基于单片机的电子脉搏计的设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的电子脉搏计的设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。 要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF+、 REF：基准电压。 Vcc：电源，单一 +5V、 GND：地 [13]。 ADC0809 主要特性 ADC0809 主要特性： 8 路输入通道， 8 位 A/D 转换器，即分辨率为 8 位、具有转换 启停 控制端、时钟为 640kHz 时转换时间为 100μs，时钟为 500kHz 时130μs、单个 +5V 电源供电、模拟输入电压范围 0～ +5V，不需零点和满刻度校准、工作温度范围为 40～ +85 摄氏度、低功耗，约 15mW。 ADC0809 工作过程 首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。 此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。 START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。 下降 沿时启动 A/D 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。 直到 A/D转换完成， EOC 变为高电平，指示 A/D 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。 当 OE 输入高电平 时，输出三态门打开，转 换结果的数字量输出到数据总线上。 转换数据的传送 A/D 转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。 数据传送的关键问题是如何确认 A/D 转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。 为此可采用下述三种方式 确认 AD 转换是否完成 [12]。 1． 定时传送方式 对于一种 A/D 转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。 例如 ADC0809 在 时钟 频率 为 500kHz 时 转换时间为 128μs，相当于 12MHz 的MCS51单片机共 128 个机器周期。 可据此设计一个延时子程序， A/D 转换启动后即调用此子程序， 当 延迟时 间 到达时 ，转换 可以确定 已经完成了，接着就可进行数据传送。 2． 查询方式 毕 业 设 计 9 A/D 转换芯片 可以利用 表明转换完成的状态信号，例如 ADC0809 的 EOC端。 因此可以用查询方式， 查询 EOC 的状态，即可 判断 转换是否完成，并接着进行数据传送。 3． 中断方式 用转换完成的状态信号（ EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。 本设计采用单独通道，定时传送方式， ADDA、 ADDB、 ADDC3 位地址输入线接地，即选用 IN0 通道输入模拟信号，经 ADC0809 转换完成后将数字信号采用定时传送方式传入单片机进行数据处理，然后单 片机把数据经过 MAX232 电平转换后送入 PC机串口， PC机根据所接收的数据经过 VB 界面实时绘制波形。 ADC0809 与单片机接口电路 由于 proteus 仿真软件不支持 ADC0809 芯片 仿真， 所以 采用 ADC0808 芯片 代替 ADC0809，其功能特性与 ADC0809 芯片相同，软件仿真时采用 ADC0808 芯片，实际硬件电路中采用 ADC0809 芯片，无论是仿真还是实际硬件其与单片机接口电路相同， ADC0808 与单片机接口电路如图 34 所示： 图 34 ADC0808 与单片机 接口电路 由 图 接口电路可以看出： ADDA、 ADDB、 ADDC3 位地址输入线接地，即选用 IN0 通道，模拟信号通过 IN0 通道输入；时钟控制信号通过 CLOCK 端口毕 业 设 计 10 输入，时钟频率选择为 500kHz； A/D 转换启动脉冲输入端 START 与单片机的 口相连；数据输出允许信号输入端 OE 与单片机的 口相连，通过单片机的 与 端口控制 ADC0809 芯片。 当转换完成后数据通过 ADC0809 的OUT1～ OUT8 端口送入单片机的 ～ 进行处理。 ADC0809 与 PC 机连接 本设 计需要单片机与 PC机间实现实时通信， PC机内基本上都装有一个 RS232异步通信适配板，它的主要工作器件是可编程的 UART 芯片，从而可以使 PC机有能力与其他具有标准 RS232 串行通信接口的其他设备进行通信。 STC89C52 单片机本身具有一个全双工的串行口，但其串行口为 TTL电平，需要外接一个 TTLRS232电平转换器这样才能使单片机的串口与 PC 的 RS232 串行口进行连接，这样便可以组成一个简单的串行通信接口。 由于 PC 机的 RS232 逻辑电平与单片机的 TTL 电平不兼容，为了实现单片机与 PC 机的通信， 必须进行电平转换，因此本设计采用由美国 MAXIM 公司生产的MAX232 芯片，它是目前应用较为普遍的串行口电平转换器。 PC 机串口输出电压可高达 12V，若直接与单片机相连会烧坏芯片，所以要借助于 MAX232 芯片来进行相应的电平转换。 MAX232 芯片用 +5V电源供电，另外需要外接几个电容便可以完成从 TTL 电平到 RS232 电平的转换，仅仅需要连接 STC89C52 单片机的 RXD 和TXD 引脚便可以实现数据的传输 [12]。 MAX232 芯片与单片机和串口的电路连接图如图 35 所示： 图 35 MAX232 接口电路 在实际的焊接过程中一定要认真细心，在看好引脚序号和硬件引脚必须一致，否则当硬件焊接好后在调试过程中会遇到许多意想不到的问题，不仅需要花很长时间去检查究竟是哪个地方出错了，如何修改，事倍功半，效果很不理想。 毕 业 设 计 11 在调试硬件时串口老是接收不到数据，在经过多次修改程序与硬件电路检查后终于发现是 MAX232 与串口的引脚错接到引脚 8 导致了以后许多不必要的工作量，既浪费时间又浪费精力，所以说认真细心的态度是工作中所必需的。 传感器的选取 本设计中关键之处在于信号的采集，信号采集可以分为压电式信号 采集或光电式信号采集，由于光电信号采集相对误差较大，可控制度低且成本比较高。 于是本设计采用压电式传感器采取信号。 考虑到的压电式传感器有压电薄膜传感器、压电陶瓷片、 HK2020 系列的脉搏传感器、 MB4 型脉搏波传感器和 SC0073 微型脉搏传感器。 SC0073 微型动态脉搏微压传感器 的 主要性能指标 如下 ： 压力范围： ≤ 1Kpa 灵敏度： ≥ 非线性度： ≤ 1% 频率响应： 1~1000HZ 标准工作电压： 3V (DC) 扩充工作 电压： ~6V (DC) 标准负载电阻： 10K 扩充电阻： 5K~20K 外形尺寸： SC0073A X 由以上性能指标可以看出 SC0073 微型动态脉搏微压传感器 具有比较高的灵敏度，非线性比较好，频率响应范围很广，但 如果人体脉搏每分钟心跳少于 60 下，则有可能检测不到脉搏信号 ，扩充工作电压可以与单片机的工作电压相匹配，节省了另外独立的工作电源。 外形尺寸小巧轻便， 价格在 60 元左右。 总体来说，除了测量脉搏范围有一点儿不足外。 其他各方面的性能都值得考虑。 HK2020A 集成化脉搏传感器 性能指标如下： 电源电压： 3～ 12VDC 压力量程： 50～ +300mmHg 过载： 100 倍 输出高电平：大于 输出低电平：小于 HK2020A 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。 脉搏波动一次输出一正脉冲。 该产品 可 用于脉率检测，主要用于运动、健身器材中的心率测试。 其毕 业 设 计 12 灵敏度高、抗干扰性能强、过载能力大、一致性好，性能稳定可靠，使用寿命长。 价格在 100 元左右。 HK2020B 集成化脉搏传感器 性能指标如下： 电源电压： 5～ 6VDC 压力量程： 50～ +300mmHg 灵敏度： 2020uV/mmHg 灵敏度温度系数： 1104/℃ 精度： % 重复性： % 迟滞： % 过载： 100 倍 HK2020B 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、信号调理电路电路集成在传感器内。 主要应用于无创心血管测试，中医脉象诊断。 其 灵敏度高、抗干扰性能强、过载能力大、一致性好，性能稳定可靠，使用寿命长。 价格在 240 元左右。 HK2020C 集成化数字脉搏传感器 在 HK2020B 集成化脉搏传感器基础上增加了程控放大电路、基线调整电路、 A/D 转换电路、串行通信电路，使用户使用更方便、快捷。 性能指标同 HK2020B 集成化脉搏传感器。 价格在 480 元左右。 MB4 型脉搏波传感器主要性能指标如下： 1． 频率响应： ～ 35Hz 2． 灵敏度： 2mv/Pa ( 对于正常脉搏波信号，输出幅度可达 3～ 4Vp～ p) 3． 绝缘阻抗： 1000MΩ 4． 输出阻抗： 1KΩ 5． 体积： Φ2215mm 6． 电源电压： 5～ 9VDC MB4 型脉搏波传感 器 灵敏度很高、抗过载能力强、抗干扰性能优、 具有 操作简便等特点。 本传感器壳体内已配置放大器和输出阻抗变换器，可以很方便地与其它电路相匹配。 适用于心脏功能监测仪检测体表动脉搏动波形。 实际使用时往往不必再加其它放大环节 ， 可以直接送到 A/D 变换器等环节进行处理。 压电薄膜传感器与压电陶瓷片传感器价格低廉，但市面上很难找到卖家，从网上买又有最小订货量的限制， HK2020A 集成化脉搏传感器 与 SC0073 微型动态脉搏微压传感器 功能相近，但价格比后者高出许多。 HK2020B 集成化脉搏传感器 与MB4 型脉搏波传感器 相比， 价格比较高，但功能上却比后者差好多。 HK2020C 集成化数字脉搏传感器 虽然功能很强大，但同样价格也很高，从设计成本上考虑太奢毕 业 设 计 13 侈，不适合于 设计的应用。 HK2020 系列的脉搏传感器功能比较全，但价格非常高，在三四百元左右，MB4 型脉搏波传感器 功能上能与 HK2020C 集成化数字脉搏传感器 相媲美，价格比 HK2020B 集成化脉搏传感器 又低，具有 频率响应为 ～ 35Hz，且灵敏度高，内置放大电路，输出模拟信号可以直接送入 ADC0809 芯片处理，是相当理想的脉搏波传感器，价格在 200 元左右，而 SC0073 微 型脉搏传感器价格在 60 元左右，其频率响应为 1～ 1000HZ，也就是说如果人体脉搏每分钟心跳少于 60 下，则有可能检测不到脉搏信号。 综合考虑，人 的 心跳 频率范围在 0～ 240 次每分钟，而且 MB4 微型脉搏传感器性价比高，所以本设计采用 MB4 型脉搏波传感器作为采取脉搏信号的传感器。 在实际中 有很 高 很 精确测量范围 很 广，只需采用 MB4 型脉搏波传感器， 将采取的脉搏信号经过分压后直接送入 ADC0809 芯片即可。 MB4 型脉搏波传感器 为 压电式 脉搏传感器， 适用于心脏功能监测仪检测体表动脉搏动波形。 传感器 具有 灵敏度很高、抗过载 能力强、抗干扰性能优、操作简便等特点。 本传感器壳体内已配置放大器和输出阻抗变换器，可以很方便地与其它电路相匹配。 实际使用时往往不必再加其它放大环节， 可以直接送到 A/D 变换器等环节进行处理。 适合于腕动脉、颈动脉、下肢浅表动脉等不同部位的测量。 由 MB4型脉搏波传感器的频率响应可以知道测量脉搏范围为 10～ 2100次每分钟，足以实现日常生活中的应用，灵敏度高。 由于 ADC0809 芯片可处理电压为 0到 +5V，所以在传感器输出电压处采用分压方法以便于达到芯片处理电压要求，转换后的信号送入单片机后同样便于单片机的响应 与处理。 毕 业 设 计 14 4 软件程序设计 脉搏计数模块的设计 脉搏计数程序方案的选取 利用单片机的外部中断对外部信号脉冲进行计数的方法，编写相应的程序就可以计算出单位时间内外部信号的脉冲数，就可以得到输入信号的频率，即可以计算出相应的脉搏数，从而实现脉搏计数功能。 在测量信号频率的时候我首先采用的设计思路是： frq 的值为单位时间的脉冲数，单位时间设置为一秒，也就是信号的频率，设其数据类型为无符号的整型，其测量频率范围为 0 到 65535Hz。 12MHz，即机器周期为一微秒，利用定时器工作方式 1，可以获得最大到 的定时，为了计算方便则取每隔 50ms 产生一次定时中断。 当中断次数达到 20 次时即定时达到 1s。 这时计算 20 次定时中断时间内外部信号的脉冲数即可得到所输入信号的频率。 ，程序需要使用两个中断， T0 的溢出中断用于 50ms 的定时，外部中断 1 用来对 INT1 引脚上的脉冲进行计数，由于程序的主要任务是对脉冲进行计数，从而计算出频率，因此外部中断 1 的中断优先级应为最高。 ，用 frqc 表示脉冲数目，并且 frqc 应小于 frq，其数据类型为无符号的整型，主程序初始化时应。