基于51單片機脈搏儀的設計與分析測試

李 靜,楊春花

(山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同037009)

基于51單片機脈搏儀的設計與分析測試

李 靜,楊春花

(山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同037009)

脈搏儀的應用在醫療和居家生活中日漸廣泛，作為衡量健康指數的基本指標，脈搏測量的準確性是脈搏儀的重要特征。本設計以STC89C52單片機作為主控芯片，通過鍵盤設置上下限,將測量到的脈搏信號通過紅外傳感器及附加放大整形電路轉換為電信號，反饋給主控芯片，通過LCD1602顯示屏顯示脈搏次數。測量分析顯示，該設計在一定程度上實現了脈搏的測量，且準確迅速、數據便于記錄，同時也實現了脈搏值超過上（下）限時的報警提示。

脈搏儀;STC89C52;紅外傳感;LCD1602

脈搏作為衡量人體健康的基本指數之一，在醫療和生活方面受到廣泛關注，隨著科學技術的逐步提高，脈搏儀應運而生，相較傳統的診脈手法“心中易了，指下難明”的缺陷，脈搏儀具有快速、簡單、精確度高的優點。經調查和多方查證，目前市面上普遍使用的有指夾式脈搏儀和血壓儀，前者基于動脈搏動期間光吸收量的變化，通過微處理器計算出脈搏值，而后者則通過血液循環產生的壓力粗略測量脈搏值，這兩種脈搏儀都存在一定程度上的測量誤差、信號采集延誤等問題，并重復使用率低。

針對上述脈搏儀的缺點，本設計選用51系列單片機中的STC89C52為主控芯片，使用紅外光電傳感器采集脈搏信號，轉換成的電信號經過放大整形傳遞給單片機，單片機將信號進行累加得出脈搏值，可有效地降低儀器本身的誤差影響，且信號采集迅速，同時設計添加的時間設置部分，方便使用者在觀察數據的同時直觀的記錄測量時間。設計初期考慮到該脈搏儀的使用，附加了上下限設置模塊以及蜂鳴器報警模塊，在設計初始設置所需上下界限，當測量的脈搏值超過設置限度時，主控芯片會驅動蜂鳴器報警，方便了使用者對自身健康的督查。

1 設計簡介

1.1 系統原理結構

設計的系統總體由C52、鍵盤、顯示屏、光電傳感、時鐘模塊、運放部分來構成，整體結構框圖如圖1所示，本設計共有四個按鍵，可在測量前設置實際時間和上下限數據，當測量值超出所設置的限度時，系統會啟動蜂鳴器報警，在測量的時候，將手指平穩輕放在光電傳感器上，傳感器會把脈搏跳動的信號接收并轉換成系統所需的電信號，然后經過放大、整形之后傳回單片機將信號進行計數，最終把數據顯示在顯示屏上。

圖1 系統結構框圖

1.2 軟硬件設計

根據設計的整體框架結構，由單片機驅動其余五個模塊，開機后通過按鍵設置系統的上下限數值，之后開始測試，但設計的指脈信號采集是選用紅外光電傳感器來實現的，經查證人體指脈的信號尤為微弱，大約在 級別，單片機無法識別傳感器直接傳輸的信號，需在單片機和傳感器之間設計一個小型濾波模塊，該模塊采用LM358對采集到的脈搏信號進行相應倍數的放大及整形，轉換為單片機在可接收范圍內的電信號。之后，單片機會將接收的信號進行計算，得出的結果通過顯示屏顯示。而本設計具有的報警模塊，在脈搏數超過上下限范圍時會報警提示，但由于蜂鳴器本身的電流限制，無法被單片機直接驅動，只有加入PNP型的三極管才能實現低電平驅動蜂鳴器報警。

對設計所要實現的模塊及其功能選擇Protel簡單繪制原理圖，如圖2所示。

圖2 Protel原理圖

規劃系統流程，步驟如下：

(1)單片機上電開機，初始化各個參數。

(2)按鍵設置時間、上下限的數值。

(3)測試者將手指輕放到傳感器上進行信號采集。

(4)觀測顯示屏的測量值并記錄。

依照設計原理圖，根據測試步驟對設計進行電路的排版設計，并焊接，在焊接時需對各個模塊與單片機相連的引腳一一對應。實際電路設計排布如圖3所示。

圖3 實際電路設計

2 系統調試分析

該設計的系統是多功能的數字型程序，程序較為繁瑣，各個模塊的子程序諸多，且電路設計的工程龐大，模塊之間的交線較多，為了設計的整體流程，合理布局各個模塊，軟硬件的調試必不可少。

2.1 軟件調試

初步規劃設計的整體流程后，結合設計內容及要求編寫相應的c語言程序，之后將編寫好的c語言程序燒入STC軟件中，設置對應端口并連接設計單片機，并觀察結果是否正確。結果如圖4所示。結果正確后參照系統原理圖，在Proteus上錄入程序，比照設計要求，進行仿真并操作，觀察各項功能是否可以正常工作。仿真圖如圖5所示。

圖4 燒入結果圖

圖5 軟件仿真結果圖

調試成功后進行硬件調試。

2.2 硬件調試

調試鍵盤設置上下限，當所測得的脈搏值超過上下限值時，系統會驅動蜂鳴器報警。由于設置要求，只有加入放大電路后，蜂鳴器才能被驅動。由于捕捉到的人體脈搏信號會很微弱（數值約為IV級別）使得單片機無法接收，在調整相應的放大倍數后，對傳感器的輸出端進行波形檢測，可在示波器上觀測到不規則正弦波，且輸出的脈沖依舊微弱，在電路正常的前提下，再次提高放大倍數，調整放大器的電阻阻值。示波器測試結果如圖6所示。

圖6 示波器測試結果

2.3 調試結果分析處理

在設計調試過程中，完善軟件數據，降低了部分誤差，對附加模塊進行修改整理，將誤差最大化處理，觀測可知該設計可以正常實現各項功能，且測量精確，數據穩定，使用率大大提高。

3 測量結果及分析

3.1 實驗結果

設計前期已與市面上同類產品進行比較分析，避開共性誤差，并針對部分缺陷進行設計，旨在低成本高精度可長久使用。現選取10位測試者同時使用本設計和市面上的指夾式脈搏儀進行脈搏測量，記錄數據，并與使用聽診器測量值進行比較。實驗測試結果如表1所示。

表1 三種脈搏儀測量結果對比

本設計具有報警功能，在正常情況下蜂鳴器不會報警，只有在測量值超過開機所設置的上下限制時，才會驅動蜂鳴器報警，故而選取兩名在劇烈運動后的測試者進行測試。結果如表2。（當初始設置上限為120，下限為50。）

表2 蜂鳴報警情況測試

據表2的測試結果可知，2號同學測試時脈搏數已經超過所設置的限度，而實驗測試時蜂鳴器已報警。

3.2 實驗結果分析

根據表1、表2實驗結果分析可知，本設計在實際使用的時候數據相較實際值有一定的偏差，但相較同類產品，精確度已得到一定的提升。而且在時間的觀察確認以及上下限報警提示方面，具有可觀的優勢。對于設計中不可避免的誤差，對測量數據進行了必要線性補償。使用均方差公式對結果進行校準：

經校準后，測量值基本接近實際值，滿足設計要求。

4 結論

通過對調試和測量結果的分析可以看出，基于51單片機的脈搏測量儀在芯片選型上，極大的降低了對結果的誤差影響，在產品的使用率方面也有明顯的優化。對于使用過程中的數據偏差，則可由線性補償得到改善，極大的提高了測量的精確度，且在信號采集方面準確迅速。同時，設計具有的上下限設置和報警提示這一特點，優于同類產品，可在醫療和日常生活中廣泛使用。

[1]鄭爭兵.脈搏信號檢測儀的設計與實現[J].自動化儀表，2012,33(11):77-79.

[2]李洋.指尖脈搏信號檢測系統研究[D].長春:長春理工大學，2009.

[3]張家田,董秀蓮.單片機控制系統的設計與調試方法[J].現代電子技術，2002,25(9):4-7.

[4]林毅.基于AT89C51單片機構成的鍵盤顯示電路[J].現代電子技術，2006,29(13):93-94.

The Design and Analysis of Pulse Instrument Based on 51 Single Chip Microcomputer

LI Jing,YANG Chun-hua
（School of Physics and Electronic Science,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009）

The application of pulse instrument in medical and home life is increasingly wide,as a measure of the basic indicators of health index,the accuracy of the pulse measurement is an important feature of the pulse instrument.This design uses STC89C52 single chip microcomputer as the main control chip,the upper and lower limits of the keyboard.is.set.The measured pulse signal is converted to electric signal through infrared sensor and additional amplification shaping circuit,and feedback to the main control chip,and the pulse frequency is displayed by.the LCD1602 display screen.Measurement analysis shows that the design to a certain extent,to achieve the pulse of the measurement,and accurate and rapid,easy to record data.Also achieved a pulse value over the upper(lower) limit,the buzzer will alarm.

pulse instrument;STC89C52;infrared sensor;LCD1602

TN912.3

A

〔責任編輯 高彩云〕

1674-0874(2017)04-0021-03

2016-11-30

山西大同大學青年科研基金項目[2013Q8]

李靜(1986-)，女，山西大同人，碩士，助教，研究方向：語音編碼，信號處理。