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作者：宜宾职业技术学院 何卓霖 胡文钰 李泉旭

指导教师：彭永杰

 

　　作品简介

 

　　开发背景：

　　脉搏是反映人体健康信息的窗口，早在古代我国的祖先们就通过各种各样的脉诊，就可以对患者的身体状况有一个大概的了解，进而对症下药。我国传统中医学认为，通过脉诊可以了解到患者脏腑气血的盛衰，可以探测到病因，病位，预测疗效等。虽然脉诊具有简便、无创、无痛的特点并易为患者接受，但是这种测量脉搏的方法准确度不高 。为了将传统的中医药学发扬光大，促进脉诊的应用和发展，必须与现代科技相结合，实现更科学、客观的医疗诊断。因此我们运用了一些自身与课外所学的物联网的知识，设计了这个简单的“便携式脉搏测试仪”。

　　结构说明：

　　本设计主要是STC51单片机系列的IAP15F2K61S2芯片在脉搏测试系统中的应用。通过单片机实现了脉搏的测量系统，由光电传感器采集到脉冲信号，经过信号的放大、滤波和整形电路将输出的信号通过单片机的外部中断获取并最终在液晶上显示。下面就是本次设计的具体方案流程图：

　　

　　平台选型说明

 

　　单片机开发板STC15F2K61S2芯片为硬件平台

 

　　设计说明

 

　　功能说明：

　　本次作品结构简单，使用便携，主要可以通过在一段短时间内(10秒)测量人体的脉搏跳动次数来推算出这个人的脉搏跳动的次数，来检测一个人的健康程度。

　　设计方案：

　　1.核心控制芯片方案

　　本设计采用宏晶公司最新STC15单片机系列的IAP15F2K61S2芯片，具有高速，高可靠，超低功耗，超低价。超强抗静电，ISP/IAP在线可编程，而且还是增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，速度比普通8051快8-12 倍，而且还有61K字节片内片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上，它内部不仅有高可靠复位，还有8级可选复位门槛电压，彻底省掉外部复位电路。

　　

　　2.脉搏信号采集模块

　　要将脉搏跳动的生理信号转换为电信号，因此需要使用传感器来实现。而血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍，据此特点，采用光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号。反向偏压的光敏二极管，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。光电传感器的灵敏度高，易于操作,响应速度快，结构简单。故选用光电传感器。

　　(1) 光电传感器结构

　　结构如图3-1所示。

　　

　　(2) 光电传感器工作原理

　　检测原理是:当手指放在红外线发射二极管和接收三极管中间，由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的反射和衰减也是周期性脉动的, 于是红外接收三极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。手指放在光的传递路径中，血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生变化，因此和心跳的节拍相对应，红外接收三极管的电流也跟着改变，这就导致红外接收三极管输出脉冲信号。该电信号信号经放大、滤波、整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机的外部中断信号。单片机电路对输入的脉冲信号进行计算处理后把结果送到液晶显示，就可以知道脉搏的次数。

　　

　　3.脉搏信号放大模块

　　(1)放大器介绍

　　LM324系列采用两个内补偿、二级运算放大器， 是四运放集成电路，它采用14 脚双列直插塑料封装.它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图2-4所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-(-)为反相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相反;Vi+(+)为同相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相同。LM324 的引脚排列见图2-5。其中1、7、8和14脚输出，2、3、5、6、8、9、12和13输入，4脚为VCC，11脚为VEE和GND。

　　

　　由于LM324 四运放电路具有电源电压范围宽(3.0伏至32伏)、静态电流功耗小、可单电源使用、短路保护输出、共模范围扩展到负电源、价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。

　　(2)信号放大电路

　　按人体脉搏在运动后跳动次数达90次/分钟的计算来设计低通放大器，如图3-5所示。R6、C1组成低通滤波器以进一步滤除残留的干扰，截止频率由R6、C1决定，运放U1将信号放大，放大倍数由R6和R16的比值决定。

　　

　　4.信号整形模块

　　波形整形电路如图2-7所示，U2是一个电压比较器，C6、R7构成一个微分器，U3和C2、R7组成单稳态多谐振荡器，其脉宽由C2、R7决定。

　　该比较器的阀值电压可用R18调节在正弦波的幅值范围内，但是对R18的调节要求并不严格，因为U2的输出信号(波形如图3.6)经C6、R7的微分后总是将正、负相间的尖脉，冲加到单稳态多谐振荡器U3的反向输入端，不会造成很大的触发误差。

　　当有输入信号时，U3在比较器输入信号的每个后沿到来时输出高电平，使C2通过R7充电。大约持续20ms之后，因C2充电电流减小而使U3同相输入端的电位降低到低于反相输入端的电位(尖脉冲已过去很久)，于是U3改变状态并再次输出低电平。这长的脉冲是与脉搏同步的，并由红色发光二极管D3的闪亮指示出来。即发光二极管作脉搏测量状态显示，脉搏每跳动一次发光二极管就亮一次。同时，该脉冲电平通过R19送到单片机/INTO脚，进行对心率的计算和显示。

　　

　　5.液晶显示 显示模块

　　应用系统中，为了便于人们观察单片机的运行情况，常常需要用显示器显示运行的中间结果、状态等信息，因此显示器也是不可缺少的外部设备之一。

　　本设计的显示模块既可以用数码管，也可以用液晶 。而数码管虽然成本低廉、耗电少、但却不能显示文字，显示内容有限，也不能显示图形，应用有局限性，显示结果也很单调，不够明了。而相对于使用液晶来讲，液晶显示器不仅显示内容多，还可以显示各种图形，它的功能也几本包括了数码管的功能，另外它的显示也多种多样，显示类容也比较人性化，而且液晶的使用也较为普遍。所以本设计选择液晶显示。下面是JLX12864G-086-PC 液晶显示结构构图：

　　

　　6.整体电路

　　

　　作品特色

 

　　产品的先进性：

　　本产品完全采用最新IAP15F2K61S2单片机平台作为主控芯片设计简易脉搏测试仪，通过灵敏的传感器采集人体脉搏，短时间内显示测试结果。

　　产品的实用性：

　　该设计大大方便人们的日常生活，操作方便容易，测试时间短，社会效益明显，可行性强。

　　产品的创新性：

　　本设计创新点在于可以在短时间内实现对人体脉搏的测试，并能预警提示脉搏测量结果。

 

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2711