基于51單片機的脈搏檢測儀設計

李志偉，張繪敏，趙戰國

(河南應用技術職業學院，河南 鄭州 450042)

0 引言

由于脈搏中含有十分豐富的健康信息，因此脈搏檢測從古至今都是醫學領域診斷病情的重要依據。近年來隨著科學技術的發展日新月異，脈搏檢測儀的技術也越來越先進，這就對脈搏測量儀的精度和準確度提出了更高的要求[1-2]。在以往的脈搏檢測儀設計中，多是采用接觸式傳感器，像指脈測量和耳脈測量等[3-5]。但是傳統的指脈測量方式雖然簡單方便，但由于指端汗腺較多，指脈測量部位經年累月的使用容易受到污染，從而造成檢測靈敏度下降[6-7]。

光在穿過人體組織與穿過血液時的穿透力差別很大，根據這個特點，采用光電傳感器來檢測脈搏信號。光電傳感器內部含有一個光接收器與光發射器，在工作時由于血液與人體組織透光率的差別，產生不同強度的電流，這就是初始的脈沖信號。由于脈沖信號比較微弱，需要設計電路將采集到的脈沖信號進行放大、濾波與整形，使信號由模擬量轉換成單片機可以識別的數字量輸入單片機內部。輸入信號經由單片機處理后，輸出在LCD1602液晶顯示屏和WT588D語音模塊上，完成對脈搏數目顯示和播報的功能。

1 脈搏檢測儀系統硬件設計

設計的硬件部分主要包括單片機最小系統電路、脈搏信號測量電路、濾波及放大整形電路、液晶顯示電路以及語音播報電路。脈搏檢測儀系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 脈搏檢測儀系統總體結構框圖

1.1 單片機最小系統電路設計

STC89C52是一個低電壓、高性能CMOS 8位單片機，具有體積小、價格便宜、運行穩定等優點。其最小系統電路主要由晶振電路和復位電路構成。晶振電路產生單片機所必需的時鐘頻率，為12 MHz。單片機的復位可以通過上電復位也可以通過上電之后按鍵key1復位，系統直接采用直流5 V電源供電。

1.2 脈搏信號測量電路設計

人體內心臟周期性地收縮和舒張使血液產生壓力，血液流進主動脈時使得主動脈周期性地收縮和舒張，血壓以波的形式在整個動脈網絡中傳播，這就形成了脈搏波[8]。由于人體組織的透明度比血液的透明度高得多，因此光對人體組織的穿透性遠遠大于對血液的穿透性，由此可以利用穿透性的不同來檢測脈搏波。人體部位中手指端包含有血液組織和非血液組織，當脈沖通過時，血液組織的光吸收量與非血液組織的光吸收量產生很大差值，再者手指端皮質薄、動脈多、易測量，因此選取手指端為本設計的脈搏檢測部位[9]。

本設計的紅外光電傳感器操作原理如圖2所示，將手指端放在紅外光電傳感器上，紅外發射二極管發出光線，發射到人體組織的光線被投射出去，發射到血液的光線被反射到紅外接收三極管上。當檢測到反射光時，也就檢測出心臟跳動的情況。

圖2 紅外光電傳感器原理圖 圖3 信號采樣電路

人體手指端脈搏信號采樣電路如圖3所示。光電傳感器ST188中紅外發射二極管發射出的光線角度會隨著電路中電流的強度發生變化，電流越大光線越強，檢測越精確。根據ST188的光電特性選取輸入的正向電流為20 mA，典型正向壓降為1.25 V，由于本設計的供電電壓為5 V，故紅外發射二極管端需要串聯電阻R3來分壓。經過大量的檢測與驗證計算，紅外光發射部分選取阻值為330 Ω的電阻R3來分壓，以保證其發射功率最為合適。圖中R4為光電三極管集電極的偏置電阻，這個電阻的作用主要是限幅，避免因輸出信號過大而造成失真現象，這里R4的取值選擇20 kΩ。該電路產生的信號經由光電三極管的集電極傳遞給下一級電路。

1.3 濾波及放大整形電路設計

濾波電路如圖4所示，由于采集到的信號比較小，而且需要隔斷直流信號保留交流信號來使前后電路的工作點互不牽連，因此采用電容耦合方式。又由于直接耦合效率高且信號不失真，由此本設計的濾波電路采用直接電容耦合的方式。電路中C4與R12組成耦合電路，可以將光電三極管集電極收集到的交流信號不失真地傳遞給下一級電路。由于脈搏信號比較微弱，因此需要濾除掉高頻率的雜波。電路中兩個RC電路R7、C5和R8、C6共同組成二階有源濾波電路，濾除高頻波，保留低頻波。濾波電路得到的低頻信號傳遞給下一級放大電路進行下一步處理。

圖4 濾波電路

放大整形電路如圖5所示。R10與R13同LM358中的引腳1、引腳2、引腳3組成的放大器共同組成負反饋放大電路，R9與R11同LM358中的引腳5、引腳6、引腳7組成的放大器共同組成施密特整形電路，同時R6與D1組成的電路可以實時顯示脈搏運動頻率。信號從LM358的引腳3處輸入，經第一個放大器處理后從引腳1處傳遞給引腳6處繼續處理。同時，當光電傳感器三極管導通時會引起集電極電壓下降，經濾波電路和放大整形電路后，放大器輸出瞬時低電平，發光二極管點亮。信號經過放大整形后變成單片機可以識別的方波，經由INT0口傳遞給單片機進行下一步運算。

圖5 放大整形電路

1.4 LCD1602液晶顯示電路設計

LCD1602的接線圖如圖6所示。由于引腳3接低電平，接低電平時對比度較高，為了避免產生“鬼影”，在引腳3處接電阻R1來降低對比度。引腳4、引腳5、引腳6分別接單片機P1口的P1.0、P1.1、P1.2，這三個口作為功能口對液晶屏進行控制。液晶顯示器的引腳7～引腳14分別接在單片機P0口的P0.0～P0.7，這8個口作為數據口實現字符的顯示。通過單片機程序對LCD1602各個引腳進行控制來實現其功能。

圖6 液晶顯示電路

1.5 語音播報電路設計

設計采用三線串口PWM輸出模式，三線串口模式由三條通信線組成，通過三線串口可以實現語音芯片的命令控制和語音播放。語音模塊電路如圖7所示，定義P01為數據端DATA，P02為片選端CS，P03為時鐘端CLK，單片機通過P01、P02、P03這三個引腳對語音芯片進行控制。RESET是復位端，在語音芯片工作時一直保持高電平。片選信號CS為低電平時喚醒語音芯片，開始接收數據，數據接收成功后觸發忙信號端BUSY發送數據。數據發送完成后，數據端DATA、時鐘端CLK、片選端CS都保持高電平。語音信號由PWM(+)和PWM(-)連接揚聲器發出。

圖7 語音模塊電路

2 系統軟件設計

整個系統功能是由軟件程序配合硬件電路共同實現的，軟件程序主要由主程序和子程序組成。主程序是整個軟件的核心，用來協調執行模塊和操作者的聯系；子程序用來完成檢測、計算。脈搏檢測主程序流程如圖8所示，定時中斷程序與INT中斷程序分別如圖9和圖10所示。

圖8 主程序流程 圖9 定時中斷流程

圖10 INT中斷流程

3 系統仿真與實物焊接

3.1 系統仿真

系統仿真采用Proteus軟件結合Keil C51共同完成，在Keil C51軟件中加載C語言代碼，生成HEX文件，在Proteus軟件中制作系統電路，仿真界面如圖11所示。

圖11 系統仿真界面

3.2 實物焊接與功能介紹

電路板實物圖如圖12所示。在檢測時，按下左下角按鍵給系統上電，LCD顯示屏亮起并顯示初始值，紅色發光二極管常亮；此時將手指輕輕放在右上部分的光電傳感器上，紅外發光二極管熄滅，而后跟隨心率閃爍，可以直觀看到脈搏的頻率；單片機開始計時并計數，計時結束后，脈搏數目在LCD屏上顯示并通過語音模塊播報，若檢測時發現信號不穩，可以按下復位鍵進行重新檢測。

圖12 焊接實物圖

4 結語

本設計主要是以51單片機為核心進行設計，并與其他輸入輸出電路以及信號整形電路連接來實現其功能。通過紅外光電傳感器采集到脈搏信號，將模擬信號轉換成可以被單片機識別的數字信號，再通過單片機的定時器中斷、外部中斷、計時等功能計算出脈搏次數，然后通過單片機發出信號在液晶屏上顯示這個數據，并且通過語音模塊播報這個數據。經過驗證，脈搏檢測儀具有操作簡單、使用方便、便攜快捷、性能穩定的特點，具有一定實用價值。