基于單片機的脈搏心率測量儀的開發(fā)與設(shè)計畢業(yè)論文.doc

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1、畢業(yè)設(shè)計(論文) 題 目： 基于單片機的脈搏測量儀的研究與設(shè)計 哈爾濱工業(yè)大學畢業(yè)設(shè)計（論文）摘 要在傳統(tǒng)的醫(yī)療檢測中，脈象檢測一直都起著非常重要的作用，人體的脈象包含著大量的人體的生理和病理方面的信息。脈診一直是醫(yī)生診斷疾病的重要手段之一，但受人為因素的影響很大。經(jīng)醫(yī)學觀察研究表明，人體手指末端含有豐富的毛細血管和小動脈，這些動脈和人體其他地方的動脈一樣，含有豐富的生理信息。由于光電脈搏檢測技術(shù)具有很高的絕緣性，且抗電磁等干擾能力強，可以對人體進行無損傷檢測。本文設(shè)計通過光電法對人體指尖的脈搏進行測量，并將測量信息送入單片機進行處理，最后通過數(shù)碼管將測量結(jié)果顯示出來。將對脈搏信號的檢測模塊，

2、脈搏信息的處理模塊，單片機，數(shù)碼管顯示模塊等電路集成在一塊電路板上，形成一個簡易的脈搏測量儀。這種測量儀具有精確度高，體積小，價格便宜，易于操作等特點，特別適合于個人使用和家庭使用，給我們的生活帶來極大方便，讓我們第一時間對自己的身體狀況有進一步的了解。關(guān)鍵詞：脈搏；光電傳感器；單片機；數(shù)碼管IVAbstract In the traditional medical testing，the pulse condition detection has been playing a very important roleThe pulse condition of the human body c

3、ontains a large number of physiology information and pathology information，the pulse examination has been being one of the important means for the doctor to diagnosis the illnessBut the man-made factors influence it very much，the medical observation research shows The end of the finger contains rich

4、 capillaries and small arteriesThese arteries and the other arteries of the body hold rich physiologic informationThe Photoelectric pulse detecting technology can test the body without damage owing to its high insulation and strong ability to resist the electromagnetic interferenceThis design in the

5、 text can survey the pulse of the finger tip through photoelectric method and transport the information to the microcontroller to do with itAt last，the result is showed by the digital tube When the electric circuit such as the detection module of the pulse signal，the processing module of the pulse i

6、nformation，SCM，digital tube are integrated in the board of electric circuit，it formed an simple pulse measuring instrument，this instrument has high accuracy，small, cheap，and easy to operateIt is especially suitable for personal use and family useIt brings great convenience to our life，so we can have

7、 a further understanding of our body conditionKey words: Pulse；Photoelectric transducer；SCM；Digital tube目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 研究的目的和意義11.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀21.3 設(shè)計內(nèi)容3第2章 課題方案論證42.1 采用壓電式脈搏傳感器42.2 采用光電式脈搏傳感器52.3 方案確定6第3章 硬件電路設(shè)計73.1 元器件介紹73.1.1 AT89C2051單片機73.1.2 LM324簡介103.1.3 7809和7805簡介113.2 整體電路分析133.

8、2.1 脈搏信號采集電路133.2.2 脈搏信號處理電路143.2.3 單片機控制顯示電路17第4章 軟件設(shè)計194.1 系統(tǒng)總體軟件流程194.2 整體程序設(shè)計19第5章 軟件仿真與系統(tǒng)實物225.1 Keil編譯軟件225.2 Protues軟件仿真265.2.1 Protues軟件簡介265.2.2 電路仿真275.3 PCB板生成295.3.1 Protel DXP 2004軟件簡介295.3.2 PCB板生成過程315.4 脈搏測量儀實物設(shè)計31結(jié)論34參考文獻35附錄1 37附錄2 38致謝41第1章 緒 論1.1 研究的目的和意義隨著社會的不斷發(fā)展，我們從工業(yè)化時代進入信息化時代

9、，這種轉(zhuǎn)變是社會發(fā)展的必然，在我們的現(xiàn)實生活中，隨著人們生活水平的不斷提高，健康飲食，健康生活越來越受到人們的重視。在我們的日常生活中，為事業(yè)為生活我們四處奔波，緊張的工作，勞累一段時間之后，我們都會擔心我們的身體會因為勞累過度等原因造成一定的損傷，這時候，我們會選擇去醫(yī)院做一個身體檢查，到醫(yī)院以后，醫(yī)生或者護士都會通過把脈、做心電圖、胸透等方法對我們的身體進行全面的檢查，通過分析脈象和心電圖來對我們的身體狀況作出判斷。于是在節(jié)假日的時候，都會有很多人去醫(yī)院檢查身體，由于人很多，需要排很長的隊，有時候都不一定能排上，加上昂貴的檢查費用，以至于不是每個人都能到醫(yī)院進行身體檢查。身體是革命的本錢，

10、也是我們生存的根本，我們每個人都想對自己的身體健康狀況有更加細微的了解，如何才能更加精確的檢查我們的身體狀況？怎么樣才能更加簡單的對我們的身體進行檢查？什么樣的檢查能讓我們花更少的錢？這都是我們應(yīng)該考慮的問題，能不能設(shè)計一種簡單的儀器，不僅操作簡單，價格便宜，還能精確檢測我們的身體狀況呢？人體心室周期性的收縮和舒張將導致人體主動脈的收縮和舒張，使血流壓力以波的形式從主動脈根部開始沿著整個動脈系統(tǒng)傳播，這種波稱為脈搏波。脈搏波呈現(xiàn)出的強度、狀態(tài)、節(jié)律和速率等方面的綜合信息，很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特性。人體的脈搏能準確的反映人體的健康狀況，通過對脈搏的測量，我們就能對自

11、己的身體有一個大致的了解，在中國很早就有通過把脈檢查人體健康狀況的研究，而中醫(yī)的脈相診斷技術(shù)就是脈搏測量在中醫(yī)上卓有成效的應(yīng)用，但是通過把脈對身體的檢查受人為因素影響比較大，而且精確度也不是很高。現(xiàn)在社會各界都提出一種叫做無創(chuàng)測量（noninvasive measurements）又稱為非入侵式測量或間接測量，其最重要的特征就是測量的探測部分不侵入人體內(nèi)，不會對人的身體造成損傷，通過對體表器官的檢測間接測量人體的生理和升華參數(shù)，醫(yī)學傳感器是獲取生物信息并將其轉(zhuǎn)換成易于測量和處理信號的一個關(guān)鍵器件。光電式脈搏傳感器是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器，充分利用了光的穿透性和不同物質(zhì)對光的吸收頻率的不

12、同的特點設(shè)計而成，通常對手指末端透光度的監(jiān)測，間接檢測出脈搏信號，光電式脈搏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、復(fù)精確度高、價格便宜、操作簡單、可重復(fù)使用等優(yōu)點。1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀目前，基于人們對健康的追求，國內(nèi)外越來越多的人都在致力于人體檢測器件的相關(guān)研究和開發(fā)，在解決人體無創(chuàng)傷檢測方面也取得了卓有成效的成就，在很多中外學者的研究論文中，都有對脈搏測量儀的相關(guān)研究和而且也取得了一定的突破。在他們的研究論文中也有對脈搏測量儀功能設(shè)計方面的很多重要突破的記載，而現(xiàn)在很多研發(fā)公司在脈搏測量儀產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)方面，也在不斷地創(chuàng)新，市面上多種多樣的測量儀相繼出現(xiàn)在世人面前。2011年，萬寶龍于日內(nèi)瓦高級

13、鐘表沙龍SIHH上推出全新Collection Villeret 1858系列Vintage Pulsographe款腕表，即復(fù)刻版測量脈搏計時表之意，以標志現(xiàn)代計時技術(shù)面世190周年紀念。在國外，針對脈搏信號檢測分析系統(tǒng)的研究比較早，發(fā)展比較快，也比較深入。早在80年代研制的液態(tài)傳感器就是利用將單位長度管段動脈內(nèi)血液體積隨時間變化量轉(zhuǎn)換成導電液柱體電阻的該變量來測量脈搏波形。自1969年Kawai發(fā)現(xiàn)PVDF薄膜（聚偏氟乙烯）具有明顯的壓電特性后，PVDF薄膜經(jīng)過幾十年的應(yīng)用和基礎(chǔ)研究，近年來被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械開發(fā)和研究中。早在1969年10月，世界上最先運用光敏器件開發(fā)光電傳感器的公司日

14、本神視株式社會正式成立，此后國外很多大公司越來越重視利用光電傳感器實現(xiàn)脈搏信息的無創(chuàng)傷檢測的研究。下面是收集一些資料：南朝鮮的PARKYE也曾研制脈象儀；日本田口賢惠曾研制“壓力、脈搏測定裝置”，代田文彥設(shè)計了“局部加壓型檢脈裝置”，Sony公司產(chǎn)生出脈搏記錄儀，藤田六郎研制出不接觸部位就能測出最大脈搏的光電管容積脈診儀，岡田藤用陶瓷性壓力感測器，開發(fā)出適合于浮、中、沉各壓力等級的原件，并用此傳感器描述了脈象對應(yīng)的脈搏圖形；美國LAUB博士曾研制用于針灸臨床新型無創(chuàng)脈搏記錄儀；英國人Marcy最早設(shè)計了以彈簧為動力的杠桿式脈搏傳感器，并記錄了橈動脈脈搏波1。在國內(nèi)，對脈搏信號監(jiān)測分析的研制和分

15、析處理方法研究上落后于以美國和德國為代表的西方國家，但隨著最近幾十年生物醫(yī)學的興起與發(fā)展，我們已經(jīng)逐步縮小與西方國家的差距，取得了很大的進步。下面是收集的一些資料：1998年國科技大學的朱國富等人研制了袖珍式脈搏測量儀，采用了光電傳感器采集脈搏數(shù)據(jù)2。1999年清華大學的金觀昌教授等人將PVDF薄膜用于多點脈搏波測試系統(tǒng)研制當中3；西北工業(yè)大學劉希的基于USB的多道生物醫(yī)學信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4；武漢大學袁志勇等人嵌入式脈搏檢測分析系統(tǒng)的研制5；東南大學楊序等人的脈搏數(shù)據(jù)采集器的研制6；北京中醫(yī)藥大學牛欣、楊杰等研制了壓力與B超整合的中醫(yī)診脈裝置，認為可以實時直觀觀察寸口橈動脈運動情況7；蘭州理工

16、大學張愛華等人基于動態(tài)圖像的多點脈搏信號檢測方法8；目前上海中醫(yī)藥大學湯偉昌研制了壓力式三探頭傳感器，以模擬中醫(yī)寸關(guān)尺取脈，并探討三探頭傳感器與單探頭傳感器以及三探頭傳感器之間信息提取的差別9；目前在國內(nèi)市場上得到認可、應(yīng)用較普遍的主要是上海中醫(yī)藥大學費兆馥教授為主要研究者，與復(fù)旦大學等單位聯(lián)合研制生產(chǎn)的ZM-1型單探頭中醫(yī)脈象儀，ZM-IIIc型智能脈象儀；上海醫(yī)藥大學與上海交通大學研制的TP-I型脈象數(shù)字化分析儀也已進入臨床檢測應(yīng)用。最近，日本學者又提出了以脈搏波傳導速度與血壓的相關(guān)性來間接測量血壓，用檢測分析脈搏波的方法估計液壓的課題，足見脈搏檢測的應(yīng)用有著良好的發(fā)展前景。1.3 設(shè)計內(nèi)

17、容此次設(shè)計主要采用光電式脈搏傳感器，以AT89C2051單片機和LM324芯片為主要核心對人體的脈搏進行檢測，并通過LED數(shù)碼管來顯示人體一分鐘的脈搏震動次數(shù)，本文主要完成以下幾項工作：（1）根據(jù)基本原理設(shè)計出總體的框圖。（2）了解每一個功能模塊，并設(shè)計出相應(yīng)子電路。（3）連接每個功能模塊并且生成總體電路圖。（4）根據(jù)硬件電路圖和所要實現(xiàn)的功能編寫軟件程序。（5）完成硬件調(diào)試和軟件仿真。（6）分析調(diào)試中遇到的問題并找到解決的方案。脈搏測量儀測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示：光電式脈搏傳感器脈搏信號調(diào)理模塊單片機處理模塊數(shù)碼管顯示模塊圖1-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第2章 課題方案論證選擇什么樣的脈搏傳感器

18、是這次設(shè)計的關(guān)鍵，目前很多公司和廠商都在致力于脈搏傳感器的研究，而且都有很成熟的技術(shù)，在功能上也有很多拓展，比如在檢測脈搏的同時還能檢測人體的體溫、血液含氧量、血紅蛋白含量等參數(shù)，而且傳感器內(nèi)集成了像信號放大器、濾波器、波形整形等電路，使得傳感器的精確度更高了，輸出的直接就是脈搏信號或者脈搏波信號，只需將傳感器界面接在示波器上，就能直接顯示出脈搏波形圖，使用極為方便，這樣的脈搏傳感器已被很多醫(yī)療器材所使用，甚至在很多健身器材上也有這樣的脈搏傳感器。市面上根據(jù)不同原理有多種多樣的脈搏傳感器相繼出現(xiàn)，其中出現(xiàn)做多的是壓電式脈搏傳感器和光電式脈搏傳感器，光電式脈搏傳感器根據(jù)利用的光的原理的不同有可以

19、分為透射式光電脈搏傳感器和反射式脈搏傳感器，這幾種傳感器是根據(jù)兩種不同的物理學原理設(shè)計制作而成，在性能上各具優(yōu)點，而且在技術(shù)上也很成熟，目前在很多人體檢測儀器中都有對這兩種傳感器的使用。在本次設(shè)計中，兩種傳感器都能達到設(shè)計預(yù)期的效果，即對脈搏的測量與顯示，但選擇不同的脈搏傳感器，會影響到后置電路的設(shè)計，在軟件設(shè)計方面也有所差別，現(xiàn)就針對兩種傳感器在本次設(shè)計中可能出現(xiàn)的影響進行方案論證。方案一是采用壓電式脈搏傳感器，方案二是采用光電式脈搏傳感器。2.1 采用壓電式脈搏傳感器1969年Kawai發(fā)現(xiàn)經(jīng)過高倍率拉伸和高電場下極化真空蒸發(fā)金屬電極后的PVDF（聚偏氟乙烯）薄膜具有明顯的壓電特性。經(jīng)過幾

20、十年的應(yīng)用和基礎(chǔ)研究，目前PVDF的性能已明顯提高，壓電電壓輸出常數(shù)g=174，是所有壓電體重最高的10。PVDF壓電薄膜是敏感的部件，作用是將微弱的低頻的脈搏壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，因壓電薄膜內(nèi)阻很高，而脈搏信號比較微弱，傳感器內(nèi)設(shè)置了前置電荷放大器，起作用是與PVDF壓電薄膜阻抗匹配，把輸入高阻抗變?yōu)榈妥杩馆敵?。二是將微弱電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大。由于基線漂移、人體活動、工頻干擾等因素的影響，脈搏信號具有很大的噪聲，傳感器還進行了去噪設(shè)計，使用了一個低通濾波電路吧高頻噪聲和工頻干擾濾除，是脈搏信號有效成分全部通過11。壓電式脈搏傳感器是采用壓電陶瓷通過脈搏的跳動來實現(xiàn)對脈搏信號的采集的，隨著

21、人體心臟的跳動，人體手腕的脈搏和頸部的脈搏搏動比較明顯，將壓電式脈搏傳感器通過橡膠帶將其緊貼在手腕或是頸部，當脈搏跳動時，壓電陶瓷片便會產(chǎn)生相應(yīng)信號，壓電傳感器將測得的信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號并對該信號進行整形、放大、濾波，最后送入顯示器件進行計數(shù)和顯示，就能對脈搏進行實時的檢測。目前市面上的這種傳感器還加入了體溫測量功能，能在檢測人體脈搏的同時檢測人體的體溫。目前被人們使用最多的是壓電式的HK-2000系列的傳感器，其外觀如圖2-1所示，這種傳感器是典型壓電式傳感器的代表，該種采用高度集成化工藝將力敏元件(PVDF壓電膜)、靈敏度溫度補償元件、感溫元件、信號調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)。壓電式原理采集信

22、號，模擬信號輸出，輸出同步于脈搏波動的脈沖信號，脈搏波動一次輸出一正脈沖。該產(chǎn)品可用于脈率檢測，如運動、健身器材設(shè)備中的心率測試1213。圖2-1 HK-2000脈搏傳感器2.2 采用光電式脈搏傳感器根據(jù)朗伯-比爾（Lamber-Beer）定律，物質(zhì)在一定波長處的吸光度和它的濃度成正比。當恒定波長的光照射到人體組織上時，通過人體組織吸收、反射衰減后測量到的光強將在一定程度上反映了被照射部位組織結(jié)構(gòu)特征14。人體脈搏主要是由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生的，人體組織半透明度會隨著心臟的跳動而隨之改變。當血液因心臟收縮而送到人體組織時，人體組織的半透明度會減??；當血液因心臟舒張而流回心臟時，人體組織半的透

23、明度會隨之增加。經(jīng)醫(yī)學臨床研究發(fā)現(xiàn)，在人體手指指尖組織中，分布著大量的毛細血管，動脈成分含量高，而且指尖相對于人體其他組織而言的厚度相對比較薄，透過手指后檢測到的光強相對變化比較大，加上手指比較靈活，檢測起來比較方便，因此通常選擇人體指尖作為光電式脈搏傳感器的測量部位來測量人體的脈搏數(shù)。在醫(yī)學上把手指組織分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織兩部分，研究表明，非血液組織對的光吸收頻率是恒定不變的，在血液中，靜脈血的搏動情況相對于動脈血而言是十分微弱的，測量時可以忽略不計，因此動脈血的充盈被認為是引起光透過手指后強度變化的主要原因，那么在恒定波長光源的照射下，通過檢測透過手指的光強變化可以間

24、接測量到人體的脈搏信號。光電式脈搏傳感器充分利用了光的特點，結(jié)構(gòu)比較簡單，由一個光源和一個光敏器件組成，操作簡單，只需將手指放入光源和光敏器件中間，光會穿透人的手指被光敏器件檢測到，血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比在血液中的穿透性高出幾十倍，根據(jù)這個特點，光電式脈搏傳感器采用的是透射式光電效應(yīng)對手指進行脈搏信號的拾取，這里使用的光敏器件是加了反向偏壓的光敏二極管，這種光敏二極管的反向電流具有隨光照強度增加而增加的光電效應(yīng)特性，在一定的光照強度范圍內(nèi)，光敏二極管的反向電流與光照強度呈線性關(guān)系，人體的皮膚、肌肉、骨骼對光的吸收頻率是恒定不變的，而人體血管中的血液濃度會隨著心臟的

25、跳動而呈周期性的變化，光源和光敏二極管分別放置在手指尖端的兩側(cè)，光源發(fā)出的光照射到指端，當指端血管的血液容積和透光度隨心搏的改變而改變時，另一端的光敏二極管接收到的光照強度也會隨之發(fā)生改變，使得光敏二極管產(chǎn)生的光電流也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，由于心臟跳動是呈周期性的，因此血管中的血液濃度也會呈周期性的變化，由此光敏二極管接收到得光照強度也呈周期性變化，光敏二極管將會產(chǎn)生脈沖電信號，這種脈沖電信號信號通過信號的放大、檢波、濾波最后通過傳輸設(shè)備傳入單片機進行相應(yīng)處理和A/D轉(zhuǎn)換，最后通過傳輸設(shè)備傳入數(shù)碼管和播報器顯示出測量結(jié)果。2.3 方案確定壓電式脈搏傳感器功能比較全面，技術(shù)也比較成熟，應(yīng)用比較廣泛，目

26、前已經(jīng)被應(yīng)用于很多領(lǐng)域，但就其操作復(fù)雜，一個人很難實現(xiàn)對自己的脈搏進行測量，而且輸出波形只有專業(yè)醫(yī)師通過分析之后才能對人體健康狀況作出判斷，所以很少用在家用電器中，只有在體育器材或是醫(yī)院的大型專業(yè)醫(yī)療器械才能用到。而且這種傳感器的體溫檢測功能在本次設(shè)計中沒有得到體現(xiàn)，且它的價格比較昂貴。光電式脈搏傳感器是當今世界比較先進的脈搏傳感器，由于剛被人們使用，技術(shù)不是很成熟，是一項新興的光電技術(shù)，還有很多方面需要完善，目前被應(yīng)用的并不是很多，但其結(jié)構(gòu)比較簡單，只需一個光源和一個光敏器件就能實現(xiàn)，操作簡單，只需將手指放于光源和光敏器件之間就能實現(xiàn)對脈搏的測量，可以用于個人使用和家庭使用，這種傳感器可以自

27、己完成制作且容易實現(xiàn)，不需要花太多的錢去買，精確度高。考慮到以上諸多因素，本課題采用光電式脈搏傳感器。光電式脈搏傳感器結(jié)構(gòu)比較簡單，制作工藝容易實現(xiàn)，所以本文自行設(shè)計的光電傳感器我來進行脈搏的測量。45 第3章 硬件電路設(shè)計3.1 元器件介紹3.1.1 AT89C2051單片機AT89C2051是一個CMOS 8位單片機，具有高性能、低電壓的特點，其片內(nèi)含2Kbt的可反復(fù)擦寫的只讀Flash程序存儲器（ROM）和128 bt的數(shù)據(jù)存儲器（RAM）。美國ATMEL公司采用了高密度、非易失真性存儲技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)而成，它兼容標準的MCS-51單片機指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元

28、。AT89C2051單片機技術(shù)比較先進，功能也比較全面，其采用了20引腳封裝技術(shù)，15個雙向I/O口線，其中P1口是一個完整的8位雙向I/O口，此外還有兩個外中斷口、一個模擬比較放大器、兩個全雙向串行通信口、兩個16位可編程定時/計數(shù)器。AT89C2051與其它單片機相比有一個特殊點就是它的時鐘頻率可以為零，可以通過軟件設(shè)置睡眠系統(tǒng)，能有效的節(jié)省電能，當單片機進入睡眠狀態(tài)時，可以通過RAM、定時/計數(shù)器、串行口和外中斷口等系統(tǒng)喚醒方式將其喚醒，系統(tǒng)被喚醒后就會進入繼續(xù)工作狀態(tài)，接著睡眠前得工作狀態(tài)繼續(xù)工作。在省電模式中，單片機所有將會功能停止工作，直至系統(tǒng)被硬件復(fù)位喚醒后方可繼續(xù)運行。（1）A

29、T89C2051引腳簡介，引腳圖如圖3-1所示。圖3-1 AT89C2051引腳圖 VCC：電源端口。 GND：接地端口。 P1口：P1口是一個完整的8位雙向I/O口。引腳P1.0和P1.1在接外圍元件時必須設(shè)置外部上拉電阻，引腳P1.2P1.7上拉電阻由單片機內(nèi)部提供。P1.0和P1.1還可以分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入端(ANI0)和反相輸入端(AIN1)。P1口輸出緩沖器可吸收20mA電流并能直接驅(qū)動LED進行數(shù)碼顯示。當P1口引腳寫入“1”時，就可用作輸入端，當引腳P1.2P1.7用作輸入并被外部設(shè)備拉低時，它們將因內(nèi)部的上拉電阻作用而輸出電流。 P3口：P3口的引腳P3.0P

30、3.5和P3.7是七個雙向I/O口，它們都帶有內(nèi)部上拉電阻。P3.6作為一通用I/O引腳，不但可以訪問還可以用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號。P3口緩沖器可吸收20mA的電流。當P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時，P3口被外部拉低時將被上拉電阻作用而輸出電流。P3口還用于實現(xiàn)AT89C2051的其他功能，其第二功能如表3-1所列：表3-1 P3口第二功能表引 腳功 能 P3.0RXD串行輸入端口 P3.1TXD串行輸入端口 P3.2INT0外中斷0 P3.3INT1外中斷1 P3.4T0定時器0外部輸入 P3.5 T1定時器1外部輸入（注：P3口還接收一些用于

31、閃速記憶體編程和程序校驗的控制信號。） RST：復(fù)位輸入引腳。當RST變成高電平時，單片機所有的I/O口引腳就被復(fù)位到“1”。振蕩器正在運行時，持續(xù)給RST引腳兩個機器周期的高電平便可完成復(fù)位。每一個機器周期需12個時鐘周期。 XTAL1：用作反相器、振蕩器和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端口。 XTAL2：反相放大器和振蕩器的輸出端口。（2）AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu)RAM地址寄存器PEROMRAM程序地址寄存器VCCGND堆棧指示器ACCB寄存器緩沖器TM2TM1PC增量器程序計數(shù)器ALU中斷、串行端口與定時器單元PSWRST指令寄存器同步與控制DPTR端口2儲存端口1儲存振蕩器端口3驅(qū)動端口1驅(qū)動

32、圖3-2 AT89C205內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖AT89C2051是帶有2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器（EEPROM）微處理器。它采用ATMEL的高密非易失存儲技術(shù)制造，并能和標準MCS-51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。通過在單塊芯片上組合通用的CPLI和閃速記憶體，ATMEL的AT89C2051是強勁的微型處理器，它對許多嵌入式控制應(yīng)用提供一定高度靈活和成本低的解決辦法。 AT89C2051具有以下標準功能：2K字節(jié)閃速記憶體，128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器RAM，15個雙向I/O口，兩個16位定時器，一個兩級五矢量中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行接口，一個精密模擬比較器以及兩種可選的軟件節(jié)電工作方式?？臻e方可以停止CPU

33、工作但允許定時器/計數(shù)器、程序存儲器RAM、中斷系統(tǒng)和串行工作口繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM內(nèi)容但振蕩器停止工作并禁止所有其他部件的工作直到下一個硬件復(fù)位15，16。3.1.2 LM324簡介LM324系列器件是帶有真差動輸入的四運算放大器。其價格便宜，與單電源應(yīng)用場合的標準運算放大器相比，具有很多優(yōu)點。該四運算放大器工作電壓跨度較大，可以在低到3.0伏或者高到32伏的電源電壓下正常工作，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖3-3所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信

34、號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源輸入端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-為反相信號輸入端，表示該輸入端與運放輸出端Vo的信號的位相反；Vi+為同相信號輸入端，表示該輸入端與運放輸出端Vo的信號的相位相同。LM324采用14腳雙列直插塑膠封裝，引腳排列如圖3-4所示：圖3-3 運算放大器圖3-4 LM324引腳圖 由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，可單電源使用，靜態(tài)功耗小，價格便宜等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在各種放大電路中。 參數(shù)描述：運放類型-低功率；放大器數(shù)目-4；帶寬-1.2MHz；針腳數(shù)-14；工作溫度范圍-0-70；封裝類型-SOIC；3dB帶寬增益乘積-1.2

35、MHz；變化斜率-0.5V/s；增益帶寬-1.2MHz；電源電壓范圍-V-32V；運放特點-高增益頻率補償運算。LM324的特點：（1）短路保護輸出；（2）真差動輸入級；（3）可單電源工作：3V-32V； （4）低偏置電流：最大100nA；（5）每封裝含四個運算放大器；（6）具有內(nèi)部補償?shù)墓δ埽?（7）共模范圍擴展到負電源； （8）行業(yè)標準的引腳排列； （9）輸入端具有靜電保護功能。3.1.3 7809和7805簡介（1）7089簡介7809系列為3端正穩(wěn)壓電路元器件,采用TO-220封裝技術(shù)，可以為不同的元器件提供不同的固定輸出電壓，從而在電路設(shè)計方面得到了廣泛的應(yīng)用。芯片內(nèi)部內(nèi)含有過熱、超

36、載和過流保護電路。當帶有散熱片時，輸出電流可達1A左右。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但外接元件的不同，可獲得不同的輸出電流和電壓。7809外形引腳圖如圖3-5所示，三個引腳從左到右依次是輸入引腳（INPUT）、接地引腳（GND）、輸出引腳（OUTPUT）。圖3-5 7809外形引腳圖7809主要特點：輸出電流為1A；輸出電壓為9V；具有過熱保護、短路保護、輸出晶體管SOA保護等功能。7089各參數(shù)極限值： VI輸入電壓(VO=518V) 35V RJC熱阻（結(jié)到殼）5/W RJA熱阻（結(jié)到空氣）65/W TOPR工作結(jié)溫范圍 0125 TSTG貯存溫度范圍 -65150（2）7805簡介7805是一個

37、輸出正5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采用集成穩(wěn)壓器7805，C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，RL為負載電阻。當輸出電流較大時，7805應(yīng)配上散熱板。7805外形引腳圖如圖3-6所示，其引腳從左到右依次為輸入引腳（INPUT）、接地引腳（GND）、輸出引腳（OUTPUT）22，23。圖3-6 7805外形引腳圖7805電參數(shù)如表3-2所示：表3-2 7085電參數(shù)表 參數(shù)符號測試條件最小值典型值最大值單位輸出電壓VoTj=254.85.05.2V5.0mA1o1.0APo15W ，Vi=7.5v-20v4.755.005.25V線性調(diào)整率VoTj=25，Vi=7.5V-25V4.010

38、0mVTj=25，Vi=8V-12V1.650mV負載調(diào)整率VoTj=25lo=5.0mA -1.5A9100mVTj=25lo=250mA-750mA450mV靜態(tài)電流IQTj=255.08mA靜態(tài)電流變化率IQlo=5mA-1.0A0.030.5mAVi=8V-25V0.30.8mA輸出電壓溫漂Vo/Tlo=5mA0.8mV/輸出噪音電壓VNf=10Hz-100KHz，Ta=2542V紋波抑制比RRf=120Hz，Vi=8V-18V6273dB輸入輸出電壓差Volo=1.0A，Tj=252V輸出阻抗Rof=1KHz15m短路電流1SCVi=35V，Ta=25230mA峰值電流1PKTj=2

39、52.2A3.2 整體電路分析本次設(shè)計為單片機控制數(shù)碼管顯示型便捷式脈搏測量儀，硬件整體電路如圖3-7所示。整個電路圖可以分為脈搏信號采集電路、脈搏信號處理電路和單片機控制顯示電路三部分組成。圖3-7 硬件整體電路圖3.2.1 脈搏信號采集電路脈搏采集由自制光電式脈搏傳感器電路實現(xiàn)，主要由紅外線發(fā)射二極管D1和紅外光電管Q1兩部分組成，其電路如圖3-8所示。圖3-8 脈搏采集電路圖 脈搏信號采集的基本原理：在人體心臟的不斷地跳動過程中，人體各個組織的半透明度會隨著心臟的跳動而發(fā)生改變，當血液被送到人體的組織時，人體組織的半透明度會減??；當血液流回到心臟時，人體組織的半透明度會隨之增大。這種現(xiàn)象

40、在人體較薄的組織或器官中表現(xiàn)得最為明顯，比如在人體的指尖和耳垂等部位。我們都知道，光具有很多重要的性質(zhì)，其不同的性質(zhì)在不同的場合得到了不同的運用，這里運用了光的穿透性和不同物質(zhì)濃度對光的吸收頻率的不同的特點，利用這兩個特點，將紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光照射到人體的手指或耳垂等比較薄的部位，然后將裝在該部位另一側(cè)或旁邊的紅外光電管來檢測被測機體組織的透明程度并把它轉(zhuǎn)換成電信號。光穿透了手指和被手指中的血液吸收了一部分，由于手指中的血液濃度隨心臟的跳動而改變，引起了手指的透明度的改變，因此紅外光電管接收到得光會隨血液濃度也就是手指的透明度的改變而改變，而手指中血液濃度是隨心臟的跳動而改變的，也就是

41、光電管接收到得光信號是隨心臟跳動的改變而改變得，接收到的光信號被轉(zhuǎn)換成的電信號也隨光信號的改變而改變，因此此信號的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比，所以只要把它轉(zhuǎn)換成脈沖并進行整形、計數(shù)和顯示，就能實現(xiàn)實時檢測人體脈搏次數(shù)的目的。這里之所以使用紅外發(fā)光二極管，是因為通過實驗檢測得到,當采用紅外發(fā)光二極管用作照射光源時，基本上可以抑制由于人在呼吸運動過程中造成的脈搏波曲線的漂移。由于脈搏信號的檢測是以光電檢測技術(shù)為基礎(chǔ)的，因此很容易受到周圍雜散光、暗電流等各種干擾的影響。為了克服這一問題本系統(tǒng)采用脈沖振幅光調(diào)制技術(shù)。脈沖調(diào)制傳送的是調(diào)制信號的采樣值，只要采樣頻率是奈奎斯特采樣頻率，就可以用采樣脈

42、沖來恢復(fù)原來的脈搏信號，而不會導致信號失真。3.2.2 脈搏信號處理電路為了從脈搏信號中得到有關(guān)人體的生理、病理信息，需要對采集的脈搏信號進行處理。首先在采集脈搏信號的過程中，由于儀器、人體活動等因素而是采集的信號常伴有各種干擾，包括人體呼吸和手指抖動引起的基線漂移、肌肉緊張引起的干擾以及工頻干擾等。因此對采集到的脈搏信號進行處理是一項極其重要的工作。脈搏信號處理電路如圖3-9所示。該部分電路主要由信號抗干擾電路模塊、信號整形電路模塊兩個主要的電路模塊組成。圖3-9 脈搏信號處理電路其中R15與C1和LM324_a共同構(gòu)成了信號抗干擾電路組，它們分別承擔了對信號的殘余高頻干擾的濾除、干擾光線的

43、光電隔離、低通濾波等任務(wù)。另外，LM324_b、C2與R16、LM324_c則共同組成了信號整形電路模塊。脈搏信號處理電路工作原理如下：首先，由于正常人體脈搏一般在50次/分200次/分之間（當人進入睡眠狀態(tài)時脈搏一般在50次/分左右；當人體進行激烈的運動過程中，脈搏會達到200次/分左右），其所對應(yīng)的脈搏波的頻率范圍通常在0.78Hz3.33Hz之間，因此經(jīng)紅外檢測采集并轉(zhuǎn)換得到的電信號頻率往往非常低。為了防止信號因外界高頻信號干擾而導致檢測結(jié)果出現(xiàn)誤差，因此，必須先將信號進行低通濾波處理，以便能使絕大部分的高頻干擾被濾除。然后，考慮到在脈搏測量儀的使用過程中存在發(fā)光物體，如日光、白熾燈光和

44、其他放光物體的作用，因此它必然會受到強光輻射的干擾。為了避免在接收正常脈搏紅外線時受到強光輻射的干擾，電路中設(shè)計使用了雙極性耦合電容C4構(gòu)成一個非常簡單的光電隔離電路，從而使干擾光線得到了較為有效的隔離。另外，為了防止前面對于高頻干擾的濾除過程不夠徹底影響到后面的電路的實現(xiàn)，電路中還設(shè)計連接了由LM324_a、R15、C1組成的截止頻率為10Hz左右的低通濾波器電路，以便進一步濾除干擾，同時將前面的檢測到得脈搏信號放大200倍左右。經(jīng)前面處理后得到的信號為疊加有噪聲的脈沖正弦波信號，接下來的工作就是要對這個信號進行整形處理，以便于后面的顯示。首先是通過比較器LM324_b將此正弦波轉(zhuǎn)換成方波。

45、通過調(diào)節(jié)滑動變阻器R21的阻值就可以實現(xiàn)將比較器的閾值調(diào)定在正弦波的幅值范圍之內(nèi)。接下來，從LM324_b的7引腳輸出的方波信號經(jīng)C5、R17構(gòu)成的微分電路進行微分處理后就能得到正負相間的尖脈沖信號。為了加強輸出脈沖的穩(wěn)定性，在電路的電路設(shè)計過程中是將此脈沖輸入到單穩(wěn)多諧振蕩器LM324_c的反相輸入端，并利用LM324_c的輸出脈沖來作為后極單片機工作的實際使用脈沖。LM324_c在工作時，一旦有信號輸入，它會在輸入信號后沿到來時輸出一個高電平，從而使C2通過R16進行充電。時間大約持續(xù)20ms，LM324_c同相輸入端的電位會因C4充電電流減小而降低，當此電位低于反相輸入端的電位時(尖脈沖

46、已過去很久)LM324_c就將改變狀態(tài)并再次輸出低電平。這20ms的脈沖時間是與脈搏脈沖同步的，這種脈沖在電路工作時是與紅色發(fā)光二極管D2的閃爍情況相對應(yīng)的。經(jīng)過LM324_c之后的脈沖就是后面單片機控制電路所需的實際脈沖，通過R27送到單片機P3.3引腳后，就可實現(xiàn)后面的計數(shù)和顯示了。LM324_a、LM324_b、LM324_c工作所需的4.5V電源電壓，在電路中是通過R12、R13對9V分壓并經(jīng)LM324_d緩沖而得到的。這樣的設(shè)置，就使得即使電源電壓降低到6V，本電路也能實現(xiàn)正常工作。3.2.3 單片機控制顯示電路此部分電路主要由AT89C2051單片機、7段4位數(shù)碼管顯示器、12MH

47、z的晶振電路以及復(fù)位電路等幾個部分組成。電路主要完成的工作是對于前面采集處理得到的脈搏信號進行計算和顯示。單片機控制顯示電路如圖3-10所示：圖3-10 單片機控制顯示電路P3.3引腳經(jīng)過前面脈搏信號采集電路和脈搏信號處理電路得到的脈搏信號輸入到單片機中。單片機被設(shè)置為負跳變中斷觸發(fā)模式。因此，每次脈沖下降沿到達單片機時，單片機就會被觸發(fā)并產(chǎn)生中斷進行計時；而當下一次脈沖的下降沿到達時，單片機就對兩次脈沖間的時間間隔進行運算，運算的結(jié)果就是心率。這個結(jié)果值，將通過P1口傳送到7段4位數(shù)碼管顯示芯片的數(shù)據(jù)端口，最后被顯示出來。數(shù)碼管顯示的數(shù)字就是人體一分鐘的脈搏次數(shù)。這部分功能主要是通過軟件調(diào)試

48、來實現(xiàn)的。第4章 軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)總體軟件流程本次設(shè)計的主體部分主要由硬件實現(xiàn)，軟件部分的主要作用在于開機初始化單片機，一分鐘方波個數(shù)的客觀計算，數(shù)碼管動態(tài)掃面顯示等。程序流程圖如圖4-1所示。主程序開始系統(tǒng)初始化開中斷10s接收不到脈搏信號，復(fù)位脈率計算LED數(shù)碼顯示圖4-1 主程序流程圖4.2 整體程序設(shè)計整個程序是用C語言編寫的，主要由主程序、定時器T0中斷服務(wù)程序、外部中斷程序，延時子程序四個模塊組成。主程序主要實現(xiàn)程序的初始化，定時中斷程序主要由計時、動態(tài)顯示掃描、無測試信號判斷等部分組成，外部中斷服務(wù)程序主要由測量、計算、讀數(shù)等部分組成。程序中用變量m對脈搏信號個數(shù)計數(shù)，用n變

49、量對時間計數(shù)。從P3.2口輸入的與脈搏信號所對應(yīng)的脈沖信號來作為外部中斷0的中斷請求信號，外部中斷采用邊沿觸發(fā)的方式。由于脈沖信號的頻率很低，所以不適合用計數(shù)的方法進行測量，所以采用測量脈沖周期的方法進行測量，就是用脈沖來控制計時的信號，通過計時數(shù)計算脈沖的周期，再由脈沖的周期計算出脈沖的頻率，從P3.2口每輸入一次脈沖信號就能顯示一次一分鐘的脈搏數(shù)。定時器T0的中斷時間為5ms，每中斷一次計時變量n就加1，因此計時的單位是5ms，例如一個脈搏脈沖周期對應(yīng)的n值為240，則對應(yīng)的時間為1.2s，由此可以得到每分鐘的脈搏數(shù)為50，如果變量n值達到2000，即10秒鐘仍然沒有發(fā)生外部中斷，則表示沒

50、有脈沖信號進入單片機，于是就把變量n的值清0，數(shù)碼管顯示為0.讀數(shù)采用三位顯示。定時器T0每中斷一次就顯示一位，因此3次中斷就能刷新一次數(shù)據(jù)，即15ms刷新一次數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)硬件平臺的核心是AT89C2051芯片，其芯片內(nèi)微控制器是一個優(yōu)化的單指令周期8051 閃存MCU，它的指令系統(tǒng)保持與8051指令系統(tǒng)兼容。單片機內(nèi)程序主要功能為：（1）系統(tǒng)初始化；（2）改變電平狀態(tài)，驅(qū)動紅外光二極管；（3）管理ADC進行數(shù)據(jù)采集；（4）數(shù)字濾波處理；（5）與中央監(jiān)測系統(tǒng)或計算機進行實時數(shù)據(jù)傳輸。本文選用ATMEL公司的單片機AT89C2051，其內(nèi)部集成了速度可達400k的12位逐次逼近型ADC，模擬輸入

51、范圍是02.5v，則分辨率為0.6mv/LSB。從軟件需求和單片機速度出發(fā)，將ADC采樣率fs設(shè)定為102.4kHz，為便于計算，將過采樣倍數(shù)k設(shè)定為64，則下抽取后采樣率為f為：fs/k=1600Hz，是頻率為400Hz載波的四倍，滿足奈奎斯特采樣定理。由于過采樣倍數(shù)k為64，按每提高4倍采樣率就能提高一位分辨率來計算，獲得的ADC有效分辨率能提高3位，最后能達到約15位精度，其分辨率可達到0.0763mv/LSB。過采樣和數(shù)字濾波的實現(xiàn)都是在AD中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)的。集成于單片機上的ADC由定時器產(chǎn)生用于A/D轉(zhuǎn)換的重復(fù)觸發(fā)信號，因此需要通過設(shè)置T2寄存器重新裝載的值來獲得102.4kHz

52、的采樣率，參考信號取自片上自帶的2.5V基準電壓，設(shè)置ADCCON1#0B2H，ADCCON2#00H。定時器2是一個具有16位自動重裝載功能的定時器，作定時器用時，TH2和TL2計的是機器周期數(shù)，TH2和TL2內(nèi)容的自動重裝載通過寄存器RCAP2H和RCAP2L來實現(xiàn)。對這四個寄存器都進行初始化，自動裝載值為#0FFCAH。在數(shù)據(jù)采集中, 為了保證采集數(shù)據(jù)的不失真和適當?shù)木_度, 必須選擇合適的采樣頻率。人體脈搏正常跳動約為60次/分左右,即跳動頻率在1Hz 左右，本系統(tǒng)為了更好的消除50Hz工頻干擾，系統(tǒng)以50Hz的數(shù)據(jù)輸出率對數(shù)據(jù)進行下抽取，抽樣比為2048。中斷程序中的數(shù)字處理包括如下

53、步驟：(1) 將脈沖載波的高電平時段內(nèi)的數(shù)據(jù)累加2048/（2*64）16次；(2) 將脈沖載波低電平時段內(nèi)的數(shù)據(jù)累加2048/（2*64）16次；(3) 用步驟(1)中的數(shù)據(jù)減去步驟(2)中的數(shù)據(jù)，便得到了解調(diào)后以50Hz的數(shù)據(jù)輸出率輸出的一個數(shù)據(jù)點。經(jīng)過上述對信號的解調(diào)，有效去除背景光、雜散光的干擾。程序同時實現(xiàn)了過采樣算法中的濾波和下抽取。脈率計算程序包括如下步驟：將得到的數(shù)據(jù)以雙字節(jié)存入單片機AT89C2051的數(shù)據(jù)存儲器RAM中。從0000H 開始，在60個樣本數(shù)據(jù)中尋找最大值，并確定其位置即波峰位置，之后尋找緊挨著它的第二個波峰，采用軟件計數(shù)器計算兩者間的距離即其點數(shù)，然后按照脈率

54、計算公式：脈率采樣頻率/相鄰兩波峰60 5060/相鄰兩波峰，計算出脈率，并將其存儲。當脈搏檢測系統(tǒng)與中央監(jiān)測系統(tǒng)或計算機進行實時數(shù)據(jù)傳輸時，通過設(shè)置定時器T3的控制寄存器T3CON為#86H，T3FD為08H，得到9600的串口串列傳輸速率。ADuC841發(fā)送握手信號與系統(tǒng)機建立通信，當握手成功后，系統(tǒng)開中斷并將轉(zhuǎn)換處理后的數(shù)據(jù)送交系統(tǒng)應(yīng)用程序進行處理24。 第5章 軟件仿真與系統(tǒng)實物確定方案以后，為了讓實物盡量達到預(yù)期的效果，在焊實物之前，采用了軟件模擬仿真的辦法對電路進行了調(diào)試仿真，這里用到了Protues軟件將硬件總體電路進行了繪制，繪制完成的電路如圖5-1所示，繪制完成后，首先利用K

55、eil軟件對編寫的程序進行調(diào)試編譯，在確定程序正確無誤的條件下，生成單片機能識別的hex文件，將生成的hex文件燒入單片機即可對整個電路圖進行仿真。仿真達到預(yù)期的效果以后，就能根據(jù)仿真電路圖焊接實物。圖5-1 Protues整體電路圖 5.1 Keil編譯軟件Keil軟件是眾多單片機應(yīng)用開發(fā)的優(yōu)秀軟件之一，它集編輯、編譯、仿真于一體，支持匯編、PLM語言和C語言的程序設(shè)計，界面友好，易學易用。進入Keil后，屏幕如圖5-2所示。幾秒鐘后出現(xiàn)編輯界面，如圖5-3所示。圖5-2 Keil啟動界面圖5-3 Keil編輯界面通過Keil編輯程序，并對程序進行運行、調(diào)試生成hex文件,其具體步驟如下：（

56、1）新建一個工程：單擊Project菜單，在彈出的下拉菜單中選擇New Project選項如圖5-4所示：圖5-4 新建工程窗口（2）將新建工程保存到新建文件夾中，工程命名為maibo，在彈出的對話框中選擇單片機型號為AT89C2051，點擊確定按鈕，Keil界面如圖5-5所示：圖5-5 工程建立完成界面（3）點擊file，在file菜單下選擇new，建立一個新的文檔窗口，先保存一個空白文件，在菜單上的file的下拉菜單中選中Save as選項單擊，將空白文件保存到新建文件夾中命名為maibo.c點擊保存按鈕，回到編輯界面后，單擊Target 1前得+號，然后再Source Group1上點擊

57、右鍵，在彈出的下拉菜單中點擊Add File to Group Source Group1在彈出的窗口中找到新建文件夾，選中maibo.c，點擊Add按鈕，在出現(xiàn)的界面中輸入程序。輸入程序界面如圖5-6和5-7所示：圖5-6 程序編輯界面圖5-7 輸入程序之后的編輯界面（4）調(diào)試并運行程序，在確定程序無誤后，右鍵Target1,在彈出的窗口中勾選上“生成HEX文件”，點擊確定按鈕，如圖5-8所示，運行程序，得到hex文件。圖5-8 Target1屬性界面5.2 Protues軟件仿真由于在采集信號時是將手指插入傳感器中進行信號采集，由于在Protues中找不到能夠代替手指的原件，所以仿真采用模

58、擬仿真的形式。5.2.1 Protues軟件簡介Proteus仿真軟件是英國Labcenter Electronics公司出版的EDA仿真軟件。它不但具有傳統(tǒng)EDA軟件的仿真功能，而且還能對單片機及其外圍器件進行仿真。它是到目前為止最好的單片機及其外圍器件的仿真測試軟件。雖然目前國內(nèi)推廣使用時間比較短，但已受到廣大單片機愛好者、以及從事單片機教學的教師和致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的學者的青睞。無論是從電路原理布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正意義上的實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計方案。是目前世界上唯一將PCB設(shè)計軟件、虛擬模型仿真軟件和電路仿真軟件合而為一的設(shè)計平臺，

59、模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、ARM、8086和MSP430等，2010年又添加了Cortex和DSP系列處理器，并連續(xù)增加了其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。 Proteus三大功能模塊：（1）能夠PROSPICE混合模型的SPICE仿真。（2）對ARES PCB模型的設(shè)計。（3）比較方便應(yīng)用而又功能比較強大的ISIS原理布圖工具。Proteus的功能特點：（1）對原理進行布圖。（2）對SPICE電路進行仿真。（3）互動的電路仿真。用戶可以實時采用例如LED/LCD、鍵盤、RS232終端等

60、動態(tài)外設(shè)模型來對設(shè)計進行交互的仿真。（4）仿真處理器以及其外圍電路?？梢苑抡鍯51系列、AVR、PIC等常用的一些單片機及其外圍電路。還可以直接在所畫的原理圖的模擬原型上編程，再加上顯示及輸出，能看到運行后的輸入以及輸出的效果。同時跟系統(tǒng)所自帶的模擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了比較完善的電子設(shè)計開發(fā)環(huán)境。Protues具有的豐富的資源：（1）能夠提供的仿真儀表資源：虛擬終端、模式發(fā)生器、邏輯分析儀、示波器、I2C調(diào)試器、信號發(fā)生器、SPI調(diào)試器、交直流電壓表、交直流電流表。在理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意的調(diào)用，比較方便同時節(jié)省了大量的時間。（2）能夠提供的調(diào)試手段，Pro

61、teus提供了比較豐富的測試信號來用于對電路的測試。（3）能夠提供的仿真元器件資源：仿真的數(shù)字和模擬、交流和直流等上千種元器件，有30多個元器件庫。 （4）能夠提供了除了現(xiàn)實存在的儀器外的圖形顯示功能，這種功能與示波器的作用相似，可以將線路上變化的信號以圖形的方式實時追蹤并顯示出來，但功能比示波器多，可以通過仿真來觀察。這些模擬的儀器儀表具有理想的參數(shù)指標，例如有比較高的輸入阻抗、比較低的輸出阻抗。這些功能都盡可能減少了模擬儀器對測量結(jié)果的影響，使誤差降到最小2527。5.2.2 電路仿真通過對脈搏信號的分析和對整體電路的分析得知，通過AT89C2051單片機P3.2口輸入的脈搏信號為方波信號，計數(shù)原理為當?shù)谝粋€方波信號的下降沿被送到單片機時，單片機信號指示燈閃爍一次，到第二個方波的下降沿到達單片機時，單片機信號指示燈又閃爍一次，單片機通過客觀的計算兩次下降沿到達的時間間隔來計算一分鐘送入單片機的方波次數(shù)，也就是一分鐘人體的脈搏次數(shù)。由于在Proteus中找不到更好的能替代手指的元器件，所以使用一個方波發(fā)射電路來替代脈搏信號的采集電路和調(diào)理電路，將方波發(fā)射器的輸出端直接接到單片機的P3.2口，用同樣的程序燒入單片