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便携式脉搏测试仪摘要：本设计采用LaunchPadMSP430单片机开发板作为控制核心。系统采用lcd12864液晶显示每秒钟脉搏信号产生的波形，系统主要包括光电传感器取样电路、放大和低通滤波电路、计数显示电路、灯光报警电路。用波长为600-1000nm的红外二极管照射指尖，光敏二极管接收透射信号进行转换。转换后的微弱电流信号经运放0P07转化为电压。电压信号经放大整形后成为较为规则的方波，直流叠加后的信号被单片机进行A/D采样，转化为相应的脉搏跳动值，最后通过液晶显示出来。当测量的脉搏跳动次数超过设定值是，单片机控制灯光报警。关键词：MSP430LaunchPad光电传感器lcd12864放大整形ABSTRACTThisdesignadoptsLaunchPadMSP430single-chipmicrocomputerascontrolcoredevelopmentboard.SystemUSESlcd12864LCDeverysecondpulsesignalwaveform,thesystemmainlyincludessamplingcircuit,photoelectricsensoramplifierandlow-passfiltercircuit,countingdisplaycircuit,soundandlightalarmcircuit.Withawavelengthof600-1000nminfrareddiodeirradiationfingertips,photosensitivediodereceivingthereflectionsignalconversion.Aftertransformationoftheweakcurrentsignalbyop-amp0P07intovoltage.Voltagesignalafteramplificationplasticbecomemorerulesofsquarewave,dcsuperpositionafterA/Dsamplingsignalbysinglechipmicrocomputer,isconvertedtothecorrespondingpulsevalue,atlast,throughtheLCDdisplay.Whenmeasuringthepulsenumberismorethansetvalue,single-chipmicrocomputercontrolbuzzeralarm.Keywords:MSP430LaunchPadPhotoelectricsensorlcd12864Zoominplastic一、系统方案1.整体方案选择系统由光电传感器取样电路、信号放大和低通滤波电路、计数显示电路、声光报警电路完成对人体脉搏频率的测试。红外二极管发射出来的红外光照到人体手指透射后，红外接收管将接收到的透射光信号转化为微弱的电信号，经op07两级放大，两级低通滤波将干扰信号滤除。由于转化后的电信号并不是规则的波形，需要用比较器整形为方波，便于测试。单片机只能采集到正的电压值，因此，我们使用二极管去除负半周脉冲。单片机在一分钟内采集到的高电平次数近似为人体脉搏跳动的次数，将此值通过液晶显示出来即完成测试。系统整体框图如下图所示：2．信号获取方式方案一、采用反射式获取。通过光电二极管发射红外光，光电二极管发射红外光然后反射回来接收。方案二、采用透射式获取。光电二极管发射红外光，穿透手指或耳垂，而被装置接收。比较两种方案，方案一的装置简单，测量方便，但灵敏度不高，受外界干扰影响大。方案二、灵敏度高，受外界干扰小。综上所述，我们选着方案二。3.显示模块选择方案一：采用LCD1602作为系统显示器件，5V供电，操作简单，但显示的内容较少，无法显示曲线，不能达到题目要求。方案二：采用LCD12864液晶显示，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强，调用方便简单，而且可以节省了软件中断资源。其缺点在于显示内容需要存储字模信息，需要一定存储空间。由于作为控制器的单片机有足够的存储空间，存储字模数据绰绰有余。方案比较：一方案不能满足题目要求，方案二显示内容全面，因此选择方案二。4.控电路选择题目要求使用LaunchPadMSP430单片机开发板。单片机面积小功能强大，通用I/O可独立编程；可提供输入、输出与中断（边沿可选）的任意组合；所有寻址指令可对端口控制寄存器进行读/写访问；每个I/O具有一个可独立编程的上拉/下拉电阻；某些器件/引脚具有触摸按键模块；16位Timer_A2；2个捕获光电传感器放大和低通滤波单片机波形显示声光报警/比较寄存器；丰富的中断功能；WDT+看门狗定时器等诸多优点，完全满足题目需求。5.传感器选择方案一：采用光敏二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，工作时加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。方案二：采用光敏三级管。电路输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被三极管的基极接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。方案比较：设计选用光敏二极管作为信号传感器。6.滤波模块选择方案一：传统分立元件RC组成无源滤波器。无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点方案二：运算放大器构成有源滤波器。通过集成运算放大器与不同的R、C组成滤波器，能够过选择不同的RC网络来实现截止频率和品质因数可变的高通、低通滤波器的设计，但运算放大器构成有源滤波器频率带宽存在不足，低频响应不好。方案比较：与无源滤波器相比，有源滤波器优势明显，因此选择方案一。二、理论分析与计算1.光电发射接受参数分析与计算当手指放在红外线发射二极管和红外线接收二极管中间，随着心脏的跳动，血管中血液的流量将发生变换。由于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，红外接收二极管的电流也跟着改变，这就导致红外接收二极管输出脉冲信号。2.脉搏信号参数分析、信息采样与处理参数分析与计算将脉搏信号采集进来后，再进行初级信号放大21倍，再次用通向比例放大电路进行信号放大并且低通滤波，其两次信号放大1000倍。公式为：1//Rf)x((1+R1’//Rf’)。同时进行低通滤波，因为信号中伴有各种噪声干扰，所以通过低通滤波将所需信号进行提取。公式为：f=1/rc。再通过磁滞比较器、电位器二极管，整形、幅值压缩、去负半周信号便于脉搏计数。3波形显示参数分析与计算将脉搏信号处理后，导入MSP430LaunchPad主控芯片，主控芯片将信号传输到lcd12864液晶屏，在液晶屏上显示出脉搏上下界限值，测量用的时间，每分钟的脉搏数。三、硬件电路设计1.光电传感器用红外二极管发射红外信号，接收器件采用光敏二极管。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。红外二极管发出的光照射到手指，经过手指组织的血液吸收和衰减，透射后由光敏二极管接收。光敏二极管在红外光的照射下能产生电能，单个二极管能产生2mv的电压变化。将光信号转化为相应电信号。图一2.信号放大电路信号放大电路通常采用运算放大器对微小电脉冲信号进行放大。它具有输入阻抗高和输出阻抗低以及调节电压放大倍数方便等优点.本设计采用高精度低噪声运算放大器0P07，简易的同相比例运算电路实现1000倍以上信号放大。图二3.滤波电路滤波电路采用RC无源滤波器构成，电路设计采用ISIS7Professional设计软件，该软件设计出精确的阻容参数达到很好的滤波效果。图三4.ＤＣ叠加电路DC叠加电路设计采用高精度低噪声单运放0P07构成的加法电路实现交直流信号的叠加。图四5可调迟滞比较器电压迟滞比较器在设计中是将上一级波形整形为规则的方波。由0P07构成图五四、软件设计本系统控制软件是基于TI的LaunchPadMSP430单片机，实现的主体功能是采集电路输出的电压值，并通过内部程序计算出对应的脉搏值，并实时的在液晶led12864上面显示次数和波形。软件流程图如下：五、测试方案与测试结果1.测试仪器与设备SS4323A可跟踪直流稳定电源、数字万用表、数字示波器（DS5062MA）、医用脉搏测试仪2.测试环境整机系统测试在室内进行，使用洞洞板作为硬件载体，以LaunchPadMSP430单片机作为主控制器，使用液晶显示测量数据；软件使用CCS作为开发环境。3.测试方法和过程确保测试仪电路连接正确后上电，红外发射二极管与光敏接收二极管并置，指尖同时接触这两个二极管，这时会有微弱的电流信号从二极管的产生，后续的电路会将此电流信号转化为足够大的电压信号，在一分钟内单片机采集到的高电平次数近似为人体脉搏跳动的频率，完成脉搏测试。LED12864初始化IO端口初始化AD转换初始化数据采集转换LED显示数据采集是否完成屏幕刷新数据缓冲清零时钟初始化4.结果分析测试时间采集脉搏次数误差值误差率自制测试仪医用测试仪1分钟7470+45.7%2分钟8078+22.5%3分钟7978+11.3%测试仪传感器采用光敏二极管，灵敏度高，通过接收手指间反射的光信号强弱间接测试出人体脉搏的跳动频率，与医学测试仪对比，误差小于3次，满足题目要求，存在一定的误差，光敏二极管需做好避光的设置，这样可以避免其他光线的干扰，测量值会更接近真实值。六、结论设计脉搏测试仪通过人手指之间微弱的脉搏经过放大最后测出人具体的脉搏数值，误差每分钟小于±3次，超过预定值提示报警，测试指标基本达到要求。这次设计不仅是对我们所学课本知识的一个考察，更是对我们的自学能力和收集资料能力以及动手能力的考验，在设计中我加强了对电子电路知识的巩固，加大了对电子产品设计的兴趣。在这次设计中也有很多的不足之处，希望在接下来的学习和实验中能够不断的加强。最后感谢我们的指导老师们。参考文献【1】秦龙。MSP430单片机c语言应用程序设计【2】赵伟军。PROTEL99SE教程。北京：人民邮电出版社，2004【3】全国大学生电子设计竞赛湖北区组委会组编。电子系统设计实践。武汉：华中科技大学出版社，2005【4】谭浩强。C语言程序设计。清华大学出版社，2007附录一图片信号获取与处理电路实测指端脉搏波形整形的波形二极管整形后的波形