IoT压力式电子脉搏器设计

Posted 2023-03-08 产品人卫朋

脉搏是指单位时间内心脏跳动的次数,一般指每分钟的心跳次数,它是衡量人体健康指数的重要指标之一。然而，传统的诊脉手段受到人为因素影响较多，在一定程度上降低了判断病情的准确性，随着电子科学技术的迅猛发展，就出现了电子脉搏计。

电子脉搏计具有操作简单，准确率高等优点，现已在医学上受到广泛应用。

本设计的设计目标是以单片机为主设计出一款简易的电子脉搏计，具体方法是以AT89S52单片机作为核心控制处理单元，采用压电陶瓷片作为传感器将脉搏的压力转换为电信号输出，运用放大电路和滤波电路对脉搏信号进行放大和滤波。

并将滤波后的信号送到单片机处理，最后把结果输送到液晶屏上，从而达到准确测量出人体脉搏个数的目的。实验表明，本次设计的压力式电子脉搏计基本达到设计要求。

设计方案选择

1.传感器的选择

方案一：

用压电传感器来进行脉搏信号的提取，压电传感器的原理是某些电介质受力后会产生压电效应并作为传感器。

压电效应是指某些电介质在受到一定方向的外力时就会发生形变（包括弯曲形变和伸缩形变）时，由于内部电荷产生了极化现象，会在其表面产生电荷并形成电流的现象。通过此现象可以提取出人的脉搏信号。

方案二：

采用光电传感器来提取人体的脉搏信号，授予手指组织来分成皮肤、骨骼和肌肉等非血液组织以及血液组织，在这之中的非血液组织的光吸收量是恒定的，但是在血液中，静脉血的搏动相对于动脉血是非常微弱的，因此可以忽略，故可以认为光透过手指后的变化仅仅是由动脉血的充盈而引起，所以在恒定波长的光源照射下，通过检测透过手指的光强度就可以达到测量人体脉搏信号的目的。。

由于压电传感器与光电传感器相比价格便宜，且容易买到，故本次设计采用了压电传感器作为传感器。

显示模块的选型

方案一：

使用数码管动态显示，数码管是这样一种显示屏，它通过对不同的管脚输入相应的电流，会使其发亮，显示出数字。

但是数码管动态扫描需要借助74LS164移位寄存器进行移位，因此该芯片在电路调试时会出现有很多障碍，给设计带来很多困难。

方案二：

使用LCD1602液晶屏，该液晶显示屏能显示文字，图形，屏幕清晰并可调，并且由于通过控制是否透光来控制屏幕的亮和暗，当色彩不变时，液晶也保持不变，这样就无须考虑刷新率的问题。因此，电路简单，价格相对不贵，使用方便。

综上所述，本设计中宜采用第二种方案，即用LCD1602作为显示模块。

单片机的选择和论证

方案一：

MSP430系列机，它是一种16位的低功耗的混合信号处理器。内部有很多的模拟和数字电路以及微处理器，优点是能提供强大的功能。但是，此款芯片十分昂贵，适合于专业研发。因此该芯片不适于此次的课程设计。

方案二：

采用51系列的单片机，它价格比较低，可靠性高，易控制，并且STC系列可在线编程、调试，进行程序的下载和运行，对于初学者，是个不错的选择。

基于价格上的优势，本次设计使用了51系列的单片机作为主控芯片。

系统整体设计

系统总体设计由单片机STC89C52、按键、LCD1602液晶屏、压电式传感器、运放和滤波电路等构成，系统设有2个按键，一个是复位键，一个是记数按键，脉搏测量的时候需要人把压电陶瓷片放在脉搏处，根据脉搏的跳动，压电陶瓷片因为发生形变而在陶瓷片的表面产生极化电荷，从而将脉搏信号转换成微弱的电信号。

通过Lm324系列放大器对电信号进行放大、整形后连接到单片机的IO口，单片机利用外部中断对其进行计数，最终换算成人一分钟脉搏的跳动次数，最终显示在液晶屏上。

系统硬件设计

主控模块

主控模块是整个系统中的核心部分，芯片的选择关系到整个系统的好坏。本次设计选用了51系列单片机中的STC89C52单片机作为系统的主控芯片。

STC89C52单片机主要由以下几部分组成：

CPU系统：8位CPU，含布尔处理器；时钟电路；总线控制辑。

存储器系统：8K字节的程序存储器（ROM/ EPROM/FLASH）；256字节的数据存储器；特殊功能寄存器SFR。

I/O口和其他功能单元：4个并行I/O口；3个16位定时计数器；1个全双工异步串行口；中断系统（6个中断源，2个优先级）。

电源及时钟引脚（4个）

Vcc：电源接入引脚；

Vss：接地引脚；

XTAL1：晶体振荡器接入的一个引脚（采用外部震荡时，此引脚接地）；

XTAL2：晶体振荡器接入的另一个引脚（采用外部震荡时，此引脚作为外部振荡器信号的输入端）。要检查振荡电路是否正常工作，可用示波器观察XTAL2端是不是有脉冲信号输出。

控制线引脚（4个）

RST/Vpd：复位信号输入引脚/备用电源输入引脚，高电平有效；

ALE/PROG：地地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚；当80C52上电工作后，ALE引脚向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。CPU访问片外存储器时，ALE的输出作为锁存低8为地址的控制信号。

   EA/Vpp：内外存储器选择引脚/片内EPROM；

   PSEN：外部程序存储器选通信号输出引脚。

并行I/O引脚（32个，分成4个8位口）

P0.0—P0.7：一般I/O口或数据|低位地址总线复位引脚；

P1.0—P1.7：一般I/O口引脚；

P2.0—P2.7：一般I/O口引脚或高位地址总线引脚；

P3.0—P3.7：一般I/O口引脚或第二功能引脚。P3口作第二引脚功能时，此时单片机的口锁存器的Q端置1.。P3.0是串行口输入，P3.1是串行口输出，P3.2是外部中断0输入，P3.3是外部中断1输入，P3.4是定时器0的外部输入，P3.5是定时器1的外部输入，P3.6是片外数据存储器“写”选通控制输出，P3.7是片外数据存储器“读”选通控制输出

运算放大器LM324

 

LM324是四运放集成电路，其封装形式为塑封14引线双列直插式。LM324内部包括有4个独立的、高增益、内部频率补偿 的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用, 也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

LM324特点：直流电压增益高(约100dB)             

             单位增益频带宽(约1MHz)   

             电源电压范围宽：单电源(3—32V)；

低功耗电流，适合于电池供电           

             低输入偏流

 低输入失调电压和失调电流

共模输入电压范围宽，包括接地

 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围

             输出电压摆幅大(0至VCC-1.5V)

液晶模块Lcd1602

 

Lcd1602的显示特性有：单5V电源电压，功耗低，寿命长，可靠性高。内部有192个字符。

管脚功能：

第1脚：VSS为接地引脚。

第2脚：VCC接5V电源正极引脚。

第3脚：V0为液晶显示屏对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高（当对比度过高时会产生“鬼影”现象，影响液晶屏的清晰度，使用时可用一个10K的电位器进行对比度的调整）。

第4脚：RS为寄存器选择引脚，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：RW为读写信号线引脚，高电平1时进行读操作，低电平0时进行写操作。

第6脚：E)端为使能端,高电平1时读取信息，负跳变时执行指令。

第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：空脚或背灯电源。

硬件系统设计

系统设计框图

 

脉搏计的总体设计框图如图所示，主要包括信号采集电路、放大电路、滤波电路、单片机处理电路和液晶显示电路。先用压电式传感器采集与心跳同频率的信号，通过压电陶瓷片的压缩形变产生极化电荷，从而形成了频率与脉搏次数成正比的低频信号，它是类似于正弦波的波形。该低频信号首先经过以LM324的放大电路，将信号放大，经过一节低通滤波器滤除高频信号，并经过比较 器将正弦波转换成同频率的方波。将该脉冲信号送到单片机上，经过软件对信号的处理，最后以数值形式显示在液晶屏上。

软件系统设计

主程序流程图

 

系统主程序控制单片机系统按预定的操作方式运行, 它是单片机系统程序的框架。系统上电后，对系统进行初始化。初始化程序主要完成对单片机内专用寄存器、定时器工作方式及各端口的工作状态的设定。系统初始化之后， 进行定时器中断、外部中断、显示数据等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序。

仿真图

 

 

卫朋

人人都是产品经理受邀专栏作家，CSDN 嵌入式领域新星创作者、资深技术博主。2020 年 8 月开始写产品相关内容，截至目前，人人都是产品经理单渠道阅读 56 万+，鸟哥笔记单渠道阅读200 万+，CSDN 单渠道阅读 210 万+，51CTO单渠道阅读 180 万+。

卫朋入围2021/2022年人人都是产品经理平台年度作者，光环国际学习社区首批原创者、知识合作伙伴，商业新知 2021 年度产品十佳创作者，腾讯调研云2022年达人榜第三名。

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