您现在的位置：首页 > 技术方案 >健康医疗 > 基于51单片机的脉搏采集系统设计方案

基于51单片机的脉搏采集系统设计方案

来源：

2025-06-19

类别：健康医疗

拍明芯城

基于51单片机的脉搏采集系统设计方案

1. 引言

随着人们健康意识的不断提高，家用医疗设备的需求也日益增长。脉搏作为人体生命体征的重要指标，其跳动频率和波形能够反映心血管系统的健康状况。基于51单片机的脉搏采集系统，以其成本低廉、结构简单、易于实现等优点，在个人健康监测、教学实验等领域具有广泛的应用前景。本设计方案旨在详细阐述一个基于51单片机的脉搏采集系统，从传感器选择、信号调理、数据处理到显示输出等各个环节进行深入分析，并推荐合适的元器件型号及解释其选择原因，以期为相关领域的开发提供参考。

2. 系统总体设计

本脉搏采集系统主要由以下几个核心模块组成：脉搏信号采集模块、信号调理模块、A/D转换模块、微控制器处理模块、显示模块和电源模块。系统的工作流程如下：通过脉搏传感器将人体的脉搏跳动转换为电信号；微弱的电信号经过前置放大、滤波等信号调理电路进行放大和去噪；调理后的模拟信号通过A/D转换器转换为数字信号；51单片机对数字信号进行处理，提取脉搏频率等信息；最后通过液晶显示屏实时显示脉搏数据。

3. 各模块详细设计与元器件选型

3.1 脉搏信号采集模块

功能： 负责将手指（或耳垂）处的脉搏跳动信息转化为可测量的电信号。通常采用光电透射法或光电反射法。本方案推荐采用光电透射法，因其相对成熟且信号质量较好。

元器件选型：

红外发射管： TLN101 或等效型号。

选择原因： 红外光对人体组织穿透性好，且对血红蛋白的吸收率与血氧饱和度变化相关性大，能有效反映血容量的搏动变化。TLN101是常见的低功耗红外发射管，发射波长约为940nm，与血红蛋白对红外光的吸收特性匹配。
功能： 发射特定波长的红外光穿透手指。

光敏接收管（光电三极管或光敏电阻）： PT333-3C 或 BPW34（光电二极管）。

选择原因： PT333-3C是常用的光电三极管，具有较高的灵敏度和较快的响应速度，能有效接收经过组织吸收后的红外光。BPW34是PIN光电二极管，噪声更低，响应更快，但输出电流较小，需要更精细的跨阻放大。考虑到简化设计，PT333-3C或其类似型号更为常见。
功能： 接收透射过手指的红外光，并将其强度变化转换为电流信号。当心脏搏动时，手指的血容量会周期性变化，导致透射的红外光强度也随之变化，从而产生脉冲电流信号。

电阻（限流电阻）： 100Ω~220Ω，具体根据发射管电流需求和电源电压确定。

选择原因： 限制红外发射管的工作电流，保护发射管不被烧毁，并使其工作在最佳发光效率点。
功能： 稳定红外发射管的工作电流。

电路连接： 红外发射管与限流电阻串联后接电源，光敏接收管根据其类型连接至后续信号调理电路的输入端。通常光敏接收管的集电极接电源，发射极接负载电阻，从负载电阻两端提取电压信号。

3.2 信号调理模块

功能： 采集到的脉搏信号通常非常微弱，且伴随着各种噪声干扰（如工频干扰、运动伪影、环境光干扰等）。信号调理模块的主要任务是对原始信号进行放大、滤波、去噪和电平转换，使其满足A/D转换器的输入要求。

元器件选型：

运算放大器（Op-Amp）： LM358 (双运放) 或 TL082 (JFET输入双运放) 或 AD620 (仪表放大器)。

LM358： 性价比高，功耗低，单电源供电，是初学者和一般应用的首选。它包含两个独立的运放，可以用于前置放大和滤波。
TL082： JFET输入，输入阻抗高，偏置电流小，适合处理高阻抗信号源，对脉搏这种微弱信号源更为有利，噪声表现也优于LM358。
AD620： 专业的仪表放大器，具有极高的共模抑制比（CMRR），低噪声，高精度，是处理微弱差分信号的理想选择，能有效抑制共模干扰。但成本较高，电路相对复杂。
本方案推荐： 对于一般应用，可以首先尝试使用LM358进行多级放大和滤波，如果对精度和抗干扰能力要求更高，可考虑TL082或在关键环节使用AD620。我们假设采用LM358兼顾成本和性能。
选择原因：
功能： 实现多级放大（前置放大、交流放大），高通滤波、低通滤波、带通滤波以及电平抬升。

电阻和电容： 各种常用阻值和容值的贴片或直插电阻、电容。

选择原因： 构建放大电路的增益、偏置电路，以及RC滤波器的截止频率。精度和稳定性对于滤波效果至关重要。
功能： 决定放大电路的增益、频率响应特性、滤波器的截止频率和Q值。

电位器： 10kΩ 或 50kΩ。

选择原因： 用于调节放大倍数或偏置电压，方便系统调试和适应不同个体的信号强度。
功能： 提供可调电阻，用于增益调节或零点漂移校正。

信号调理电路构成：

前置放大： 将光敏接收管输出的微弱电流信号转换为电压信号并进行初步放大。通常采用跨阻放大器（Transimpedance Amplifier）或共发射极放大电路。如果使用光电二极管，则通常需要跨阻放大器。如果使用光电三极管，可以直接通过负载电阻转换为电压信号。这里我们假设光电三极管的集电极接电源，发射极通过负载电阻到地，从发射极（或集电极）引出信号。然后通过一个非反相放大器或反相放大器进行初步放大。

元器件： 1个LM358单元，配合电阻构成放大电路。

高通滤波： 滤除直流分量和低频运动伪影，保留脉搏的交流成分。脉搏信号频率通常在0.8Hz到3Hz之间，因此高通滤波器的截止频率应设定在0.5Hz左右。

元器件： 1个LM358单元，配合电阻电容构成一阶或二阶有源高通滤波器。

交流放大： 对经过高通滤波后的脉搏信号进行进一步放大，使其幅值达到A/D转换器的输入范围（如0-5V）。

元器件： 1个LM358单元，配合电阻构成放大电路，可通过电位器调节增益。

低通滤波： 滤除高频噪声干扰，如电源纹波、高频干扰等。脉搏信号的有效频率通常低于10Hz，因此低通滤波器的截止频率应设定在10Hz-15Hz左右。

元器件： 1个LM358单元，配合电阻电容构成一阶或二阶有源低通滤波器。

电平抬升（可选）： 如果信号在处理过程中出现了负电压，或者需要将信号偏置到ADC的中心电压，则需要进行电平抬升。对于单电源供电的ADC，信号需要被偏置到0V以上。

元器件： 1个LM358单元，配合电阻，用于将信号抬升到正电压范围。

3.3 A/D转换模块

功能： 将调理后的模拟脉搏信号转换为单片机可识别和处理的数字信号。

元器件选型：

内置A/D转换器： STC89C52RC（增强型51单片机），ATmega32（AVR单片机，但如果严格限制51，则不选），或者外置ADC芯片。

STC89C52RC： 部分增强型51单片机集成了8位或10位的ADC，可以直接使用，简化了硬件连接。例如，STC89C52RC的某些型号提供了ADC功能，但其位数和转换速度可能不如专用ADC芯片。
ADC0804： 8位并行输出ADC，价格低廉，易于学习和使用，与51单片机接口方便。
PCF8591： 8位I2C接口ADC，带4路模拟输入和1路DAC输出，占用单片机I/O口少，适合多路模拟量采集。
本方案推荐： 考虑到51单片机的常见应用和易用性，可以优先考虑带有ADC功能的STC89C52RC或使用外部ADC0804。ADC0804作为经典的8位ADC，与51单片机接口简单直观，适合教学和入门项目。其8位分辨率对于脉搏信号采集来说通常是足够的。
选择原因：
功能： 将0-5V的模拟电压信号转换为0-255（对于8位ADC）的数字量。

电路连接： ADC0804的数据引脚（D0-D7）直接连接到51单片机的一个I/O口（如P0口），控制引脚（CS, RD, WR, INTR）连接到51单片机的其他I/O口（如P3口）。模拟输入引脚（VIN+）连接到信号调理模块的输出。

3.4 微控制器处理模块

功能： 系统的核心控制单元，负责A/D转换的控制、数字信号的采集、脉搏频率的计算、波形特征的分析以及显示模块的驱动。

元器件选型：

51系列单片机： STC89C52RC 或 AT89C52。

A/D转换控制： 发送控制信号给ADC，启动转换并读取转换结果。
数据采集与存储： 周期性地采集A/D转换后的数字信号，并存储在内部RAM中。
脉搏频率计算： 通过检测脉搏波形的波峰或波谷，计算两次波峰（或波谷）之间的时间间隔，从而得出脉搏周期，进而计算出每分钟的脉搏次数（BPM）。这可能涉及到数字滤波算法（如滑动平均滤波）和峰值检测算法。
显示驱动： 控制LCD模块显示脉搏频率、波形（如果LCD足够大且有图形显示能力）等信息。
串口通信（可选）： 可以通过UART接口与PC机通信，上传数据进行更高级的分析或存储。
选择原因： 51系列单片机是微控制器领域的经典型号，资源丰富，资料众多，开发环境成熟，成本低廉，非常适合初学者和一般嵌入式系统应用。STC89C52RC是宏晶公司推出的增强型51单片机，具有高速、低功耗、抗干扰强等特点，且片内资源（如Flash、RAM）相对充裕，部分型号还集成ADC功能，可以简化设计。AT89C52是Atmel公司的经典型号，性能稳定可靠。
功能：

晶振： 11.0592MHz 或 12MHz。

选择原因： 为单片机提供稳定的时钟源。11.0592MHz是常用的晶振频率，因为它可以精确产生各种波特率，方便串口通信。12MHz也是常用频率，计算定时器和波特率相对简单。
功能： 提供单片机运行所需的工作频率。

复位电路： RC复位电路（10kΩ电阻和10uF电容）或专用复位芯片（如MAX811）。

选择原因： 保证单片机上电时能够正确复位并开始执行程序。RC复位电路简单实用，MAX811等专用复位芯片提供更可靠的上电复位和欠压复位功能。
功能： 在上电或外部触发时，使单片机回到初始状态。

软件设计思路：

初始化： 初始化单片机I/O口、定时器、串口（如果使用）、ADC等。
ADC采样： 设置定时器中断，每隔一定时间（如10ms或20ms）触发一次ADC采样，读取脉搏信号数据。
数据处理：

数字滤波： 对采集到的原始数字信号进行数字滤波，如滑动平均滤波、中值滤波或FIR/IIR数字滤波器，进一步去除噪声，平滑波形。
峰值检测： 编写算法检测脉搏波形中的波峰或波谷。可以通过比较当前点与前后点的幅值，并设置一个阈值来识别。为了提高鲁棒性，可以结合一段时间内的波形特征进行判断。
脉搏计算： 记录两次连续波峰（或波谷）之间的时间点，计算其时间差，然后换算成每分钟的脉搏次数（BPM = 60 / 周期时间）。

显示更新： 定时更新LCD显示屏上的脉搏数据。
报警功能（可选）： 如果脉搏频率超出正常范围（如过快或过慢），可以驱动蜂鸣器或LED进行报警。

3.5 显示模块

功能： 用于实时显示采集到的脉搏频率等信息，方便用户直观了解。

元器件选型：

LCD1602液晶显示屏：

选择原因： 字符型液晶显示屏，成本低，接口简单，功耗低，能显示两行16个字符，足以显示脉搏频率等数字信息。与51单片机接口非常方便。
功能： 显示脉搏频率（如“Heart Rate: XX BPM”）、系统状态信息等。

LCD12864液晶显示屏（可选）：

选择原因： 图形点阵液晶显示屏，可以显示更多信息，甚至可以绘制简单的脉搏波形图，提供更直观的视觉效果。但价格相对较高，驱动程序也更为复杂。
功能： 显示脉搏频率，实时波形图，系统菜单等。

蜂鸣器/LED： （可选）

选择原因： 作为报警指示，当脉搏异常时发出声音或光亮提醒。
功能： 提供听觉或视觉报警。

电路连接： LCD1602的P0口（或P1口）作为数据线，P2口或P3口作为控制线（RS, RW, EN）。

3.6 电源模块

功能： 为整个系统提供稳定可靠的直流电源。

元器件选型：

线性稳压芯片： LM7805。

选择原因： 经典的5V线性稳压器，输出稳定，纹波小，价格低廉，使用方便。适合为51单片机和大部分数字电路供电。
功能： 将输入的较高直流电压（如9V或12V）稳定输出为5V，供单片机和外围数字电路使用。

滤波电容： 100uF电解电容（输入端），0.1uF陶瓷电容（输入和输出端）。

选择原因： 大容量电解电容用于滤除电源输入的低频纹波，小容量陶瓷电容用于滤除高频噪声，提高电源稳定性。
功能： 降低电源纹波，稳定输出电压。

整流桥/二极管： 1N4007（整流桥或单个二极管）。

选择原因： 如果输入是交流电，则需要整流桥进行整流。如果输入是直流适配器，则可以省略整流桥，但建议串联一个二极管防止反接。
功能： 将交流电转换为脉动直流电，或提供反接保护。

电源适配器： 9V或12V直流电源适配器。

选择原因： 方便提供外部电源输入。
功能： 提供系统所需的大致直流电压。

电路连接： 电源适配器输出接稳压芯片输入端，稳压芯片输出5V接单片机VCC和各模块电源。滤波电容并联在稳压芯片的输入和输出端。

4. 系统抗干扰措施

脉搏信号极其微弱且容易受到各种干扰，因此在设计中必须考虑抗干扰措施：

电源去耦： 在每个芯片的电源引脚附近并联0.1uF的陶瓷电容，滤除高频噪声。
地线处理： 采用星形接地或大面积铺地，减少地线阻抗和共地干扰。
信号屏蔽： 传感器引线和信号调理部分的连接线应尽量短，并可考虑使用屏蔽线。
数字模拟隔离： 尽可能将数字电路和模拟电路分开布局，避免数字噪声对模拟信号的干扰。电源也应分开供电或通过滤波隔离。
软件滤波： 在单片机程序中加入数字滤波算法，如滑动平均滤波、中值滤波，进一步去除采集到的数据中的毛刺和噪声。
环境光屏蔽： 脉搏传感器部分应有良好的遮光设计，防止环境光干扰。

5. 调试与测试

分模块测试： 逐一测试每个模块的功能，例如，首先测试电源模块电压是否稳定，然后测试脉搏采集模块是否有信号输出，信号调理模块是否能正确放大和滤波，最后测试ADC转换是否正常。
波形观察： 使用示波器观察信号调理模块各级输出的波形，确保波形正常，无明显噪声或失真。
软件调试： 通过串口打印、LED指示等方式，观察单片机内部处理的数据和计算结果，验证算法的正确性。
精度测试： 将系统测量结果与医用脉搏计进行对比，评估系统的测量精度和稳定性。