基于51單片機的脈搏采集系統設計方案

1. 引言

隨著人們健康意識的不斷提高，家用醫療設備的需求也日益增長。脈搏作為人體生命體征的重要指標，其跳動頻率和波形能夠反映心血管系統的健康狀況。基于51單片機的脈搏采集系統，以其成本低廉、結構簡單、易于實現等優點，在個人健康監測、教學實驗等領域具有廣泛的應用前景。本設計方案旨在詳細闡述一個基于51單片機的脈搏采集系統，從傳感器選擇、信號調理、數據處理到顯示輸出等各個環節進行深入分析，并推薦合適的元器件型號及解釋其選擇原因，以期為相關領域的開發提供參考。

2. 系統總體設計

本脈搏采集系統主要由以下幾個核心模塊組成：脈搏信號采集模塊、信號調理模塊、A/D轉換模塊、微控制器處理模塊、顯示模塊和電源模塊。系統的工作流程如下：通過脈搏傳感器將人體的脈搏跳動轉換為電信號；微弱的電信號經過前置放大、濾波等信號調理電路進行放大和去噪；調理后的模擬信號通過A/D轉換器轉換為數字信號；51單片機對數字信號進行處理，提取脈搏頻率等信息；最后通過液晶顯示屏實時顯示脈搏數據。

3. 各模塊詳細設計與元器件選型

3.1 脈搏信號采集模塊

功能： 負責將手指（或耳垂）處的脈搏跳動信息轉化為可測量的電信號。通常采用光電透射法或光電反射法。本方案推薦采用光電透射法，因其相對成熟且信號質量較好。

元器件選型：

• 紅外發射管： TLN101 或等效型號。

• 選擇原因： 紅外光對人體組織穿透性好，且對血紅蛋白的吸收率與血氧飽和度變化相關性大，能有效反映血容量的搏動變化。TLN101是常見的低功耗紅外發射管，發射波長約為940nm，與血紅蛋白對紅外光的吸收特性匹配。

• 功能： 發射特定波長的紅外光穿透手指。

• 光敏接收管（光電三極管或光敏電阻）： PT333-3C 或 BPW34（光電二極管）。

• 選擇原因： PT333-3C是常用的光電三極管，具有較高的靈敏度和較快的響應速度，能有效接收經過組織吸收后的紅外光。BPW34是PIN光電二極管，噪聲更低，響應更快，但輸出電流較小，需要更精細的跨阻放大。考慮到簡化設計，PT333-3C或其類似型號更為常見。

• 功能： 接收透射過手指的紅外光，并將其強度變化轉換為電流信號。當心臟搏動時，手指的血容量會周期性變化，導致透射的紅外光強度也隨之變化，從而產生脈沖電流信號。

• 電阻（限流電阻）： 100Ω~220Ω，具體根據發射管電流需求和電源電壓確定。

• 選擇原因： 限制紅外發射管的工作電流，保護發射管不被燒毀，并使其工作在最佳發光效率點。

• 功能： 穩定紅外發射管的工作電流。

電路連接： 紅外發射管與限流電阻串聯后接電源，光敏接收管根據其類型連接至后續信號調理電路的輸入端。通常光敏接收管的集電極接電源，發射極接負載電阻，從負載電阻兩端提取電壓信號。

3.2 信號調理模塊

功能： 采集到的脈搏信號通常非常微弱，且伴隨著各種噪聲干擾（如工頻干擾、運動偽影、環境光干擾等）。信號調理模塊的主要任務是對原始信號進行放大、濾波、去噪和電平轉換，使其滿足A/D轉換器的輸入要求。

元器件選型：

• 運算放大器（Op-Amp）： LM358 (雙運放) 或 TL082 (JFET輸入雙運放) 或 AD620 (儀表放大器)。

• LM358： 性價比高，功耗低，單電源供電，是初學者和一般應用的首選。它包含兩個獨立的運放，可以用于前置放大和濾波。

• TL082： JFET輸入，輸入阻抗高，偏置電流小，適合處理高阻抗信號源，對脈搏這種微弱信號源更為有利，噪聲表現也優于LM358。

• AD620： 專業的儀表放大器，具有極高的共模抑制比（CMRR），低噪聲，高精度，是處理微弱差分信號的理想選擇，能有效抑制共模干擾。但成本較高，電路相對復雜。

• 本方案推薦： 對于一般應用，可以首先嘗試使用LM358進行多級放大和濾波，如果對精度和抗干擾能力要求更高，可考慮TL082或在關鍵環節使用AD620。我們假設采用LM358兼顧成本和性能。

• 選擇原因：

• 功能： 實現多級放大（前置放大、交流放大），高通濾波、低通濾波、帶通濾波以及電平抬升。

• 電阻和電容： 各種常用阻值和容值的貼片或直插電阻、電容。

• 選擇原因： 構建放大電路的增益、偏置電路，以及RC濾波器的截止頻率。精度和穩定性對于濾波效果至關重要。

• 功能： 決定放大電路的增益、頻率響應特性、濾波器的截止頻率和Q值。

• 電位器： 10kΩ 或 50kΩ。

• 選擇原因： 用于調節放大倍數或偏置電壓，方便系統調試和適應不同個體的信號強度。

• 功能： 提供可調電阻，用于增益調節或零點漂移校正。

信號調理電路構成：

1. 前置放大： 將光敏接收管輸出的微弱電流信號轉換為電壓信號并進行初步放大。通常采用跨阻放大器（Transimpedance Amplifier）或共發射極放大電路。如果使用光電二極管，則通常需要跨阻放大器。如果使用光電三極管，可以直接通過負載電阻轉換為電壓信號。這里我們假設光電三極管的集電極接電源，發射極通過負載電阻到地，從發射極（或集電極）引出信號。然后通過一個非反相放大器或反相放大器進行初步放大。

• 元器件： 1個LM358單元，配合電阻構成放大電路。

2. 高通濾波： 濾除直流分量和低頻運動偽影，保留脈搏的交流成分。脈搏信號頻率通常在0.8Hz到3Hz之間，因此高通濾波器的截止頻率應設定在0.5Hz左右。

• 元器件： 1個LM358單元，配合電阻電容構成一階或二階有源高通濾波器。

3. 交流放大： 對經過高通濾波后的脈搏信號進行進一步放大，使其幅值達到A/D轉換器的輸入范圍（如0-5V）。

• 元器件： 1個LM358單元，配合電阻構成放大電路，可通過電位器調節增益。

4. 低通濾波： 濾除高頻噪聲干擾，如電源紋波、高頻干擾等。脈搏信號的有效頻率通常低于10Hz，因此低通濾波器的截止頻率應設定在10Hz-15Hz左右。

• 元器件： 1個LM358單元，配合電阻電容構成一階或二階有源低通濾波器。

5. 電平抬升（可選）： 如果信號在處理過程中出現了負電壓，或者需要將信號偏置到ADC的中心電壓，則需要進行電平抬升。對于單電源供電的ADC，信號需要被偏置到0V以上。

• 元器件： 1個LM358單元，配合電阻，用于將信號抬升到正電壓范圍。

3.3 A/D轉換模塊

功能： 將調理后的模擬脈搏信號轉換為單片機可識別和處理的數字信號。

元器件選型：

• 內置A/D轉換器： STC89C52RC（增強型51單片機），ATmega32（AVR單片機，但如果嚴格限制51，則不選），或者外置ADC芯片。

• STC89C52RC： 部分增強型51單片機集成了8位或10位的ADC，可以直接使用，簡化了硬件連接。例如，STC89C52RC的某些型號提供了ADC功能，但其位數和轉換速度可能不如專用ADC芯片。

• ADC0804： 8位并行輸出ADC，價格低廉，易于學習和使用，與51單片機接口方便。

• PCF8591： 8位I2C接口ADC，帶4路模擬輸入和1路DAC輸出，占用單片機I/O口少，適合多路模擬量采集。

• 本方案推薦： 考慮到51單片機的常見應用和易用性，可以優先考慮帶有ADC功能的STC89C52RC或使用外部ADC0804。ADC0804作為經典的8位ADC，與51單片機接口簡單直觀，適合教學和入門項目。其8位分辨率對于脈搏信號采集來說通常是足夠的。

• 選擇原因：

• 功能： 將0-5V的模擬電壓信號轉換為0-255（對于8位ADC）的數字量。

電路連接： ADC0804的數據引腳（D0-D7）直接連接到51單片機的一個I/O口（如P0口），控制引腳（CS, RD, WR, INTR）連接到51單片機的其他I/O口（如P3口）。模擬輸入引腳（VIN+）連接到信號調理模塊的輸出。

3.4 微控制器處理模塊

功能： 系統的核心控制單元，負責A/D轉換的控制、數字信號的采集、脈搏頻率的計算、波形特征的分析以及顯示模塊的驅動。

元器件選型：

• 51系列單片機： STC89C52RC 或 AT89C52。

• A/D轉換控制： 發送控制信號給ADC，啟動轉換并讀取轉換結果。

• 數據采集與存儲： 周期性地采集A/D轉換后的數字信號，并存儲在內部RAM中。

• 脈搏頻率計算： 通過檢測脈搏波形的波峰或波谷，計算兩次波峰（或波谷）之間的時間間隔，從而得出脈搏周期，進而計算出每分鐘的脈搏次數（BPM）。這可能涉及到數字濾波算法（如滑動平均濾波）和峰值檢測算法。

• 顯示驅動： 控制LCD模塊顯示脈搏頻率、波形（如果LCD足夠大且有圖形顯示能力）等信息。

• 串口通信（可選）： 可以通過UART接口與PC機通信，上傳數據進行更高級的分析或存儲。

• 選擇原因： 51系列單片機是微控制器領域的經典型號，資源豐富，資料眾多，開發環境成熟，成本低廉，非常適合初學者和一般嵌入式系統應用。STC89C52RC是宏晶公司推出的增強型51單片機，具有高速、低功耗、抗干擾強等特點，且片內資源（如Flash、RAM）相對充裕，部分型號還集成ADC功能，可以簡化設計。AT89C52是Atmel公司的經典型號，性能穩定可靠。

• 功能：

• 晶振： 11.0592MHz 或 12MHz。

• 選擇原因： 為單片機提供穩定的時鐘源。11.0592MHz是常用的晶振頻率，因為它可以精確產生各種波特率，方便串口通信。12MHz也是常用頻率，計算定時器和波特率相對簡單。

• 功能： 提供單片機運行所需的工作頻率。

• 復位電路： RC復位電路（10kΩ電阻和10uF電容）或專用復位芯片（如MAX811）。

• 選擇原因： 保證單片機上電時能夠正確復位并開始執行程序。RC復位電路簡單實用，MAX811等專用復位芯片提供更可靠的上電復位和欠壓復位功能。

• 功能： 在上電或外部觸發時，使單片機回到初始狀態。

軟件設計思路：

1. 初始化： 初始化單片機I/O口、定時器、串口（如果使用）、ADC等。

2. ADC采樣： 設置定時器中斷，每隔一定時間（如10ms或20ms）觸發一次ADC采樣，讀取脈搏信號數據。

3. 數據處理：

• 數字濾波： 對采集到的原始數字信號進行數字濾波，如滑動平均濾波、中值濾波或FIR/IIR數字濾波器，進一步去除噪聲，平滑波形。

• 峰值檢測： 編寫算法檢測脈搏波形中的波峰或波谷。可以通過比較當前點與前后點的幅值，并設置一個閾值來識別。為了提高魯棒性，可以結合一段時間內的波形特征進行判斷。

• 脈搏計算： 記錄兩次連續波峰（或波谷）之間的時間點，計算其時間差，然后換算成每分鐘的脈搏次數（BPM = 60 / 周期時間）。

4. 顯示更新： 定時更新LCD顯示屏上的脈搏數據。

5. 報警功能（可選）： 如果脈搏頻率超出正常范圍（如過快或過慢），可以驅動蜂鳴器或LED進行報警。

3.5 顯示模塊

功能： 用于實時顯示采集到的脈搏頻率等信息，方便用戶直觀了解。

元器件選型：

• LCD1602液晶顯示屏：

• 選擇原因： 字符型液晶顯示屏，成本低，接口簡單，功耗低，能顯示兩行16個字符，足以顯示脈搏頻率等數字信息。與51單片機接口非常方便。

• 功能： 顯示脈搏頻率（如“Heart Rate: XX BPM”）、系統狀態信息等。

• LCD12864液晶顯示屏（可選）：

• 選擇原因： 圖形點陣液晶顯示屏，可以顯示更多信息，甚至可以繪制簡單的脈搏波形圖，提供更直觀的視覺效果。但價格相對較高，驅動程序也更為復雜。

• 功能： 顯示脈搏頻率，實時波形圖，系統菜單等。

• 蜂鳴器/LED： （可選）

• 選擇原因： 作為報警指示，當脈搏異常時發出聲音或光亮提醒。

• 功能： 提供聽覺或視覺報警。

電路連接： LCD1602的P0口（或P1口）作為數據線，P2口或P3口作為控制線（RS, RW, EN）。

3.6 電源模塊

功能： 為整個系統提供穩定可靠的直流電源。

元器件選型：

• 線性穩壓芯片： LM7805。

• 選擇原因： 經典的5V線性穩壓器，輸出穩定，紋波小，價格低廉，使用方便。適合為51單片機和大部分數字電路供電。

• 功能： 將輸入的較高直流電壓（如9V或12V）穩定輸出為5V，供單片機和外圍數字電路使用。

• 濾波電容： 100uF電解電容（輸入端），0.1uF陶瓷電容（輸入和輸出端）。

• 選擇原因： 大容量電解電容用于濾除電源輸入的低頻紋波，小容量陶瓷電容用于濾除高頻噪聲，提高電源穩定性。

• 功能： 降低電源紋波，穩定輸出電壓。

• 整流橋/二極管： 1N4007（整流橋或單個二極管）。

• 選擇原因： 如果輸入是交流電，則需要整流橋進行整流。如果輸入是直流適配器，則可以省略整流橋，但建議串聯一個二極管防止反接。

• 功能： 將交流電轉換為脈動直流電，或提供反接保護。

• 電源適配器： 9V或12V直流電源適配器。

• 選擇原因： 方便提供外部電源輸入。

• 功能： 提供系統所需的大致直流電壓。

電路連接： 電源適配器輸出接穩壓芯片輸入端，穩壓芯片輸出5V接單片機VCC和各模塊電源。濾波電容并聯在穩壓芯片的輸入和輸出端。

4. 系統抗干擾措施

脈搏信號極其微弱且容易受到各種干擾，因此在設計中必須考慮抗干擾措施：

• 電源去耦： 在每個芯片的電源引腳附近并聯0.1uF的陶瓷電容，濾除高頻噪聲。

• 地線處理： 采用星形接地或大面積鋪地，減少地線阻抗和共地干擾。

• 信號屏蔽： 傳感器引線和信號調理部分的連接線應盡量短，并可考慮使用屏蔽線。

• 數字模擬隔離： 盡可能將數字電路和模擬電路分開布局，避免數字噪聲對模擬信號的干擾。電源也應分開供電或通過濾波隔離。

• 軟件濾波： 在單片機程序中加入數字濾波算法，如滑動平均濾波、中值濾波，進一步去除采集到的數據中的毛刺和噪聲。

• 環境光屏蔽： 脈搏傳感器部分應有良好的遮光設計，防止環境光干擾。

5. 調試與測試

• 分模塊測試： 逐一測試每個模塊的功能，例如，首先測試電源模塊電壓是否穩定，然后測試脈搏采集模塊是否有信號輸出，信號調理模塊是否能正確放大和濾波，最后測試ADC轉換是否正常。

• 波形觀察： 使用示波器觀察信號調理模塊各級輸出的波形，確保波形正常，無明顯噪聲或失真。

• 軟件調試： 通過串口打印、LED指示等方式，觀察單片機內部處理的數據和計算結果，驗證算法的正確性。

• 精度測試： 將系統測量結果與醫用脈搏計進行對比，評估系統的測量精度和穩定性。

6. 總結與展望

本設計方案詳細闡述了一個基于51單片機的脈搏采集系統，從硬件選型到軟件設計都進行了較為深入的探討。所選元器件均是市場上常見、性能穩定且性價比高的型號，適合進行DIY制作或教學實踐。該系統能夠實現基本的脈搏信號采集、處理和顯示功能。

未來的改進方向可以包括：

• 提高精度： 采用更高位數的ADC（如10位、12位），選擇更低噪聲、更高共模抑制比的儀表放大器，優化濾波算法。

• 增加功能： 引入藍牙或Wi-Fi模塊，實現數據無線傳輸到手機或云端；增加血氧飽和度測量功能；增加心電信號（ECG）采集功能，實現更全面的生理參數監測。

• 優化算法： 采用更先進的數字信號處理算法，如自適應濾波、小波分析等，提高抗干擾能力和波形特征提取的準確性。

• 小型化和便攜性： 采用貼片元器件，優化PCB布局，設計更小巧、更便攜的設備。

• 用戶友好性： 引入圖形化用戶界面，觸摸屏操作等。

通過這些改進，基于51單片機的脈搏采集系統可以逐步發展成為功能更強大、性能更優越的個人健康監測設備。