脉搏测试仪设计
摘要：本系统以STC12C5A60S2单片机为核心，利用红外线发射二极管和接收二极管作为信号检测传感器，通过AD623两次信号放大电路，最终使用6位共阴数码管作为显示器件进行显示。系统利用红外对管将人体心脏跳动使血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生的变化，红外接收二极管的电流也跟着改变，导致红外发射管输出脉冲信号，经过LM358构成的波形整形电路将脉冲信号进行放大整形，将整形后的波形引入单稳态触发电路中进行二次整形，最后将信号传送至单片机进行信号计算处理，将数据结果送到6位共阴数码管显示。由此来对人体心率的数据进行测量。
关键词：STC12C5A60S2；红外对管；LM358；AD623；555定时器
引言：
1. 设计目标
1） 设计一个脉搏测试仪；
2） 能显示30~300次的脉搏跳动次数；
3） 能绘制出测试变化波形。
2. 设计总体框图
硬件设计原理框图如图1：
如图1 硬件设计原理框图 传感器转换指尖透
射信号
整形 放大滤波 单片机 显示
一、系统方案论证
方案一：由光电传感器采集脉搏信号，经过前置放大、滤波、单片机自带的A/D转换模块采样得到脉搏信号的数据并存入存储器中；单片机对所得的数据进行数字信号处理并计算出心率值，结果送显示模块和存储器中。
方案二：通过红外对管将人体心脏跳动使血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生的变化，红外接收二极管的电流也跟着改变，导致红外发射管输出脉冲信号，经过由LM358构成的放大电路将脉冲信号放大整形，传送至单片机进行信号计算处理，最后将数据结果送到6位共阴数码管显示。根据题目要求及电路复杂程度，我们选择了方案二。
二、系统硬件模块设计
2.1 传感器采集调整模块
传感器由红外对管组成，红外对管具有灵敏度高，易于操作，响应速度快，结构简单，低功耗、价格便宜等优点，用+5V供电，但检测出来的脉搏电压信号较弱，用对仪表放大器AD623芯片对其进行放大比较，然后输出到单片机进行检测。
2.2 检测原理
当手指放在红外线发射二极管和接收三极管中间，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，红外接收三极管的电流也跟着改变，这就导致红外接收三极管输出脉冲信号。该信号经放大、滤波、整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机的外部中断信号。单片机电路对输入的脉冲信号进行计算处理后把结果送到6位共阴数码管显示。具体电路如图2所示：
图2 检测电路
2.3 信号采集电路
图3是脉搏信号的采集电路，IRL1是红外发射和接收装置，由于红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大，所以对R1阻值的选取要求较高。R1选择200Ω同时也是基于红外接收三极管感应红外光灵敏度考虑的。R1过大，通过红外发射二极管的电流偏小，红外接收三极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R1过小，通过的电流偏大，红外接收三极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当手指离开传感器或检测到较强的干扰光线时，输入端的直流电压会出现很大变化。当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期。虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是由于红外接收三极管中存在暗电流，会造成输出电压略低。二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收三极管中的暗电流暗电流减小，输出电压上升。
图3 信号采集电路
2.4 信号放大及波形整形
2.4.1 AD623精密仪表放大器的介绍
AD623是一个集成单电源仪表放大器，它能在单电源(+3v～+12v)下提供满电源幅度的输出,AD623允许使用单个增益设置电阻进行增益编程,以得到良好的用户灵活性。在无外接电阻的条件下,AD623被设置为单位增益;外接电阻后,ad623可编程设置增益,其增益最高可达1000倍。AD623通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比而保持最小的误差,线路噪声及谐波将由于共模抑制比在高达200hz时仍保持恒定而受到抑制。虽然ad623在单电源方式进行优化设计,但当它工作于双电源(±2.5～±6v)时,仍能提供优良
的性能。低功耗(3v时1.5mw)宽电源电压范围、满电源幅度输出。其引脚排列如图4所示。
图4 AD623引脚排列图
2.4.2 LM358电压比较器的介绍
LM358是常用的双运放,它里面包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式，它的应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放的地方使用。它有8个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“VCC”、“GND”为正、负电源端，“OUT”为输出端。两个信号输入端中，IN1（-）为反相输入端，表示运放输出端OUT1的信号与该输入端的相位相反；IN1（+）为同相输入端，表示运放输出端OUT1的信号与该输入端的相位相同。LM358 的引脚排列见图5。
图5 LM358 的引脚排列图
2.4.3 单稳态触发器
555定时器构成单稳态触发器如图6所示，该电路的触发信号在2脚输入，R和C是外接定时电路。单稳态电路的工作波形如图7所示。
在未加入触发信号时，因ui=H，所以uo=L。当加入触发信号时，ui=L，所以uo=H，7脚内部的放电管关断，电源经电阻R向电容C充电，uC按指数规律上升。当uC上升到2VCC/3时，相当输入是高电平，555定时器的输出uo=L。同时7脚内部的放电管饱和导通是时，电阻很小，电容C经放电管迅速放电。从加入触发信号开始，到电容上的电压充到2VCC/3为止，单稳态触发器完成了一个工作周期。输出脉冲高电平的宽度称为暂稳态时间。
图6 单稳态触发器电路图
图7 稳态触发器的波形图
2.4.4放大电路原理图
放大电路我们是采用精密仪表放大器AD623对采集到的微弱的信号进行两级放大，放大的信号经T3的第6脚输出到由LM358组成的电压比较器的同相端，在电压比较器的6脚我们加上一个偏置电压，与其进行比较，将第一次整形后的波形信号由7脚输出到由555定时器组成的单稳态触发器，进行波形的再次整形，具体电路图及波形图如图8、图9、图10、图11、图12图13、图14所示：
