識別傳感器直接傳輸?shù)男盘?，需在單片機(jī)和傳感器之間設(shè)計(jì)一個小型濾波模塊，該模塊采用LM358對采集到的脈搏信號進(jìn)行相應(yīng)倍數(shù)的放大及整形，轉(zhuǎn)換為單片機(jī)在可接收范圍內(nèi)的電信號。之后，單片機(jī)會將接收的信號進(jìn)行計(jì)算，得出的結(jié)果通過顯示屏顯示。而本設(shè)計(jì)具有的報(bào)警模塊，在脈搏數(shù)超過上下限范圍時(shí)會報(bào)警提示，但由于蜂鳴器本身的電流限制，無法被單片機(jī)直接驅(qū)動，只有加入PNP型的三極管才能實(shí)現(xiàn)低電平驅(qū)動蜂鳴器報(bào)警。

對設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的模塊及其功能選擇Protel簡單繪制原理圖，如圖2所示。

圖2 Protel原理圖

規(guī)劃系統(tǒng)流程，步驟如下：

(1)單片機(jī)上電開機(jī)，初始化各個參數(shù)。

(2)按鍵設(shè)置時(shí)間、上下限的數(shù)值。

(3)測試者將手指輕放到傳感器上進(jìn)行信號采集。

(4)觀測顯示屏的測量值并記錄。

依照設(shè)計(jì)原理圖，根據(jù)測試步驟對設(shè)計(jì)進(jìn)行電路的排版設(shè)計(jì)，并焊接，在焊接時(shí)需對各個模塊與單片機(jī)相連的引腳一一對應(yīng)。實(shí)際電路設(shè)計(jì)排布如圖3所示。

圖3 實(shí)際電路設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)調(diào)試分析

該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是多功能的數(shù)字型程序，程序較為繁瑣，各個模塊的子程序諸多，且電路設(shè)計(jì)的工程龐大，模塊之間的交線較多，為了設(shè)計(jì)的整體流程，合理布局各個模塊，軟硬件的調(diào)試必不可少。

2.1 軟件調(diào)試

初步規(guī)劃設(shè)計(jì)的整體流程后，結(jié)合設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求編寫相應(yīng)的c語言程序，之后將編寫好的c語言程序燒入STC軟件中，設(shè)置對應(yīng)端口并連接設(shè)計(jì)單片機(jī)，并觀察結(jié)果是否正確。結(jié)果如圖4所示。結(jié)果正確后參照系統(tǒng)原理圖，在Proteus上錄入程序，比照設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行仿真并操作，觀察各項(xiàng)功能是否可以正常工作。仿真圖如圖5所示。

圖4 燒入結(jié)果圖

圖5 軟件仿真結(jié)果圖

調(diào)試成功后進(jìn)行硬件調(diào)試。

2.2 硬件調(diào)試

調(diào)試鍵盤設(shè)置上下限，當(dāng)所測得的脈搏值超過上下限值時(shí)，系統(tǒng)會驅(qū)動蜂鳴器報(bào)警。由于設(shè)置要求，只有加入放大電路后，蜂鳴器才能被驅(qū)動。由于捕捉到的人體脈搏信號會很微弱（數(shù)值約為IV級別）使得單片機(jī)無法接收，在調(diào)整相應(yīng)的放大倍數(shù)后，對傳感器的輸出端進(jìn)行波形檢測，可在示波器上觀測到不規(guī)則正弦波，且輸出的脈沖依舊微弱，在電路正常的前提下，再次提高放大倍數(shù)，調(diào)整放大器的電阻阻值。示波器測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 示波器測試結(jié)果

2.3 調(diào)試結(jié)果分析處理

在設(shè)計(jì)調(diào)試過程中，完善軟件數(shù)據(jù)，降低了部分誤差，對附加模塊進(jìn)行修改整理，將誤差最大化處理，觀測可知該設(shè)計(jì)可以正常實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，且測量精確，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，使用率大大提高。

3 測量結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)前期已與市面上同類產(chǎn)品進(jìn)行比較分析，避開共性誤差，并針對部分缺陷進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在低成本高精度可長久使用。現(xiàn)選取10位測試者同時(shí)使用本設(shè)計(jì)和市面上的指夾式脈搏儀進(jìn)行脈搏測量，記錄數(shù)據(jù)，并與使用聽診器測量值進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表1所示。

表1 三種脈搏儀測量結(jié)果對比

本設(shè)計(jì)具有報(bào)警功能，在正常情況下蜂鳴器不會報(bào)警，只有在測量值超過開機(jī)所設(shè)置的上下限制時(shí)，才會驅(qū)動蜂鳴器報(bào)警，故而選取兩名在劇烈運(yùn)動后的測試者進(jìn)行測試。結(jié)果如表2。（當(dāng)初始設(shè)置上限為120，下限為50。）

表2 蜂鳴報(bào)警情況測試

據(jù)表2的測試結(jié)果可知，2號同學(xué)測試時(shí)脈搏數(shù)已經(jīng)超過所設(shè)置的限度，而實(shí)驗(yàn)測試時(shí)蜂鳴器已報(bào)警。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表1、表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，本設(shè)計(jì)在實(shí)際使用的時(shí)候數(shù)據(jù)相較實(shí)際值有一定的偏差，但相較同類產(chǎn)品，精確度已得到一定的提升。而且在時(shí)間的觀察確認(rèn)以及上下限報(bào)警提示方面，具有可觀的優(yōu)勢。對于設(shè)計(jì)中不可避免的誤差，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了必要線性補(bǔ)償。使用均方差公式對結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)：

經(jīng)校準(zhǔn)后，測量值基本接近實(shí)際值，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

通過對調(diào)試和測量結(jié)果的分析可以看出，基于51單片機(jī)的脈搏測量儀在芯片選型上，極大的降低了對結(jié)果的誤差影響，在產(chǎn)品的使用率方面也有明顯的優(yōu)化。對于使用過程中的數(shù)據(jù)偏差，則可由線性補(bǔ)償?shù)玫礁纳?，極大的提高了測量的精確度，且在信號采集方面準(zhǔn)確迅速。同時(shí)，設(shè)計(jì)具有的上下限設(shè)置和報(bào)警提示這一特點(diǎn)，優(yōu)于同類產(chǎn)品，可在醫(yī)療和日常生活中廣泛使用。

[1]鄭爭兵.脈搏信號檢測儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動化儀表，2012,33(11):77-79.

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[3]張家田,董秀蓮.單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2002,25(9):4-7.

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The Design and Analysis of Pulse Instrument Based on 51 Single Chip Microcomputer

LI Jing,YANG Chun-hua
（School of Physics and Electronic Science,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009）

The application of pulse instrument in medical and home life is increasingly wide,as a measure of the basic indicators of health index,the accuracy of the pulse measurement is an important feature of the pulse instrument.This design uses STC89C52 single chip microcomputer as the main control chip,the upper and lower limits of the keyboard.is.set.The measured pulse signal is converted to electric signal through infrared sensor and additional amplification shaping circuit,and feedback to the main control chip,and the pulse frequency is displayed by.the LCD1602 display screen.Measurement analysis shows that the design to a certain extent,to achieve the pulse of the measurement,and accurate and rapid,easy to record data.Also achieved a pulse value over the upper(lower) limit,the buzzer will alarm.

pulse instrument;STC89C52;infrared sensor;LCD1602

TN912.3

A

〔責(zé)任編輯 高彩云〕

1674-0874(2017)04-0021-03

2016-11-30

山西大同大學(xué)青年科研基金項(xiàng)目[2013Q8]

李靜(1986-)，女，山西大同人，碩士，助教，研究方向：語音編碼，信號處理。