基于单片机及红外传感的电子脉搏计设计

2013-09-21易鹏，魏雄

时代农机 2013年3期

易鹏，魏雄

（东华理工大学机械与电子工程学院，江西南昌 330013）

脉搏测量的相关问题越来越受到更多的关注和重视。传统的手工脉搏测量误差较大，无法实时观察；采用电子测量，有利于精确测量，还可借助现代化的工具进行更高效合理的分析诊断。随着计算机以及超大规模集成电路技术的快速发展，单片机技术已逐渐融入到电子脉搏计的设计中。

1 系统设计方案

根据对脉搏信号的采集处理、测量控制过程，本系统可划分为以下几个功能模块：①传感器模块：将被测对象的脉搏信号转换为与此对应的模拟电脉冲信号。②放大滤波整形电路：将传感器的微弱信号放大，滤波整形除去杂散信号，以便得到便于单片机计数的规则的脉冲信号。③MCU控制模块：在软件的作用下控制脉搏信号放大、滤波和整形后进入计数器的时间，并实现基准时间定时、脉搏信号的计数、两倍频及脉搏数的BCD译码。④显示模块：对经过单片机处理好的脉搏数以十进制数的形式在数码管中直观实时显示出来。⑤电源模块：提供系统所需电源。系统硬件结构原理框图如图1所示。

图1 电子脉搏计系统硬件结构原理框图

2 硬件电路设计

（1）传感器电路。本系统采用光电容积法实现对脉搏信号的采集，选用红外光电传感器，通过光电变换器将脉动的光强度信号转变为脉动的电信号并送到放大滤波整形电路的输入端口，从而采集到的脉搏信号。传感器由光源和光电变换器两部分组成，它夹在被测人员的指尖或耳廓上。传感器光源选用IR 333型红外发射二极管，光电转换器选用BPW83型红外接收二极管。

（2）放大滤波整形电路。这部分电路的功能是对传感器采集到的微弱信号进行放大、滤波、整形处理，以满足单片机的计数要求。

图2 AMP 04的工作原理图

图3 电子脉搏计系统电路原理图

由于光电传感器拾取的脉搏信号十分微弱，仅为毫伏量级，一般为几毫伏，前置放大电路需选择高共模抑制比的放大器，本系统选用低功耗、高精度的测量放大器AMP 04，其工作原理图如图2所示。

脉搏信号变化缓慢、信号微弱，容易收到背景及工频信号等干扰。通常脉搏信号的频率范围在0.3～20 Hz之间，因此须使用低通滤波器有效滤除50 Hz工频干扰及其他的高频噪声干扰。相对于一阶低通滤波器，二阶有源低通滤波器，衰减率达40 dB/十倍频，还具有一定的电压放大和缓冲作用，只要通过合理选择R、C的值，可以使fo=20 Hz，从而达到有效低通滤波的目的。本系统采用二阶有源低通滤波器，对经初级放大后的信号进行滤波处理。

经过放大滤波后的脉搏信号仍是不规则的脉冲信号，且有其他信号干扰，仍不满足单片机的计数要求，本系统选择施密特滞回比较器对脉搏信号进行整形。

（3）MCU控制电路：在软件的作用下控制脉搏信号放大、滤波、整形后进入计数器的时间；实现基准时间定时、脉博信号的计数和两倍频以及脉搏数的BCD译码；另外该电路还应具有开启/关闭测量、电路清零显示、内部晶振时钟、上电自动复位、手动复位等功能。本系统选取智能单片机芯片AT 89 S51作为控制电路，这种方案的电路设计简单，控制灵活，处理速度快，用软件代替硬件，耗费电子元器件少，软件程序便于修改完善，性价比高。

（4）显示电路。采用串口的LED静态显示，驱动芯片选用74 LS164，数码管选用七段数码管LRS 547 R。AT 89 C 51串行口不作通信使用时，串行口采用移位寄存器工作方式，用以驱动LED静态显示器，这样就可以充分利用串行口。本系统中采用LED静态显示，相对动态显示而言，其优点是显示的数据稳定，无闪烁，占用CPU时间少。为了避免静态显示I/O口占用过多的问题，可采用串行接口扩展LED数码管的技术。电子脉搏计系统电路原理图如图3所示。

3 软件程序设计

图4 中断服务程序流程图

（1）软件设计思想。系统采用单片机内部的定时器T0定时中断实现脉搏测量基准时间1 min的定时，控制测量时间，每隔1秒对脉搏数进行一次BCD码转换并显示，当30秒定时时间到，关闭定时器T0、计数器T1，并对T1计数到的脉搏数进行2倍乘，就可以得到1 min内的脉搏数，再读取脉搏数并进行译码显示，本次测量结束，等待清零，开始新的测量。

（2）软件程序设计。系统软件程序分为两个模块：①主程序模块：实现对A89 S51、定时器/计数器、显示缓冲区等的初始化，并设置堆栈指针以及开中断，然后进行循环判键和计数脉搏数。②中断服务模块：实现基准定时，每满1秒就将计得的二进制脉搏数转换成十进制，并在数码管中实时显示出来；满30秒后读定时器/计数器T1中TL1的值，并进行两倍乘，即可得到每分钟脉搏数。中断服务流程图如图4所示。