基于51单片机便携式心率测试仪的研究与设计(3)

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二极管，它的反向电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性，在一定光强范围内，光敏二极管的反向电流与光强呈线性关系。指端血管的容积和透光度随心搏改变时，将使光电三极管极管收到不同的光强，并由此产生的光电流均随之作相应变化。常用检测脉搏的光电传感器分为红外对管和红外放射管。

采用红外对管。将对管夹于手指端部，通过手指的血液浓度会随着心脏的跳动发生变化，红外对管对应的信号便会发生相应的变化，采集此信号经过放大，滤波，比较等处理便可以得到理想的信号。。

采用反射式的红外管。现在市场上的心率计普遍采用这种传感器来采集信号，因为此红外管接收和发射都在手指的同一侧，因此便不用考虑每个人手指情况不同所造成的麻烦。接收的是血液漫反射回来的光，此信号可以精确地测得血管内容积变化。

（2） 压电式传感器

目前常用的是一次性心电电极,它是用印刷方法制得的Ag/ Agcl传感器。这种传感器采用接扣与敏感区分离的方法,能明显的减少由于人体运动产生的干扰。电极的好坏对采集到的心电信号质量起着至关重要的作用,采用的电极应有贴力强,能紧附在人体表面,柔软、吸汗、极化电压低、导电性良好等特点。当选用电极传感器时,需要3个电极分别置于左右手和左腿,构成标准导联。临床上为了统一和便于比较所获得的脉搏信号,在检测脉搏信号时,对电极的位置,引线与放大器的连接方式都有严格的统一规定。

目前市场上有一种采用新型高分子压电材料聚偏氟乙烯研制的压电传感器,其灵敏度高,频带范围好,结构简单,便于使用。当手指前端受到轻微的压力时，可以感觉到手指前端在血压的作用下有一张一弛的感觉，将这个信号用传感器提取出来，转变为电信号，通过指脉的波形检测，就可以获得人体的脉搏信号。

（3） 集成传感器

当前,市面上有很多类型的集成心电传感器,其灵敏度高,集成度高,直接就可以反映出心率的变化,且已包含了滤波等抗干扰电路,波形经过放大可以直接处理使用。缺点是价格非常昂贵，一般均在五百元以上，就本次设计来说，考虑到经费以及锻炼自己的目的，不选择使用该型传感器。

（4）三种方案的优缺点比较 1）光电式

优点：灵敏度高，易于操作,响应速度快，结构简单。 缺点：外部光源的变化对测量结果的影响较大； 2）压电式

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优点：结构简单，实时性好，工作频带宽，应用电路简单，且价格低廉。 缺点：直接与人体相接触，容易因为人体肌肉的颤动等而产生干扰。并且容易受到外界其他信号的干扰。

3）集成式

优点:集成度高,包含了滤波,放大电路,可以直接输出信号,便于操作,有效的减少了各种干扰。

缺点:降低了本任务的难度,如果采用该传感器，只需将其直接接上单片机即可实现功能，且价格非常昂贵。

考虑到种种情况，结合本系统的设计要求以及经费的考虑，采用光电式传感器。

2.4.2单片机选择

AT89S51是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 2.4.3 显示部分

根据题目要求，设计出来的系统是可以设定报警的范围的。对显示部分采用以下方案：采用数码管。数码管具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，简单方便等特点。

2.5 整体方案

检测的基本原理：随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变。当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小；当血液流回心脏，组织的半透明度增大。这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。因此，本脉率计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的上述部位，并用装在该部位另一侧或旁边的红外光电管来检测机体组织的透明程度并把它转换成电信号。由于此信号的频率与人体每分钟的脉搏次数成正比，故只要把它转换成脉冲并进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目的。

本设计的结构如图2.1所示

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光电传感器 低通放大器 比较器和振荡器 数码显示电路 单片机 AT89C51 报警电路

图2.1 硬件框图

2.5 本章小结

本章主要介绍了常见的用于脉搏检测的三种传感器，并对这三种感器的优

缺点进行了比较。本设计采用的单片机芯片的型号是AT89S52，在本章主要介绍了它的一些特点。最后，给出了最终的设计方案和硬件框图。

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第3章 硬件电路设计分析

3.1 控制器

经过第2章的叙述已经确定了完成本设计所需要的主要元器件，所以

本章开始讲述基于单片机的便携式心率测试仪的设计的硬件电路的设计。

在这里，单片机要实现对脉搏信号的处理。为了能够在不到10s的时间内，测量出一分钟的脉搏，可以使用单片机的定时器来实现。在检测到第一个脉冲到达时，开启定时器，然后在下一个脉冲到达时，关闭计时器，如此就可以求得一次心跳所需要的时间，然后由该周期就可以得到一分钟的脉搏数。考虑到单片机要实现以上功能，选择使用AT89S51来构成电路。 3.1.1 AT89S51 简介

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 3.1.2 AT89S51 的特点

·兼容标准MCS-51指令系统及80S51引脚结构 ·4k字节可重擦写Flash闪速存储器 ·128 bytes的随机存取数据存储器(RAM) ·32个外部双向输入/输出（I/O）口

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·5个中断优先级、2层中断嵌套中断 ·2个全双工串行通信口 ·片内振荡器和时钟电路 ·2个16位定时／计数器 ·6个中断源

·看门狗（WDT）电路 ·全静态工作：0Hz-33MHz ·三级程序存储器保密锁定 ·可编程串行通道

·低功耗空闲和掉电模式

3.1.3 AT89C51 的结构

此次设计所使用的AT89S51 的封装形式是PDIP。如图3.1 所示。

图3.1DIP管脚图

AT89C51与51系列中各种型号芯片的引脚互相兼容。目前多采用40只引脚双列直插，如图3.1所示。 引脚按其功能可分为如下3类：

①电源及时钟引脚—－VCC、VSS；XTAL1、XTAL2；

②控制引脚—－RST/VPD、ALE/PROG、PSEN、和EA/VPP； ③I/O口引脚——P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口。

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