毕业论文-脉搏监测系统

传感器与测试技术技能实习专业：班级：姓名学号：指导老师：日期：2013年6月24日~7月7日脉搏监测系统（一）内容基于单片机或PC机，设计一套测试系统，用于将外周血管搏动（即脉搏跳动）信号进行采集分析。集体要求：1.测量脉搏显示波形图2.计算脉搏测量的结果，并进行报警判断，控制报警灯显示3.保存测量数据4.数据回放（二）要求1.提出设计方案（提出测量原理，选择传感器，构建测试系统）2.设计测量电路3.测试软件设计利用汇编语言、Labview或其他的开发程序（VB、VC等），设计测试软件进行数据是采集和分析。4.调试5.撰写报告（三）报告要求1.综合实践的内容2.撰写总体的设计方案，并画出测试系统框图3.硬件选用（包括传感器、采集卡的选用和安装等）4.电路设计（包括测量电路的设计等电路，系统总电路）5.测量软件的设计利用Labview或其他的开发程序（VB、VC等），设计测试软件进行数据是采集和分析。包括软件设计流程图，各功能实现的方法和代码（包括各主程序，子程序的描述以及相应的重要参数设置等描述）6.小结和体会（可以包含调试中遇到的问题）。目录实训目的总体方案设计系统硬件元器件选用电路总体设计测试软件设置课程设计小结参考文献脉搏监测系统传感器设计一、实训目的本次传感器应用实训的目的是巩固《传感器与检测技术》所学的各种传感器的原理及应用，同时综合《电子技术》《可编程控制技术》等课程所学的专业知识，制作并调试一个典型传感器作品，熟悉传感器及其处理电路的设计、制作、与调试方法，熟练掌握各种常用测量仪表的使用。二、总体方案设计1.测试原理累积数千年来丰富临床经验的脉诊，是中国医学独特的诊病方法，在诊“望、闻、问、切”中占有重要的位置。由脉诊所得的脉象反映人体各和病理状况，反映了五脏六腑气血盛衰观察体内功能变化的一个重要根据脉象的变化，可探测人体脏腑的气血、阴阳、生理与病理的状况。我国中医学家千年的实践总结而成的脉学理论在中医辨证论治中起着重要的作用，也是人类的重大贡献。目前，通过脉搏波的分析已经可以方便的估算出被测者的心血管血流动力学的各项参数，如心输出量、外周阻力、血管顺应性等。然而要想准确的判断患者的心血管等方面的情况和预测心血管疾病发生的可能性,以便及时采取措施有效地减少危险因素，首要的条件是要能准确清晰的获取患者的脉搏信号。随着电子计算机技术和测量技术的迅速发展，脉搏测量、记录和分析也有了很大的改善和进步。脉搏的测量有很多方法，本系统主要是利用压力式传感器来获取脉搏信号。由压力式传感器采集脉搏信号，经过前置放大电路、滤波电路、积分和比较电路后得到与脉搏相关的脉冲信号。人体的脉搏波可用特制的脉搏描记器记录下来。从可见每个脉搏波描记曲线都由升支A和降支K构成。随后心室舒张，心室内压低于主动脉血压，于是动脉血倒流，导致主动脉瓣关闭，在曲线上形成降支切迹N，也叫降中峡或重波谷降支的形状与外周阻力的大小有关；如阻力大则降支坡度较缓，其切迹的位置较高；反之，切迹的位置较低。脉搏波的形状，因循环系统的情况改变而不同。该系统的最大特点是用LabVIEW虚拟仪器的操作面板及相应的程序,显示出脉搏的波形。虚拟仪器系统一般是由计算机、应用软件、数据采集卡和与之配套的驱动程序构成的。借助于计算机和应用软件的强大处理、显示、存储功能，相比于传统仪器，虚拟仪器并不依赖于硬件，其性能很大程度上由应用软件决定。本研究正是利用虚拟仪器技术，构建一套脉搏波检测处理系统。2.设计系统框图人体脉搏波检测系统的整体结构如图1所示，它主要由硬件结构和软件结构组成。硬件结构包括压力式传感器、信号放大电路、滤波电路（低通与高通电路）、USB-4704采集卡；软件结构包括PC和LabVIEW可视化图形编程软件组成。本系统由压力式传感器采集脉搏信号，经过前置放大电路、滤波电路、积分和比较电路后得到与脉搏相关的脉冲信号，再通过利用USB-4704采集卡采集滤波和放大后的脉搏信息进行A/D转换并通过LabVIEW的可视化图形编程软件来实现波形的显示、存储和回放、报警等功能。本系统操作简便、性能稳定利于医护人员的观察和研究，下面我们将详细介绍一下系统的硬件和软件设计。图1脉搏测试仪系统框图三、系统硬件元器件选用1.传感器选用HK-2000B集成化脉搏传感器。HK-2000系列集成化脉搏传感器采用高度集成化工艺，将力敏元件（PVDF压电膜）、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内部。具有灵敏度高、抗干扰性能强、过载能力大、一致性好、性能稳定可靠、使用寿命长等特点。访系列脉搏传感器具有完善的信号调理功能，用户在使用时后级不需要再加滤波等电路。HK-2000型脉搏传感器运用得最多的是HK-2000A型脉搏传感器和HK-2000B型脉搏传感器。它们的主要区别在于HK-2000A型脉搏传感器输出同步于心脏搏动的脉冲信号，可以用于脉率数据的实时采集。而HK-2000B型脉搏传感器输出完整的脉搏波电压信号，用于脉搏波分析系统，如中医脉象、心血管功能检测、妊高征检测等系统。根据需要，本次设计所使用的传感器为HK-2000B。HK-2000A和HK-2000B的主要性能特点和主要参数如下：性能特点：1、灵敏度高。2、抗干扰性能强。3、过载能力大。4、一致性好，性能稳定可靠，使用寿命长技术指标：HK-2000A电源电压：5-12VDC压力量程：-50～+300mmHg过载：100倍输出高电平：大于VCC-1.5V输出低电平：小于0.2VHK-2000B：电源电压：5～6VDC压力量程：-50～+300mmHg灵敏度：2000uV/mmHg灵敏度温度系数：1×10-4/℃精度：0.5%重复性：0.5%迟滞：0.5%过载：100倍2.采集卡实验室提供研华USB-4704型采集卡，48kS/s的USB-4704是一个14位的多功能模块

最大采样率。它提供了8个单端/4不同随着2AO通道差分AI通道。它还

提供16TTLDI/O通道的通断控制应用蒸发散。此外，提供一个32位的计数器通道

船上。（1）应用变送器&传感器测量波形采集和分析过程控制和监控振动与瞬态分析引脚及分配驱动安装步骤a、安装AdvantechDeviceManagerb、安装驱动IndividualDriver中的USB-4704系列。c、打开光盘安装驱动，选择LabVIEW文件d、点击安装LabVIEWe、点击安装LabVIEWDAQ等待一切安装完成之后重启电脑，将采集卡连接到电脑，打开开始中的AdvantechDeviceManager，检查USB-4704是否安装成功，如果安装成功，点击Test进行测试。至此驱动安装完毕。开关电源选用220交流电源。降压器选用12V和5V的降压器。四、电路总体设计1.设计要求脉搏传感器所提取的脉压信号幅值小、频率低、随机性强、易受干扰，选择硬件电路时，必须从增益、频率响应、共模抑制比、噪声和漂移等方面综合考虑。a．增益由于HK2000B型压电脉搏传感器的输出范围约为-0.2~0.8V,为了提高AD采样后信号的分辨率，应对信号进行适当放大。根据所选择的A/D转换器的输入参考电压范围为0~3.3V,所以脉搏信号放大器的放大倍数应在10倍内可调。b．频率响应体脉搏信号的频谱范围为0.1~40Hz,脉搏信号调理电路在此频率范围内必须不失真地放大所检测到的脉搏信号，为了减少不需要的带外噪声，用高通，低通滤波器来压缩通频带，这样，经过脉搏信号调理电路的脉搏信号才具有可靠的诊断价值。c．共模抑制比脉搏信号的检测可能受到很多电气设备运行的干扰，尤其是市电的共模干扰，还有其他共模干扰。因此一般要求CMMR应达到80dB以上。d．低噪声、低漂移在脉冲信号调理信号电路中，噪声和漂移是两个较重要的参数。正状态分布。为了获得一定信噪比的输出信号，对所用到的放大器的低噪声性能有严格的要求。根据设计要求，本设计所用到的所有运算放大器均采用TL084，其主要特性如下：输入阻抗极高，大于1012Ω;失调电流极低，小于5Pa;3)低温漂，小于1uV/.C;4)共模抑制比大于80dB;5)开环效益较高，大于110Db;2.电压提升电路的设计由于HK2000的输出电压为-0.1V到0.6V[1]，我们需要把-0.1V的电压信号提升到0V以上，这样才能作为单片机ADC的输入，具体的电路如图1所示。图2100mV参考电压产生电路求和电路将信号的幅值变成0V到0.7V[2]，电路图如图2所示：图3信号和参考电压求和电路3.放大电路的设计将Vlink链接到仪表放大器的输入端，放大器输出和输入的关系如下：图4仪表放大电路4.滤波器的设计输出的信号中混有常见的工频干扰，以及肌电、人体的温度和传感器表面的温差等造成得基线漂移，需要设计相应的滤波器将这些杂波信号滤掉[3]。滤波器的设计要求:(1)脉搏信号频率主要的范围都集中在10Hz以下，为确保脉搏信号顺利通过，低通滤波器的上限截止频率要高于10Hz。(2)基线漂移的频率很低，为克服此低频干扰，高通滤波器的下限截止频率选择在0.1Hz。低通滤波器和高通滤波器均采用二阶有源滤波器，具体的电路如图4~图5所示。图5截止频率为10Hz的低通滤波器图6截止频率为0.1Hz的高通滤波器图7系统硬件总电路图五、测试软件设置1.LabVIEW软件介绍软件平台是借助虚拟仪器软件问(LabVIEW)在计算机上搭建的虚拟测试系统。LabVIEW是实验室虚拟仪器工作平台(1aboratoryvirtualinstrumentengi．neeriNgworkbench)的简称，是美国国家仪器公司(Na．tionalInstruments)推出的一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境．是目前国际上唯一的编泽型图形化编程语言．又称G语言。其编写的程序称为虚拟仪器程序(简称VI)，主要包括前面板(即人机界面)和框图程序两部分。前面板用于模拟真实仪器的面板作，可设置输入数值、观察输出值及实现图表、波形、文本等显示。框图程序应用图形编程语言编写，相当于传统程序的源代码．用于传送前面板输入的命令参数到仪器以执行相应的操作。LabVIEW采用层次化结构．用户可以把创建的VI程序当作子程序调用。以创建更复杂的程序。此外，LabVIEW内部还提供了各类强大的功能模块和函数模块．以实现对信号和数据的复杂处理。用它编写方框图程序时，只需从对应的模块中选用相应的图标．然后再以线条相互连接。即可实现数据的传输。该测试仪就是借助LabVIEW．仿照真实仪器面板设计前面板．并通过LabVIEW中的DAQ助手及有关功能模块，编写框图程序。测试仪主要功能为脉搏信号的采集及数据存储和对采集存储的信号进行回放分析。根据此要求，在hbVIEW前面板窗口中，选取有关控件及波形显示器件．并借助LabVIEW的工具模版，设计、架构测试仪前面板；在对应的框图程序窗LI．通过DAQ助手进行有关采集参数的设置．通过WriteLabVIEWMeasurement模块实现对信号的保存．它将信号波形以数据点的形式存放于文件中．文件的扩展名为lvm。整个采集、显示过程由循环结构控制．选择Appendtofile就可以将每个循环采集到的数据连成为长达40s的完整过程记录。同放部分是通过ReadfromsDreadsheetfile模块读取文件路径框中给出的存放数据文件来实现波形的回放．以采样频率128Hz、采样长度40s为设定值。借助有关运算模块．进行脉率的测算。从而在测试仪前面板上实现脉搏波形的采集、数据存储、波形回放、频谱分析、脉率显示、异常情况警示等功能。如图8所示为虚拟脉搏测试仪前面板。图8虚拟脉搏测试仪前面板2.运行及测试结果脉搏测试时要求被测者平心静息．全身放松稳定，平坐，将手臂放于桌面上，下面垫一棉枕，如同中医把脉姿势。将传感器与松紧绷带设计成腕带形式．为了减少传感器直接接触带来的不利因素．可在其下垫一直径8mm左右、由气球薄膜做成的球形水囊网，将水囊对准“寸、关、尺”某一部位，将传感器缠之，使之压力适中即可进行测试。打开前面板的主开关．点击运行．在采集窗口中即可看见脉搏波形。待波形稳定．按下采集按钮．在弹出的窗口中给出存储的地址及文件名．即开始采集数据并计时．按设定的采样时间(即采样长度)到设定的时间，再次按下采集按钮，即停止采集数据。将采集的数据存放地址及文件名输入到框图程序的数据框中，返回前面板．按下回放按钮。点击运行，在回放窗口中即可看到采集的波形.3流程图4.程序框图

（1）该图形右端为deviceopen模块。0代表设备USB4710的设备编码。蓝色细线输出代表驱动处理，黄色粗线输出代表错误输出（2）该图形右端为AIConfig模块，作用是进行模拟信号的配置处理及输出。在输入端，蓝色细线代表驱动处理，棕色粗线处的接口为chan&gain,故需要进行数据捆绑。此处0代表设备的通道为AI0,4代表增益码（电压范围为+/-10v的代号）。黄色粗实线为错误输入与输出。（3）该图形右端部分为AIVoltageIn模块，作用是从一个模拟输入通道和返回值从驱动处理电压转换为指定的设备上读取电流值。在输入端，蓝色细线代表驱动处理，棕色实线为chan&gain的数据捆绑，Trigmode为数据触发模式，0代表软件触发，1代表外部触发，这里选择软件触发。黄色粗实线为错误输入；在输出端，蓝色细线代表驱动处理输出。棕色细线输出为电压测量结果输出，连接波形图表。黄色粗线为错误输出。（4）此处为设定延时时间为25ms,即每隔25ms采集一个数据点。输出端与dt连接。（5）表示While循环间隔0.1S循环一次（6）该图形为创建波形模块。Y代表振幅，这里特指电压。dt波形中数据点间的时间间隔，以秒为单位。（7）此处是设定for循环的循环次数为300次。（8）信号处理:除以1000，将ms单位转化成秒。(9)波形频率测量：输入波形经过频率输出端并乘以60表示输出脉搏。(10)脉搏频率报警：脉搏频率经过大小判断在布尔灯上显示，并且最大值与最小值可调。(11)硬件报警：通过采集卡位端口的设置，在硬件上显示报警判断信息，Port位置0表示所有DO口初始化为0，BitPos位置0或1，表示选用DO0和DO1这两个端口，State位置0或1表示给对应的端口送入电平0或1，使发光二极管亮灭。（12）数据存储：布尔按钮按下波形数据存储按钮，就开始对波形存储，右侧为存储地址。(13)波形回放：布尔按钮按下波形回放地址中的波形输入读取测量文件输出端输出波形图六、课程设计小结脉搏检测系统传感器实训小结脉搏检测系统是2012-2013学年下学期实训课的科目，是我们在本学期机械工程测试技术基础课和labview软件理论课学习的基础上开设的实训课。实训开始前我们在杨淑珍老师的带领下在期末考试前的一个月集中学习了一段时间labview编程软件，可以说这门课程综合性是比较高的。完成实训我们组员七个大概用到过传感器知识、labview知识、电工知识同时还用到了多种软件，如protel、labview、cad和word等。通过为期五天比较繁忙的实训完成这门实训课程的设计任务。每天几乎都在做着相关的学习和设计工作，我们在这几天的实训中通过高负荷、高难度和高效率的工作锻炼了动手、动脑和自学的能力。在最后结束的此时此刻我们会由衷的、非常自豪的感觉很值的为劳动的成果而骄傲。我很为我们组员在这次实训中任劳任怨、团结协作、精诚合作而自豪，大家都为这次实训课付出了许多时间和精力，大家也能在自己分配的模块任务完成之余给予其他模块同伴应有的帮助和鼓励，这是我个人感觉非常重要和宝贵的一点。但是毕竟七个人的团队在任务进行中要做好有效的沟通和反馈不是不是一件简单的事情，我觉得这可能是这次脉搏检测系统设计中困难的重中之重。通过这次的教训我想下次团队合作我会更加知道该怎样去和我负责编程模块相关的采集卡模块人员进行交流来弥补那种因盲目而浪费的大量时间。我在这次实训中主要负责labview软件编程工作，这部分工作有邢森和我两个人来完成。刚开始由于软件的不熟悉（这主要由于学习时间短和期末考试隔断了好长时间，我们要重新学习和复习）使得学习labview的效果大打折扣。所以导致我们刚开始的进程非常的慢，第一天下午和第二天上午我们就对我们之前的作业