光电脉搏传感器论文

第四章 主要元器件选择和功能介绍
4.1 单片机 AT89S52
主要性能：
（1） 与 MCS-51 单片机产品兼容
（2） 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器
（3） 1000 次擦写周期
（4）全静态操作：0Hz～33Hz
（5） 三级加密程序存储器
（6） 32 个可编程 I/O 口线
（7） 三个 16 位定时器/计数器
1.2 课题的目的和意义
生物医学传感器是获取生物信息并将其转换成易于测量和处理信号的一个 关键器件。
光电式脉搏传感器作为是根据光电容积法制成的脉搏传感器，通过对手指末 端透光度的监测，间接检测出脉搏信号。光电式脉搏传感器具有结构简单、无损 伤、可重复好等优点。根据光电容积法原理，从改善光源、消除景光噪声、电磁 屏蔽和提高信噪比四个方面出发，研究改进方法，对提高使用的灵活性和准确度 有着重大意义。同样光电容积法是当今测量脉搏信号的一种有效方法，也可以用 来测量血氧饱和度、氧分压和心搏出量等生理指标，为临床诊断提供强有力的技 术支持。通过光电传感器对脉搏信号进行检测，并用单片机技术进行数据处理， 实现智能化的脉搏测试技术。这种技术具有先进性、实用性和稳定性，同时也是 生物医学工程领域的发展方向。
（8） 八个中断源
（9） 全双工 UART 串行通道
（10）低功耗空闲和掉电模式
（11）掉电后中断可唤醒
（12） 看门狗定时器
（13）双数据指针
（14）掉电标识符
功能特性描述：
图 4-1 AT89S52 的引脚结构
AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编
程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业
（4）光敏二极管响应：0.45A/W(650nm时)
（5）响应带宽：14K Hz（Rf=1MΩ）
（6）静态电流：120 mA (7 ) 采用8引脚DIP，5引脚SIP，与8引脚
图 4-2 内部电路结构
表面贴装封装
（8）工作温度：0~70℃
4.2.2 典型应用
应用片内1MΩ与3pF组成的反馈网络，即将引脚4、5连接即构成基本应用电 路；这是电路的输出幅度与照射光线波长的关系如图4-3，照射光线的入射角与 输出幅度的关系如图3-4所示。
传统的脉搏测量采用诊脉方式，中医脉象诊断技术就是脉搏测量在中医上卓 有成效的应用, 但是受人为的影响因素较大,测量精度不高。
为了克服上述测量方法的不足，脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听 诊器测试法。利用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在 血液中大几十倍的特点，可通过光电传感器对脉搏信号进行检测，并通过单片机 技术进行数据处理，实现智能化的脉搏测试技术。
第五章 系统硬件设计
硬件电路的设计主要包括信号采集和处理电路、单片机系统及显示电路两大 部分。
5.1 信号采集电路和处理电路
本设计采用红色发光二极管发出的光线通过手指照射在 OPT101 的受光窗， 当指尖的血流量随心脏跳动而改变时，从 LED 通过指尖到达受光窗的光线也随 之改变，这样光电流也发生波动性变化，从而采集到心脏脉搏信号。设计出来的 电路图见下：
容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为
止.AT89S52 的引脚结构如图 4-1 所示。
4.2 传感器 OPT101
4.2.1 性能参数
OPT101型传感器是美国B-B公司研制的集光敏器件（光敏二极管）与信号放
大于一体的器件.采用单电源供电，压电输出。输出电压随照射到光敏器件的光
线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2
级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz
静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，
允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内
第二章 工作原理及可行性分析
人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张,使血流压力以波的 形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播,这种波称为脉搏波。脉搏波所呈 现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息,很大程度上反映出人体心血 管系统中许多生理病理的血流特征。
根据郎伯-比尔（Lambert－beer）定律,物质在一定波长处的吸光度和它的浓 度成正比，当恒定波长的光照射到人体组织上时,通过人体组织吸收、反射、衰 减后测量到的光强在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。血液是高度 不透明的液体，光在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍。一般情况下， 当光子穿越介质时，因能量被吸收而导致的强度衰减可描述为：
通过这次课程设计，我们对光电脉搏传感器有了进一步的了解，对于相关器 件也有了一定的认识，如单片机、数码显示管、光电传感器等。巩固和加深了我 们对课程的学习，促进和深化工程应用，提高综合运用所学知识及分析问题的能 力，培养严谨的科学作风。通过实际电路方案的分析比较，设计计算，元件选择， 安装调试、CAD 外形辅助设计等环节，初步掌握简单传感器电路的分析方法和 工程设计方法，同时通过相互之间的合作分工也使我们培养了团队合作精神。
图 2-1 人体手指端还原蛋白与氧化蛋白光吸收率示意图
手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织,其中非血液 组织的光吸收量是恒定的,而在血液中,静脉血的搏动相对于动脉血是十分微弱的,
可以忽略。因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的,那么 在恒定波长的光源的照射下, 本设计利用透射式的测量方法，通过检测透过手指 的光强可以间接测量到人体的脉搏信号。
第六章 单片ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ系统软件设计
我们设计的单片机程序中，采用单片机内部定时器定时检测周期 10s，在 10s 过程中，P3^2 引脚检测方波脉搏信号，每次高电平来临，系统进行判断：相邻 两次高电平的时间差是否大于 10ms，因为脉搏周期理论最大值为 300ms，其中 的高电平时间会更小（这跟人的心跳特征有关），此判断能消除电压比较器的误 判和弥补个人心跳的差异性。10s 后心率显示在数码管上，并且每 10s 更新一次 显示。工作流程图见下。
设计过程中碰到的刚开始不能正常工作并且运行的情况完全是粗心导致的， 当时如果认真点的话就不会出现了，可能就是一次性完成了。所以，通过设计意 识到要从现在开始养成那种细心的好习惯。这对以后的工作和生活都非常有帮 助。再者通过这次实习锻炼了自己的动手和查资料的能力，也体会到了成功带来 了的喜悦，可以说是获益非浅。 再次反过来思考这个电路图，整个电路简单明 了，可以根据此电路图应用到实际中去。
图 5-1 信号采集和处理电路
具体说明：OPT101 芯片的 5 号引脚输出波动的电压信号，经 R2、C2、C3 接到 LM324 放大器的反相输入端，为避免烦扰信号传到 U1A 的输入端，用 C2、 C3 组成的双极性耦合电容将其隔离。C4 和 R5 构成低通滤波器，去除高频信号， 截止频率为 3.33Hz。通过 AD790 电压比较器，将信号转换为方波信号输入单片 机。其中，左下方的 LM324 提供参考电压，R10 为电位器，用于调节电压比较 器的参考电压，以消除不同人手指的差异性。
而言），共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置
元件的必要性，输出电压范围也包括负电源电压。其特点为：
（1）短路保护输出
（2）真差动输入级
（3）单电源工作，3.0V~~32V （4）低输入偏置电流，最大100nA[LM324A]
（5）每一个封装四个放大器 （6）内部补偿
（7）共模范围扩展到负电源 （8）行业标准引脚输出
5.2 单片机系统及显示电路
在单片机设计中，我们使用 12MHz 的晶振，用 P0、P1 和 P2 引脚控制三个 数码管进行显示，P3^2 引脚用来接收已转化为方波的脉搏信号，并且带有复位
开关。
图 5-2 单片机系统电路图
5.3 传感器机械结构设计
下图为传感器外形及内部结构图。左上为正视剖面图，左下为俯视剖面图， 右上为左视剖面图，右下为示意图。
80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦
适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，
使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
AT89S52 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，256 字节 RAM，32 位 I/O 口
本次的光电脉搏传感器设计实践将我们学到的知识应用到了实践，深化了对 传感器基本原理、数字电路设计、模拟电子设计、单片机应用的认识，使我们在 设计的实践中获得新知。学习了一年的理论知识和实践操作，我们不仅仅得到的 是课本上的东西，更重要的是们我通过自己的独立动手和老师的耐心指导，让我 们学会了分析电路、设计电路的步骤以及计算机辅助作图、protel 电路设计等。 在此设计中利用到了单片机控制 、光电容积法，特别是让我们温习了光电传感 器的知识与应用， 让我们进一步巩固和掌握前面所学的基础知识，加深了对传 感器电路设计和数字电路的理解，对元器件的使用更加深刻。
图 2-2 反射式和透射式测量示意图
第三章 设计要求
该光电脉搏传感器须能工作在 0℃以上，能在 10s 内测量出一般成人的心率， 测量显示范围为 30-200 次/分，并能持续测量，每 10 秒更新一次心率显示，能 够通过电路进行高频滤波，消除高频噪声干扰；测量腔内部其他部分涂有吸光物 质，消除反射光的干扰；单片机能通过算法对结果进行检验和校正。测量腔入口 连有遮光指套，指套口有适合的松紧带来适应各种粗细的手指。
开
始定义
变量
启声明动
10函s 数计
时 两次脉冲
否
启动脉
信号的时
间搏差是计是数 否
大脉于 10搏ms
1计0s 数计
时加结1 束
图 6 单片机工作流程图
显示心
率数
第七章 总结心得体会
在这几个星期的课程设计中，我们做的课题是“光电脉搏传感器”。这是一种 新型的脉搏测量仪器，利用血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透 性要比在血液中大几十倍的特点，可通过光电传感器对脉搏信号进行检测，并通 过单片机技术进行数据处理，实现智能化的脉搏测试技术。
（9）在输入端的静电放电位增加可靠性而不影响器件的工作
4.4 通用型集成电压比较器AD790
双列直插式 AD790 单集成电压比较器，与集成运放相同，它有同相和反相 两个输入端，分别是引脚 2 和 3；正、负两个外接电源±VS，分别为引脚 1 和 4； 当单电源供电时，-VS 应接地。此外，引脚 8 接逻辑电源，其取值决定于负载所 需高电平。为了驱动 TTL 电路，应接+5V，此时比较器输出高电平为 4.3V。引 脚 5 为锁存控制端，当它为低电平时，锁存输出信号。
式中 是入射光强， 是与组织结构相关的吸收系数（哺乳动物的 值在 0.1 至 100 之间）， 是沿光轴方向的坐标长度。
脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的,在人体指尖,组织中的动脉成分含量 高,而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄,透过手指后检测到的光强相对较 大,因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。
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第一章 前 言
1．1 课题来源
随着人们生活水平的提高，地球环境遭到破坏，多种疾病威胁着人们的生命, 而心脏病的发作又是人们难以预防的突发致命疾病。在医学上，通过测量人的心 率，便可初步判断人的健康状况。因此，心率计很快产生并得到发展。随着单片 机技术的发展、人们的生活节奏加快，设计一种以使用方便为前提，能够快速测 出人心率的心率计，不仅是临床者的需要，也是体育训练者和外出旅游者的需要。
强度呈线性变化。可用于医疗仪器、实验室仪表、位置与接近探测、图像分析、
条线码扫描器、温室的光照度控制等。OPT101型传感器内部电路结构如图4-2所
示。
OPT101型传感器的性能、特点：
（1）单电源供电 +2.7V~~+36V
（2）光敏二极管的尺寸：0.09*0.09in
（3）片内放大器反馈电阻：Rf=1MΩ
图 4-3 输出幅度与照射光线波长的关系
图4-4 输出幅度与入射角的关系
4.3 低功率运算放大器LM324N
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应
用场合的标准运算放大器相比，它们有显著的有点：该四放大器可以工作在低到
3.0伏或高到32伏的电压下，静态电流大致为MC1741的五分之一（对每个放大器