基于单片机的脉搏心率测量仪-参考论文(3)

第3章 硬件系统

3.1 控制器

本系统基于52系列单片机来实现，因为系统没有其它高标准的要求，我们最终选择了STC89C52通用的比较普通单片机来实现系统设计。

3.1.1 STC89C52 简介

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM， MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89X52 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。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

3.1.2 STC89C52 的特点

·与MCS-51产品指令系统完全兼容 ·4k字节可重擦写Flash闪速存储器 ·1000次擦写周期

·全静态操作：OHz--24MHz ·三级加密程序存储器 ·128*8字节内部RAM ·32个可编程I／O口线 ·2个16位定时／计数器

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·6个中断源

·可编程串行UART通道 ·低功耗空闲和掉电模式

3.1.3 STC89C52 的结构

此次设计所使用的STC89C52 的封装形式是DIP40。如图3.1 所示。

图3.1 STC89C52 的封装形式

引脚功能： ·Vcc：电源电压 ·GND：接地

·P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I／0口，也即地址／数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗转入端用。

·Pl口：P1是—个带内部上拉电阻的8位双向I／O口，P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电萌。

·P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I／O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，

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某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

·P3口：：①可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备。②作为第二功能使用，每一位功能定义如表3.1 所示。

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表3.1 P3 口的第二功能

·RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

·ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振器频率的1／6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。 ·PSEN：程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令(或数据)时．每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。 ·EA／VPP：EA ＝0，单片机只访问外部程序存储器。EA ＝1，单片机访问内部程序存储器。

．XTALI：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 ．XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。

3.2脉搏心率信号采集

目前脉搏心率波检测系统有以下几种检测方法：光电容积脉搏心率波法、液体耦合腔脉搏心率传感器、压阻式脉搏心率传感器以及应变式脉搏心率传感器。近年来, 光电检测技术在临床医学应用中发展很快, 这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰, 具有很高的绝缘性, 且可非侵入地检测病人各种症状信息,具有结构简单、无损伤、精度高、可重复好等优点[6]。用光电法提取指尖脉搏心率光信息受到了从事生物医学仪器工作的专家和学者的重视。

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3.2.1光电传感器的原理

根据朗伯一比尔(Lamber—Beer)定律，物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。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，测量到的光强将在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征[7]。

脉搏心率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，因此光电式脉搏心率传感器的测量部位通常在人体指尖。

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照射下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏心率信号[7]。

3.2.2光电传感器的结构

传感器由红外发光二级管和红外接收三极管组成。采用GaAs红外发光二极管作为光源时，可基本抑制由呼吸运动造成的脉搏心率波曲线的漂移。红外接收三极管在红外光的照射下能产生电能，它的特性是将光信号转换为电信号。

从光源发出的光除被手指组织吸收以外，一部分由血液漫反射返回，其余部分透射出来。光电式脉搏心率传感器按照光的接收方式可分为透射式和反射式2种[8]。其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置，接收的是透射光。反射式的发射光源与光敏接收器件。因此本系统采用了反射式光电传感器。结构如图3.2所示。

图3.2 反射式光电传感器

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