脉搏测试仪报告.doc

人体生物信息检测仪目录一.引言- 3 -二.方案设计- 3 -2.1 硬件部分- 3 -2.1.1 主控器模块- 3 -2.1.2 脉搏采集传感器- 4 -2.1.3 温度采集传感器- 4 -2.1.4 语音播报电路- 5 -2.1.5 信号放大电路- 6 -2.1.6 显示模块- 6 -2.1.7 按键控制部分- 7 -2.2 软件部分- 7 -三.硬件设计- 8 -3.1 电源电路- 8 -3.2 LCD显示模块- 8 -3.3 单片机最小系统- 9 -3.4 脉搏采集部分- 9 -3.5 体表温度采集部分- 10 -3.6 信号处理部分- 11 -3.6.1 信号放大及整形电路- 11 -3.6.2 信号滤波及反向电路- 12 -3.7 声音告警系统- 13 -3.8 语音播报系统- 14 -3.9 按键控制部分- 14 -四.软件设计- 14 -4.1 主函数设计- 14 -4.2 脉搏测量子函数设计- 15 -4.3 体表温度测量子函数设计- 16 -五.功能测试部分- 16 -5.1 基本功能测试- 16 -5.1.1 基本功能（1）测试- 16 -5.1.2 基本功能（2）测试- 17 -5.1.3 基本功能（3）测试- 17 -5.1.4 基本功能（4）测试- 17 -5.2 发挥功能测试- 18 -5.2.1 发挥功能（1）测试- 18 -5.2.2 发挥功能（2）测试- 18 -5.3 创新部分测试- 18 -六.总结- 19 -七.附录- 19 -八.参考文献- 37 -一、引言随着科技的不断发展，现代社会对各种信息参数的准确度和精确度的要求都呈几何倍数的增长，而如何准确而又迅速的获得这些参数则受制于现代信息基础的发展水平。在三大信息信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)中，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说渗透到社会的每一个领域。与此同时，单片机在测控领域中具有十分广泛的应用，它既可以测量脉搏心率数，又可以用来测量温度等参数。由单片机构成的温度检测、温度控制系统广泛应用于我们生活中的很多领域。根据题目要求本设计采用STC89C58RD+ 单片机开发板作为控制核心。系统主要包括脉搏采集传感器模块、信号调整电路、温度采集传感器模块、主控器模块、键盘控制模块、显示模块、声光报警电路、电源供电模块八个模块。在脉搏测量方面，用波长为600-1000nm的红外二极管照射指尖，光敏二极管接收信号进行转换，转换后的微弱电流信号经运放LM358转化为电压，电压信号经放大、整形、滤波后成为较为规则的方波，直流叠加后的信号被单片机进行采样，转化为相应的脉搏跳动值；在体表温度测量方面，通过DS18B20直接读取被测者体表温度值，送入单片机进行数据处理，最后二者的测量结果通过液晶显示出来。当测量的脉搏跳动次数或测量的体表温度超过设定值时，单片机控制蜂鸣器报警。二、方案设计2.1硬件部分2.1.1主控器模块的方案论证与比较方案一：利用MC68HC05/08系列单片机对系统进行控制。其乘法和除法指令给编程带来了便利。但是其指令系统共有89条指令，不利于CPU的执行速度。方案二：采用MCS-51系列单片机对系统进行控制。MCS-51系列单片机采用哈佛体系结构，虽然其程序存储器和数据存储器独立编址，但它们与CPU之间传递信息必须共用同一条总线，且其指令系统共有111条指令，于是影响到CPU运行速度的进一步提高。方案三：采用STC89C58RD+系列单片机对系统进行控制。STC89C58RD+是一种新型的51内核的单片机，它内部包含32Kflash ROM、1.2KRAM,具有超低功耗，正常工作模式下典型功耗为47mA，空闲模式下小于2mA。STC89C58RD+与传统的51单片机相比具有超强的抗干扰能力，每个I/O口对Vcc和GND均进行了二极管箝位保护，因此输入电压范围宽，不怕电源抖动。综上分析，主控器模块应选择方案三STC89C58RD+系列单片机。2.1.2脉搏采集传感器的方案论证与比较方案一：采用集成传感器。当前，市面上有很多类型的集成心电传感器，其灵敏度高，集成度高，直接就可以反映出心率的变化，且已包含了滤波等抗干扰电路，波形经过放大可以直接处理使用，但其价格非常昂贵，购买也不是很方便。方案二：采用红外对管。采集信号经过放大，滤波，比较等处理便可以得到理想的信号。红外对管具有灵敏度高，易于操作，响应速度快，结构简单等优点，满足题目所需的要求。方案三：采用压电陶瓷片。压电陶瓷片可以将脉搏振动转化为电压信号，可以将压电陶瓷片测得的信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示，从而实现实时监测脉搏次数的目的。但人体手腕的运动或颈部的运动如说话仍然会对信号采集产生影响。综上分析，脉搏采集传感器应选择方案二红外对管。2.1.3温度采集传感器的方案论证与比较方案一：采用热敏电阻。利用热敏电阻的感温效应，可满足40至90测量范围，但热敏电阻的精度、重复性、可靠性较差。而且在温度测量系统中，采用单片温度传感器，但这些芯片输出的都是模拟信号，必须经过A/D转换后才能送给计算机，这样就使得测温装置的结构较复杂，一定程度上也增加的软件实现的难度。方案二：采用热敏温度传感器LM35。LM35是模拟温度传感器，因此需要相应的处理电路，但该电路设计复杂，对电源要求严格，而且容易受外界因素影响，成本也相对昂贵。方案三：采用数字温度芯片DS18B20测量温度。DS18B20输出信号全数字化，便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，线性较好，在0100时，最大线性偏差小于1。综上，综上分析，温度采集传感器应选择方案三温度芯片DS18B20。2.1.4语音播报电路的方案论证与比较方案一：采用ISD1420语音录放电路完成系统的语音播报。电路内部由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。基本上不耗电信息存储。ISD1420语音录放电路体积大，功能不完善、需要另加语音放大电路。方案二：采用SYN6288中文语音合成芯片完成系统的语音播报。SYN6288中文语音合成芯片硬件接口简单、低功耗、音色清亮圆润并且具有极高的性价比。其最终产品提供SSOP贴片封装形式，体积小；芯片各项指标均满足室外严酷环境下的应用。除此之外，SYN6288芯片识别文本、数字、字符串更智能、更准确，语音合成自然度更好、可懂度更高、并且通过串口直接发送数据。控制简单。还支持GB2312、GBK、BIG5和UNICODE内码格式文本；每次合成的文本量最多可达200字节。方案三：通过A/D转换器、单片机，存储器，D/A转换器实现声音信号的采样、处理、存储和实现。首先将声音信号放大，通过A/D转换器采样将语音模拟信号转换成数字信号，并由单片机和处理存放到存储器中，实现录音操作。在录、放音过程中由单片机控制D/A转换器，将存储器中的数据转化成声音信号。此方案安装调试复杂，集成度低综上分析，语音播报电路应选择方案二SYN6288中文语音合成芯片。2.1.5信号放大电路的方案论证与比较方案一：采用由CD4069组成放大电路，脉搏传感器出来的电压信号较弱，需要对其进行放大。将脉搏传感器出来的信号进行放大，使之成为一个幅值适当的信号，便于后续电路的处理。脉冲信号经低通放大器放大，放大器进一步放大后，送给施密特触发器整形后输出。最将整形后的信号放大并传给单片机进行处理,但其电路复杂而且不够稳定，使用起来极其不便。方案二：采用由MAX494组成的放大电路，放大的信号比较稳定，MAX494的供电电压比较低，输入阻抗高，具有高精度、低功耗等的特点，但出于锻炼自己能力的目的，不予采用方案三：采用LM358和LM393自主设计一个放大电路，不但能根据实际情况进行调整，更能锻炼自己的能力和思维。综上所述，信号放大电路应选择方案三，采用LM358和LM393自主设计一个放大电路。2.1.6显示模块的方案论证与比较方案一：使用液晶屏LCD12864显示。液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强的特点。方案二：在使用传统的数码管显示。数码管对外界环境要求低，易于维护，同时其精度高，称量快，精确可靠，操作简单。但其信息量小，占用资源较多，且不能显示汉字及英文字母。方案三：采用LCD 1602A液晶显示。LCD液晶因具有功耗低、显示内容丰富、清晰，显示信息量大，显示速度较快，但其可视面积过小，无法满足题目显示要求。综上所述，显示模块应选择方案一SYN6288液晶屏LCD12864。2.1.7 按键控制部分的方案论证与比较方案一：不用任何芯片连接键盘矩阵，直接与单片机的I/O连接，将占用单片机的8个I/O接口，对其他功能的扩展造成了负担。所以应用一个扩展I/O的芯片完成与单片机的连接。方案二：用8255作为单片机的I/O接口的扩展芯片，因为是并行接口，所以需要占用8255的8个I/O口，并且8255内部不包含地址锁存器来锁存单片机送来的端口地址和RAM地址，所以还需要一个8位地址锁存器与单片机连接。这样就增加了该系统的成本，带来了不必要的麻烦。方案三：采用普通按键，电路简单，操作方便，功耗低，价格低廉，且符合题目中所需按键较少的情况。综上所述，按键控制部分应选择方案三普通按键。2.2软件部分方案一：采用VC编程。Microsoft Visual C+是Microsoft公司推出的开发Win32环境程序，面向对象的可视化集成编程系统。它不但具有程序框架自动生成、灵活方便的类管理、代码编写和界面设计集成交互操作、可开发多种程序等优点它以拥有“语法高亮”，IntelliSense（自动编译功能）以及高级除错功能而著称。方案二： 采用VB进行编程。VB 的中心思想就是要便于程序员使用，无论是新手或者专家。VB使用了可以简单建立应用程序的 GUI 系统，但是又可以开发相当复杂的程序。VB 的程序是一种基于窗体的可视化组件安排的联合，并且增加代码来指定组件的属性和方法。因为默认的属性和方法已经有一部分定义在了组件内，所以程序员不用写多少代码就可以完成一个简单的程序。但是由于是面向过程的，所以功能有所欠缺， 而且在在底层功能和指针的支持没有VC好。方案三：采用汇编语言进行编程。汇编语言是面向机器的低级语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专门设计的，保持了机器语言的优点，具有直接和简洁的特点，可有效地访问、控制计算机的各种硬件设备。但编写的代码非常难懂，不好维护，只能针对特定的体系结构和处理器进行优化，开发效率低。综上所述，软件应选择方案一VC。三、硬件设计3.1电源电路在本测量系统中，STC89C58RD+单片机供电电压范围是3.3V5.5V，语音播报模块供电电压为2.1V5.1V,红外对管也可用5V供电，故采用7805稳压芯片作为系统的电源。电源模块电路原理图见下图1所示。3.2 LCD显示模块采用LCD12864作为显示模块，其可以显示汉字及图形信息。为了降低功耗，设置了跳线，可根据实际应用随时将背景灯关闭。LCD显示模块接口电路原理图见下图2所示。3.3 单片机最小系统STC89C58RD+单片机供电电压为5V，为加快处理速度，选用12M的晶振。此外，为了操作的方便性，增加了按键控制功能，如控制回放等。关于STC89C58RD+及键盘电路原理图见下图3所示。3.4 脉搏采集部分红外对管是一种光电转换的器件。它可以将外界的光信号转换成电压信号，以便于系统识别。光电对管由发光管和接受管两部分构成，在应用中可以给发光管加上适当的恒定电流，使其发出均匀稳定的光。接收管串入合适的电路，系统可以从接受管上获取电压信号。当发光管和接受管之间的透光状况发生变化时将引起通过接受管的电流的变化。在进行测量的过程中血液浓度的变化引起接受管上光强变化，从而系统就可以采集到周期变化的脉动信号。3.5 体表温度采集部分DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如下:DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。以单总线温度传感器DS18B20为核心，以SPCE061A芯片控制器制作的结构简单、测温准确、具有一定控制功能的智能温度控制器，它的体积更小、适用电压更宽、更经济，它的测量温度范围为55125，在1085范围内，精度为0.5，DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5。3.6信号处理部分3.6.1 信号放大及整形电路由于本设计由红外对管接收到的信号非常微弱，所以在进入单片机之前要应用放大电路对信号进行放大，本设计采用深度负反馈放大电路，集成运放LM358采用双电源供电，若该运放应用单电源供电，则输入端电压只可为门限电压的1/2.所以设计中采用双电源供电。LM358运算放大器的说明：本设计采用的放大器为LM358，LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，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。本设计中用的是同相比例放大器电路中引入了电压串联负反馈，故可以认为输入电阻为无穷大，输出电阻为零，即使考虑集成运放的参数影响，输入电阻也可达1000M以上。由于本设计中信号是由人的脉搏发出，大小很不稳定也很微弱，所以此次放大电路中的反馈电阻采用较大的电位器，以便于进行调节，且电压放大后的输出电压不会超过电源电压的4/5，所以运放应用5伏供电，以便应用于单片机。设计电路如图6所示：3.6.2 信号滤波及反向电路滤波器是一种能使有用信号通过，滤除信号中无用频率，即抑制无用信号的电子装置。例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰，就需要把较高频率成分滤掉，就采用低通滤波器。本设计要滤除的就是比有用信号频率高的信号，所以也采用的低通滤波器。设计的电路如下图6所示：直接采集的信号有很强的杂波和干扰信号，经LM358的一级放大后即可采集得到心率信号波形，再经二级放大就得到了幅值较强的脉冲信号，而此时的信号波形中存在干扰，经过第三级的滤波，信号已经相对稳定。该信号经过比较器LM393反向后，就得到了标准的方波信号。此信号变化稳定，和心脏同步，是心脏跳动的真实反映，将此信号直接连接到单片机中以进行心率信号的测量。3.7 声音告警系统当脉搏次数或体表温度超过预置的上下告警门限时，需要告警。声音告警通过驱动蜂鸣器发声实现，蜂鸣器选择北京昊天诚业科技有限公司型号为HE1205B的电磁式蜂鸣器，它的工作电压为3V，工作电流10mA，具有低功耗的特点。电磁式蜂鸣器的工作原理：电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成；接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下振动发声。原理图如图。3.8 语音播报系统语音播报系统采用集成模块SYN6288,此模块可以识别文本、数字、字符串格式的数据，并可通过串行口与单片机直接通信，控制方式简单、灵活。语音芯片接口电路原理图见下图5所示。3.9 按键控制部分单片机组成的小系统中，有的需要人机交互功能，按键是最常见的输入方式。最常见的按键电路大致有，一对一的直接连接和动态扫描的矩阵式连接两种。一对一的直接连接就是一个按键直接对应一个CPU的输入口。由于本设计只需要一个按键，故采用一对一的直接连接。四、软件设计4.1 主函数程序设计主程序的主要功能是负责整个系统的自启动与待机，以及测量结果的实时显示。流程图如下： 待 机YN开始有测量任务？脉搏测量体表温度测量测量达到60秒显示测量结果4.2 脉搏测量子函数设计脉搏测量子函数主要将从传感器传来的方波进行计数，并将结果与预置的脉搏告警上下限进行比对，并在超过告警限制时启动声音告警系统进行告警。开始脉搏测量 脉搏显示正常60次数130YN返回报警4.3 体表温度测量程序设计开始体表温度测量 体表温度显示正常24温度36YN返回报警体表温度测量子函数主要将从传感器传来的方波进行计数，并将结果与预置的体表温度告警上下限进行比对，并在超过告警限制时启动声音告警系统进行告警。五、功能测试部分5.1 基本功能测试5.1.1 基本功能（1）测试基本功能（1）之脉搏检测功能测试结果测试次数计时数心跳结果（次）测量仪测量结果（次）11201222131133312812741191195117120612312071211198125128913012710132131基本功能（1）之体表温度检测功能测试结果测试次数温度计测量结果（）测量仪测量结果（）132.232.4230.730.6330.931.2431.331.5532.632.5633.433.2730.630.7830.330.2931.531.41032.232.15.1.2 基本功能（2）测试在测量完成后，检测仪自动播报测量结果，满足基本要求（2）。5.1.3 基本功能（3）测试当将手指放到光电对管槽中时，检测仪能自动启动测量，显示屏上显示“测量中”，并在1分钟完成测量后10秒钟自动待机，在显示屏上显示“休眠”，且撤离探头并再次达到测试部位时自动启动。满足基本要求（3）5.1.4 基本功能（4）测试 检测仪已采用电池供电，在留有的测试点可以测量到电池供电电流。前面已提到在设计方案中的选件、程序编写方面来尽量降低待机电流与工作电流。满足基本要求（4）。5.2 发挥功能测试5.2.1 发挥功能（1）测试在前面的程序设计中已提到，在设计程序时设置了脉搏次数和体温上下告警门限。在快速奔跑后，测量脉搏次数达到120次/分，超过脉搏次数告警门限上限，蜂鸣器响起进行告警。在测量进行一半时将手指抽出，测量脉搏次数达到40次/分，低于脉搏次数告警门限下线，蜂鸣器响起进行告警。将探头置于盛满热水的水杯之上，测量温度达到40，超过体温告警门限上限，蜂鸣器响起进行告警。将探头用盛满冷水的塑料袋包好，测量温度达到22，低于体温告警门限下线，蜂鸣器响起进行告警。综上，本检测仪设计满足发挥要求（1）。5.2.2 发挥功能（2）测试前面已经提到有关数据回放在键盘和软件方面的设计，按下回放键可以看到之前测量的脉搏次数和体温测量数据，且显示其测量时间。综上，本检测仪设计满足发挥要求（2）。5.3 创新部分测试 创新部分为用蜂鸣器随着检测到的脉搏闪烁发声，在测试时，蜂鸣器管与脉搏实现同步，这样便可以方便的检测到外部中断是否发生，以及是否有杂波和其余的触发外部中断的影响，创新部分功能满检测到要求。六、总结本设计结合先进的单片机技术及传感器技术，基于低成本、低功耗的原则，设计了一款人体生物信息检测仪，它具有如下优点：1、功耗低。电路正常工作时，工作为74.5mA，蜂鸣器工作时，最高电流98mA,单片机掉电时整个系统的电流才66.7mA，算上5V的电压，总共才0.33W。无论在硬件设计的方案选择方面，还是在软件设计的待机处理方面，都考虑到低功耗这一绿色可持续发展方向；2、LCD点阵显示，可方便显示文字、图形；3、可存储检测数据，放于AT24c08中，随时记录用户体温、脉搏变化情况，有利于医生掌握病人的病情，进而作出更加合理的治疗方案；设计的创新点： 用蜂鸣器随着检测到的脉搏发声，使脉搏的检测更加直观，也可用于危重症用户的体征检测。设计有待改进和解决的问题：1、 可采用集成芯片进行信号的处理，使仪器体积更小更轻便；2、 可将蓝牙技术应用到仪器上，达到用户体温、脉搏数据到监护终端的实时传送；七、附录部分程序：#include #include #include #include#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define data P0;typedef unsigned int* pint;typedef unsigned char* pchar;sbit sda=P14;sbit scl=P13;sbit e=P27;sbit rs=P25;sbit rw=P26;sbit DQ=P37;sbit jieguo=P34;sbit beep=P36;sbit flag=P32;bit starttest=0;uchar*p;uint maibo=0;uint jishu=0;uchar dis03;uchar dis104;uchar code dis1=准备测试中 ;uchar code dis2=测试中 ;uchar code dis3=测试完成 ;uchar code dis4=您的脉搏量:;uchar code dis5=体温: ;uchar code dis6=休眠 ;uchar code dis7= ;uchar code dis8=上次脉搏: ;uchar code dis9=上次体温: ;unsigned char temp_data=0,0,0,0,0,0,0,0;uchar idata num1=体温为;uchar idata num210;uchar num3=.;uchar idata num410;uchar num5=摄氏度;uchar num6=脉搏为;uchar idata num710;uchar num8=次;#define HEADLEN 5 /数据包头的长度#define BKM_OFFSET 4 /背景音乐命令偏移#define LEN_OFFSET 2 /长度字节的偏移量（一般不会超过255字节，因此只使用1字节长度）#define BKM_MAX 15 /背景音乐数量sbit BUSY = P17; /开发板上SYN6288的BUSY引脚固定连接到CPU的P3.7端口uchar nBkm;uchar head HEADLEN;void delayms(int xms)uint i,j;for(i=xms;i0;i-)for(j=110;j0;j-);void delay() ; ; void delaywendu(unsigned int n)/延时函数 while(-n);void didi()uchar i;for(i=10;i0;i-)beep=0;delayms(1);beep=1;delayms(1);void keyscan()uchar i;uint temp,temp1;if(jieguo=0)delayms(5);if(jieguo=0)lcd_pos(1,0);i=0;while(dis7i!=0)write_dat(dis7i);i+;temp=read_add(4);temp=temp/2;temp=(int)temp;i=0;lcd_pos(1,0);while(dis8i!=0)write_dat(dis8i);i+;i=0;lcd_pos(1,5);dis00=temp/100+0x30;dis01=temp%100/10+0x30;dis02=temp%10+0x30;for(i=0;i3;i+)write_dat(dis0i);temp1=read_add(3);temp1=temp1+256;i=0;lcd_pos(3,0);while(dis9i!=0)write_dat(dis9i);i+;i=0;lcd_pos(3,5);dis100=temp1/100+0x30;dis101=temp1%100/10+0x30;dis102=0x20+14;dis103=temp1%10+0x30;for(i=0;i4;i+)write_dat(dis10i);void main()uchar nBkm = 0x01;uint aa,bb,i=0; /演示背景音乐编号uint j,k,h=0;timer_0init(); int0init();int1init();at24c08init();lcd_init();UART_Init(); /初始化串口为 9600bpslcd_pos(0,0);i=0;while(dis1i!=0)write_dat(dis1i);i+;lcd_pos(2,0);i=0;while(dis5i!=0)write_dat(dis5i);i+;while(1)keyscan();Read_Temperature();j=temp_data0; k=temp_data1;k=k=10)if(j360)beep=0;delayms(1000);beep=1;lcd_pos(2,4);write_dat(j/100+0x30);lcd_pos(2,5);write_dat(j%100/10+0x30);lcd_pos(2,6);write_dat(0x20+14);lcd_pos(2,7);write_dat(j%10+0x30);write_add(3,j);if(starttest=1)lcd_pos(0,0);i=0;while(dis2i!=0)write_dat(dis2i);i+;lcd_pos(1,0);i=0;while(dis7i!=0)write_dat(dis7i);i+;if(jishu=9568)/9568jishu=0;ET0=0;starttest=0;write_add(4,maibo);i=0;lcd_pos(0,0);while(dis3i!=0)write_dat(dis3i);i+;delayms(1000);i=0;lcd_pos(3,0);while(dis4i!=0)write_dat(dis4i);i+;delayms(1000);i=0;lcd_pos(3,6);maibo=maibo/2;maibo=(int)maibo;dis00=maibo/100+0x30;dis01=maibo%100/10+0x30;dis02=maibo%10+0x30;for(i=0;i3;i+)write_dat(dis0i);if(maibo130)beep=0;delayms(1000);beep=1;delayms(1000);