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基于单片机的脉搏计设计
学生：丁超越 指导教师：孟浩
（安徽农业大学 信息与计算机学院 中国合肥 233036）
摘 要：本文介绍了一个基于STC89C52单片机的脉搏检测计数系统，该系统以STC89C52为核心，通过该单片机系统内部的定时器来计算时间，在使用时，光电传感器ST188感应然后产生信号，单片机STC89C52将经过放大滤波以及整形后的信号相加得到脉搏跳动次数。在该检测系统中，还接入了一个LED指示灯，可以通过观察灯的敏感闪烁可以确定测量值是否准确。经过对不同人群的分类检测，该系统工作运行正常，初步达到了在做本设计之前所预想的技术要求。整个系统首先利用红外传感器检测光电信号并将其转换成对应的脉冲信号，然后，将该信号通过整形电路，再经过一次放大电路从而达到对整形后的脉搏信号放大的目的，最后将转换完成的信号输入单片机内，经过处理后，便可以测出每分钟的脉搏跳动次数，并将结果显示在液晶显示屏上。一般来说，我们将10s测得的脉搏数乘6从而得到1min的脉搏数，从而达到减少时间，是整个测量系统方便快捷的目的。 关键词：脉搏测量仪，光电传感器，STC89C52，LCD显示器
1 引言
我国是一个有着悠久历史和丰富文化的国家。在历史遗产中，中医无疑是一件绚丽的瑰宝。在中医的理论中，四诊“望闻问切”是诊治疾病的首要程序，所谓“切”就是之摸脉象。世界上几乎所有的民族都有通过“切脉”来诊断疾病的历史，脉搏波在波形、波幅、波速和周期等方面提供出的信息在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理和病理与其相关的血流特征，随着人们生活水平的提高，我国的心脑血管疾病的发病率呈逐年上升趋势，其死亡率和致残率均居各种疾病之首，是人类死亡的主要原因之一。因此，脉搏测量工作无论在中医和现代医学上具有至关重要的地位。脉搏测量仪是一种可以快速便捷测量脉搏跳动次数的电子仪器，也是心电图仪的主要组成部分。除此之外，脉搏测量仪还在许多其他领域被广泛利用。如无创心血管功能检测、妊高症检测、脉率监测等等，在
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商业方面也在不断发展，例如iWatch的上市，智能手表与智能手环越来越进入我们的日常生活。众所周知，这些商品最大的卖点就是心率与脉搏的测算。通过观测脉搏信号的改变，可以及时有效的观察人体健康的变化。此类运动健身器材中心的心率测试都用到了先进的脉搏测量仪[1]。在本设计的测量过程中，由于脉搏跳动原因导致的血液投光新不同，既有脉搏时透光性弱，无脉搏是透光性强。传感器把得到的信号通过运放整形后输入单片机。在本系统中，单片机是核心器件，利用其内部的定时器来计算时间，光电传感器是感应器件，它将测得的信号放大整形后传输给单片机，最后累加信号得到脉搏跳动的次数。
2 设计思想
本系统设计主要实现的目标有：测量脉搏、观察脉搏、测算脉搏、显示脉搏等功能。
1) 测量脉搏：通过手指来测量感应脉搏跳动。
2) 观察脉搏：通过发光二级管的亮灭来显示脉搏的跳动规律。 3) 测算脉搏：通过计算得到1分钟内脉搏跳动的次数。 4) 显示脉搏：通过发光二极管吧脉搏跳动次数显示出来。
基于单片机STC89C52的脉搏计由电源电路、复位电路、STC89C52单片机、晶振、脉搏感应电路、信号处理电路、显示电路和观察脉搏跳动的发光二极管组成。
电源电路 复位 电路 单片机 脉搏 显示 电路
信号 处理 电路 信号 采集 电路 2
图2-1 本设计系统框图
3 系统硬件选择方案
本系统的总体设计由单片机、LCD1602、光电传感器ST188、运放模块等构成。 光电传感器 LM358 运算放大 单片机 LCD1602 显示 感应信号 图3-1 系统运行流程图
3.1 各模块的选择与论证
本设计的主要模块主要包括主控单片机模块、显示模块、传感器模块。下面对各个模块的选型进行初步论证。 3.1.1 单片机的选择
对于单片机的选型有两种初步方案。 方案一：
采用TI公司在1996年推向市场的MSP430系列单片机，该单片机具有16位超低功率的混合信号处理器，在它的内部集成了很多电路。包括模拟电路、数字电路、和微处理器，这些集成电路提供了非常强大的功能。但是它的价格比较昂贵，在一般的开发设计中不适合使用它[2]。 方案二：
采用51单片机系列。所有兼容Intel 8031指令系统的单片机统称为51单片机，此系列的单片机具有高的可靠性、低廉的价格、高性能已经无法解密等特点的高性能8为单片机，它具有32个IO接口。其中STC系列单片机可以实现在线编程、在线调试的功能。在程序下载与调试的过程中运用非常方便。
综上所诉，结合调试方便和性价比高的特点，本设计选用了方案二中的51系列单片机作为主控单片机模块。 3.1.2 显示模块的选择
在显示模块的选择中，有三种初步方案。 方案一：
采用三位数码管作为显示器，三位数码管可以以共阴和共阳两种显示方式作为区别。但是无论是共阴还是共阳，在接入系统时都需要连接限流电阻和7段译
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码74LS245的相对应驱动段。所以在调试时，存在许多障碍。 方案二：
采用由八行八列的发光二极管所组成的点阵式数码管，这种数码管对于显示文字来说，是非常合适的。但是价格相对昂贵，单纯的显示数字会显得过于浪费。 方案三：
采用LED数码管动态扫描。这种数码管对于显示文字来说，也是非常合适的。而且价格也相对便宜。采用动态扫描法，在与单片机进行连接时占用的单片机口线也相对较少。但也正是由于采用的是动态扫面法，所以需要借助74LS164进行移位，而74LS164在电路的调试过程中经常会出现很多问题。 方案四：
采用LCD液晶显示屏，总所周知，在显示大量文字、图形方面，液晶显示屏具有非常强大的显示功能。在本设计中，需要显示所测脉搏的数据和单位，液晶显示屏再合适不过，而且性价比相对较高。没有其他附加电路，这会给调试过程中带来许多方便。
综上所述有，综合显示多样清晰、调试简单快捷、价格可以接受的特点，本设计选用方案四中液晶显示屏中的LCD1602作为显示模块。 3.1.3 传感器的选择
提到测量脉搏，我首先想到的是中医的切脉，通过感知脉搏的震动来检测脉搏的脉象。于是想到了压力传感器。但在实际制作过程中，发现由于每个个体的身体状况不同，手腕处的皮肤状况也不相同，这就给压力传感器提出了巨大而苛刻的条件。经过很多次的尝试，还是无法解决由于个体不同而造成的传感器检测灵敏度不同的难题。后来孟浩老师提出采用光电传感器来检测人体脉搏信号的方案。上文提到，每个体由于年龄、性别、种族已经所从事的工作轻重不同，手腕处相应的皮肤状况也就不同。但是有一点，那就是皮肤组织都是相同的，其中手指组织由非血液组织和血液组织组成。非血液组织包括皮肤骨骼等，由于它们的光吸收率都是恒定的，在这里就不做探究了。对于血液组织，相对于动脉血，静脉血的搏动是非常薄弱的，在检测过程中把它忽略，单纯的认为光透过手指后的变化仅仅是因为动脉血的充盈造成的。因此，在恒定波长的光源照射下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号[3]。
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