毕业设计-基于STC89C52单片机的心率测试仪的设计

毕业设计〔论文〕题目：基于单片机的心率测试仪的设计学院：电气与信息工程专业：自动化姓名：学号：指导老师：完成时间：2013年05月28日摘要随着生物医学工程技术的开展,医学信号测量仪器日新月异。生物医学测量与临床医学和保健医疗的联系日益紧密。通过对人体各种生理信号的检测，能更好的认识人体的生命现象。脉象包含丰富的人体健康状况信息,脉诊技术应客观化、定量化。本设计利用光电式传感器,设计脉搏信号获取的方法。本设计主要是基于单片机的便携式脉搏测试仪的具体实现方法，利用光电传感器产生脉冲信号，经过放大整形后，输入单片机内进行相应的控制，从而测量出一分钟内的脉搏跳动次数，快捷方便。通过观测脉搏信号，可以对人体的健康进行检查，通常被用于保健中心和医院。本设计所设计的基于单片机的便携式心率测试仪对推进脉诊技术客观化的实现具有积极的促进作用。本设计以单片机为核心，由脉搏检测传感器采集脉搏信号。经过前置放大电路、滤波电路、整形电路后得到与脉搏相关的脉冲信号。该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行脉长周期的计算。然后得到每分钟的脉搏搏动次数〔即心率〕，并在数码管上显示心率，同时还设置了脉搏测量仪的上下限报警电路。关键词：脉搏信号，单片机，光电传感器，脉冲信号，便携式心率测试仪AbstractWiththedevelopmentofthebiomedicalengineeringtechnology,themedicalsignalmeasuringinstrumentischangingeveryday.Biomedicalmeasurementandclinicalmedicineandhealthcareincreasinglycloseties.Wecouldbetterunderstandthephenomenonofhuman.lifethroughvariousphysiologicalsignaldetectionofthehumanbody.Pulseinclusionsrichstateofthehealthinformation,Byusingopticalsensors,Withthehighdevelopmentofelectronicsandcomputernowadays,thepulsediagnosingtechnologyshouldbeobjectiveandquantitive.thistextaccesstothepulsesignaldesignmethods.Thispapermainlyintroducestheconcreterealizationmethodfordigitalpulsecounter,whichusesphotoelectricsensorstogeneratepulsesignal.ThepulsesignalisamplifiedandregeneratedtoinputintoMCUtocarryoutcorrespondingcontrol,asaresultthepulsenumberperaminuteismeasured.Theuseofthepulsecounterisquickandconvenient.Throughobservingthepulsesignal,humanhealthcanbeinspected,itisusuallyusedinhealthcarecentersandthehospitals.Inmydesign,PortableheartratemeasuringinstrumentbasedonMCUhasapositiveroleinpromotingtheobjectiveofthepulsetechnology.Keywords:Pulse，MCU，PhotoelectricSensor，PulseSignal，Portable目录TOC\o"1-3"\h\u32摘要II175701绪论135751.1课题设计背景 1751.2国内外研究现状 2116551.3设计的主要内容 329662系统的总体设计方案 4104502.1系统的总体设计 4125002.2方案的比照和论证 4102052.2.1脉搏检测传感器的选择 4192062.2.2单片机的选择 6267342.2.3显示局部的选择 6236752.3系统各局部的最终方案 7145173系统的硬件局部设计分析 83.1单片机控制器 8254333.1.1单片机stc89c52介绍 8113033.1.2单片机复位电路 1190863.1.3单片机时钟电路 1211253.1.4数码管显示电路 1262373.1.5报警电路 13220493.2脉搏信号采集 1458213.2.1光电传感器的结构及原理 14292793.2.2信号采集电路 1596113.3信号放大电路 1678093.4波形整形电路 1736123.5单片机处理电路 17148533.6系统设计要考虑的问题 19265093.6.1环境光对脉搏传感器测量的影响 1999493.6.2电磁干扰对脉搏传感器的影响 19159133.6.3测量过程中运动噪声的影响 20127353.6.4电源不稳定导致光源供电波动带来影响 20161254系统的软件设计 21250724.1设计思想 21207354.1.1主程序流程图 2251954.2定时器中断程序流程 2342084.3INT中断程序流程 2391074.4显示程序流程 2416424.5蜂鸣器报警流程 24123735系统仿真与调试2614595.1程序设计 26278815.2程序调试 2680116总结与展望2913896结束语3029780参考文献3118649致谢336206附录A整体硬件电路图346243附录B程序351绪论1.1课题设计背景多年来，心率测试仪在心脑血管疾病的研究和诊断方面发挥出显著的作用，它记录的心脏活动时的生物电信号，已成为临床诊断的重要依据。临床上使用的心电监护仪虽然功能强大，测量精度高，但因为价格高昂，不利于家庭的普及。就算是在医院，护士每天监控病人病情而进行的心率测试也是常用手测。因为正常人的心率和脉搏跳动的次数是一样的，所以可以用测量脉搏的方法来测心率。因此，本设计采用的是设计一种脉搏测试仪测量脉搏数从而实现心率的测量的方法。脉搏测试仪是用来测量一个人脉搏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成局部,因此，在现代医学上具有重要的作用。目前检测脉搏的仪器虽然很多，但是能实现精确测量、精确显示且计时功能准确等多种功能的便携式全数字脉搏测量装置很少。随着人们生活环境和经济条件的改善，以及文化素质的提高，其生活方式，保健需求以及疾病种类、治疗措施等发生了明显的变化。但在目前，我国的心脑血管疾病仍呈逐年上升趋势。其发病率和死亡率均居各种疾病之首，是人类死亡的主要原因之一。因此，认识、预防及早期发现这些疾病是十分必要的。从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。几乎世界上所有的民族都用过"摸脉"作为诊断疾病的手段。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。本设计旨在设计出一种以单片机为核心的一种实用型脉搏测量仪。采用脉搏检测传感器对人体的脉搏进行数据采集。得到的信号送入进行滤波、放大、整形等处理之后送入单片机进行处理。单片机将采集到的脉搏数在数码管上实时显示出来，同时还设置了脉搏测量仪的上下限报警电路。本设计首先描述本设计的整体思路，然后介绍各个局部设计中的细节问题，最后提出一些完善本设计的改良意见。本设计所设计的基于单片机的便携式心率测试仪，系统性能良好，结构简单，性价比高，输出显示稳定，比拟适合群众化。适合家庭进行自我检测以及医院护士进行每日的临床记录。这使我们在家中就可以测试心率从而能检测是否患有一些心血管疾病，做到早发现。1.2国内外研究现状在我国传统中医学的诊断中，“望、闻、问、切”是最根本的四个方面。而在其中，切，也就是脉诊，占有非常重要的地位。通过脉诊，医生可以对患者的身体状况有一个大概的了解，进而对症下药。脉搏信号可以直接反响出患者心脏的局部状况，我国传统中医学认为，通过脉诊可以了解到患者脏腑气血的盛衰，可以探测到病因，病位，预测疗效等。鉴于脉诊的重要性，人们对于脉搏测量一直非常关注，早在1860年Vierordt创立了第一台杠杆式脉搏描记仪，国内20世纪50年代初朱颜将脉搏仪引用到中医脉诊的客观化研究方面。此后随着机械及电子技术的开展，国内外在研制中医脉象仪方面进展很快，尤其是70年代中期，国内天津、上海、广州、江西等地相继成立了跨学科的脉象研究协作组，多学科共同合作促使中医脉象研究工作进入了一个新的境界。随着科学技术的开展，脉搏测量技术也越来越先进，对脉搏的测量精度也越来越高，国内外先后研制了不同类型的脉搏测量仪，而其中关键是对脉搏传感器的研究。而由于脉搏传感器的不同，现今市场上的脉搏测试仪的脉率采集主要有三种方法：采用一对红色发光二极管实现、采用反射式的红外管实现和采用压电陶瓷芯片实现。近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器，这类传感器的重要特征是测量的探测局部不侵入机体，不造成机体创伤，能够自动消除仪表自身系统的误差，测量精度高，通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。脉搏测量仪的开展主要向以下几个趋势：1、自动测量脉搏并且对所得到的脉搏进行自动分析目前很多脉搏测量仪都具有检测血氧等其他的功能，但是对这些信号的分析和诊断还需要一些有经验的医生观察，进行分析后才能确认结果，浪费大量的人力，且由人为引入的误差较大。因此，未来脉搏自动检测的内容将更加详细，自动分析诊断功能也更强大。2、数字化技术等先进技术的应用随着数字科学技术的开展，脉搏测量仪集成度将更高，更便于携带。数字信号处理的运用将使干扰更小，测量更为准确。3、多功能化越来越明显目前的脉搏测量仪，一般都具有测试血氧，心电图等等功能，单纯的脉搏测量仪已经很少见。随着电子技术的开展，脉搏测量仪必然可以实现更多的功能。1.3设计的主要内容本设计以单片机为核心，由脉搏检测传感器采集脉搏信号。经过前置放大电路、滤波电路、整形电路后得到与脉搏相关的脉冲信号。该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行脉长周期的计算。然后得到每分钟的脉搏搏动次数〔即心率〕，并在数码管上显示心率，同时还设置了脉搏测量仪的上下限报警电路。本设计的工作是围绕着脉搏检测传感器检测脉搏波而单片机进行控制进行的。本设计的设计内容安排如下：第一章为引言。简要介绍了心率测试仪设计的目的和意义，并对基于单机的便携式心率测试仪的现状和应用以及未来的发转走势做了简单的阐述，指出了本设计的主要技术内容，即心率的测试。第二章为整体方案的分析。顾名思义第二章是对整个方案的详细的比照与选择并确定最终方案。在确定方案之前我必须先明确本设计的任务与要求，之后是各个局部的比照选择。第三章是本设计的核心。在这里给出了整体的硬件电路设计思路，并且对电路的各个局部进行分析与解释。第四章表达程序的编程方案，给出程序的框架结构图并对整个设计进行总结，而且对以后的设计工作进行了展望。2系统的总体设计方案2.1系统的总体设计本设计的系统模块可以根本划分为：脉搏传感器局部、单片机处理电路局部、显示电路局部和报警电路局部。本设计所设计的基于单片机的便携式脉搏测量仪将利用脉搏检测传感器采集脉搏信号，再对其进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目的，再通过报警电路可实现报警功能。本设计结构硬件框图如图2.1所示。图2.1系统结构框图2.2方案的比照和论证基于单片机的便携式心率测试仪的设计。本设计以单片机为核心，由光电传感器采集脉搏信号。经过前置放大电路、滤波电路、积分和比拟电路后得到与脉搏相关的脉冲信号。该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行脉长周期的计算。然后得到每分钟的脉搏搏动次数〔即心率〕，并在数码管上显示，并且在超出设定的正常脉搏跳动范围时，驱动蜂鸣器报警。2.2.1脉搏检测传感器的选择传感器又称为换能器、变换器等。脉搏传感器是脉搏检测系统中重要的组成局部。1、光电式传感器血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍，据此特点，采用光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号。反向偏压的光敏二极管，它的反向电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性，在一定光强范围内，光敏二极管的反向电流与光强呈线性关系。指端血管的容积和透光度随心搏改变时，将使光电三极管极管收到不同的光强，并由此产生的光电流均随之作相应变化。常用检测脉搏的光电传感器一般是红外对管。红外对管将对管夹于手指端部，通过手指的血液浓度会随着心脏的跳动发生变化，红外对管对应的信号便会发生相应的变化，采集此信号经过放大，滤波，比拟等处理便可以得到理想的信号。红外对管对脉搏的检测的根本原理：随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变。当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小；当血液流回心脏，组织的半透明度增大。这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。光电式传感器具有灵敏度高，易于操作，响应速度快，结构简单等优点。虽然外部光源的变化对测量结果的影响较大，但我们进行测量的地方一般都是在室内，有稳定的光源，所以在正常的操作过程中只要稍微注意下光源的问题就可以了。2、压电式传感器目前常用的是一次性心电电极，它是用印刷方法制得的Ag/Agcl传感器。这种传感器采用接扣与敏感区别离的方法，能明显的减少由于人体运动产生的干扰。电极的好坏对采集到的心电信号质量起着至关重要的作用，采用的电极应有贴力强，能紧附在人体外表，柔软、吸汗、极化电压低、导电性良好等特点。中选用电极传感器时，需要3个电极分别置于左右手和左腿，构成标准导联。临床上为了统一和便于比拟所获得的脉搏信号，在检测脉搏信号时，对电极的位置，引线与放大器的连接方式都有严格的统一规定。目前市场上有一种采用新型高分子压电材料聚偏氟乙烯研制的压电传感器，其灵敏度高,频带范围好，结构简单，便于使用。当手指前端受到轻微的压力时，可以感觉到手指前端在血压的作用下有一张一弛的感觉，将这个信号用传感器提取出来，转变为电信号，通过指脉的波形检测，就可以获得人体的脉搏信号。压电式传感器有着结构简单，实时性好，工作频带宽，应用电路简单等诸多优点，并且价格低廉。但压电式传感器直接与人体相接触，容易因为人体肌肉的颤抖等而产生干扰。而肌肉的颤抖不是人能主动控制的，所以说这局部的误差很难控制。并且使用压电式传感器测脉搏还容易受到外界其他信号的干扰。3、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。缺点是价格非常昂贵，一般均在五百元以上，就本次设计来说，考虑到经费以及锻炼自己的目的，不选择使用该型传感器。综合考虑种种情况，结合本系统的设计要求以及经费的考虑，本设计采用光电式传感器。2.2.2单片机的选择对于单片机型号，最熟悉的就是C51系列，其中包括AT89C51，AT89C52在AT89C51的根底上有些改良，但是听有经验的同学说以型号AT开头的的单片机在烧写程序时不容易进行烧写，于是考虑采用以型号是以STC为开头的单片机，通过查资料了解发现STC89C52在功能上与AT89C52相似，为此，本设计单片机采用STC89C52型号单片机。2.2.3显示局部的选择根据题目要求，设计出来的系统是可以设定报警的范围的。在单片机的应用系统中，为了便于人们观察和监视单片机的运行情况，常常需要用显示器显示运行的中间结果、状态等信息，因此显示器也是不可缺少的外部设备之一。显示器的种类很多，从液晶显示、发光二极管显示到CRT显示器，都可以与微机配接。在单片机应用系统中常用的显示器主要有发光二极管数码显示器，简称LED显示器。LED显示器具有耗电省、本钱低廉、配置简单灵活、安装方便、耐振动、寿命长等优点。但与LCD相比显示内容有限，不能显示图形，因而其应用有局限性。LED数码管显示器是由发光的二极管显示字段组成的。在单片机应用系统中使用最多的就是七段LED数码管，有共阴极和共阳极两种。七段LED数码管显示器有8个发光二极管，其中从a~g管脚输入显示代码，可显示不同的数字或字符，Dp显示小数点。共阴极LED数码管显示器的公共端为发光二极管阴极，通常接地，当发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮。共阳极的LED数码管显示器的公共端为发光二极管的阳极，通常接+5V电源，当发光二极管的阴极为低电平时，发光二极管点亮。通过比拟，我们可以发现LED动态显示更加适合本设计，所以就采用此方法。2.3系统各局部的最终方案本章主要介绍了常见的用于脉搏检测的三种传感器，并对这三种感器的优缺点进行了比拟。本设计采用的单片机芯片的型号是STC89C52，在本章主要介绍了它的一些特点。最后，给出了最终的设计方案和硬件框图。脉搏传感器电路脉搏传感器电路STC89C52单片机处理电路数码管显示电路蜂鸣器报警电路震荡电路复位电路图2.3设计框图3系统的硬件局部设计分析3.1单片机控制器经过第2章的表达已经确定了完本钱设计所需要的主要元器件，所以本章开始讲述基于单片机的便携式心率测试仪的设计的硬件电路的设计。在这里，单片机要实现对脉搏信号的处理。在检测到第一个脉冲到达时，开启定时器，然后在下一个脉冲到达时，关闭计时器，如此就可以求得一次心跳所需要的时间，然后由该周期就可以得到一分钟的脉搏数。3.1.1单片机stc89c52介绍STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改良使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构〔兼容传统51的5向量2级中断结构〕，全双工串行口。另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。STC89C52单片机引脚图如下列图2.2所示。图2.2STC89C52RC引脚功能说明引脚按其功能可分为如下3类：1、电源及时钟引脚——VCC、VSS；XTAL1、XTAL2；2、控制引脚——、、、和；3、I/O口引脚——P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口。1、电源及时钟引脚(1)电源引脚VCC：5V电压。GND：接地。(2)外接晶体引脚XTAL1：接外部晶体振荡器的一端。当使用芯片内部时钟时，此脚用于外接石英晶体振荡器和微调电容；当使用外部时钟时，对于HMOS单片机，此引脚接地；对于CMOS单片机，此引脚作为外部振荡信号的输入端。XTAL2：接外部晶体振荡器的另一端，当使用芯片内部时钟时，此脚用于外接石英晶体振荡器和微调电容。当使用外部时钟时，对于HMOS单片机，此引脚接外部振荡源；对于CMOS单片机，此引脚悬空不接。AT89S52晶体振荡器频率可在6MHz40MHz之间选择，常选6MHz或12MHz的石英晶体。电容的值没有严格要求，但其取值对振荡器的频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度稍有影响，C1、C2可在20pF~100pF之间选择。当外接晶体振荡器时，电容可选30pF±10pF；外接陶瓷振荡器时，电容可选40pF±10pF。2、控制引脚：复位端。当输入的复位信号持续2个以上机器周期(个晶体振荡周期〕高电平即为有效，用于完成单片机的复位初始化操作。正常工作时，此脚电平应≤0.5V。在VCC发生故障、降低到电平规定值掉电期间，此引脚可接备用电源VPD〔电源范围5V±0.5V〕，由VPD向内部RAM供电，以保持内部RAM中的数据。：地址锁存使能。ALE〔AddressLatchEnable〕；PROG〔Program〕为CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器提供地址锁存信号，将低8位地址锁存在片外的地址锁存器中。引脚第二功能，对片内Flash编程，为编程脉冲输入端。：〔ProgrammerSavingENable〕，外部程序存储器读选通信号。在读外部程序存储器时有效〔低电平〕，以实现外部程序存储器单元的读操作。在访问外部数据存储器、访问内部程序存储器时无效。：〔EnableAddress/VoltagePulseofProgramming〕，访问程序存储控制信号。当＝“0”时，表示读外部程序存储器。只读取外部的程序存储器中的内容，读取的地址范围为0000HFFFFH〔64KB〕，片内的8KBFlash程序存储器不起作用。当＝“1”时，表示对程序存储器的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。在PC值不超出0FFFH〔即不超出片内4KBFlash存储器的地址范围〕时，单片机读片内程序存储器〔4KB〕中的程序，但当PC值超出0FFFH〔即超出片内4KBFlash地址范围〕时，将自动转向读取片外60KB〔1000H-FFFFH〕程序存储器空间中的程序。对于EPROM〔或FLASH〕型单片机，在EPROM编程期间，此引脚需加12.75V或21V的编程电压。3、I/O口引脚P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址／数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗转入端用。Pl口：P1是—个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动〔吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P3口：①可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备。②作为第二功能使用，每一位功能定义如表3.1所示。表2.1P3口的第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD〔串行输出口〕P3.2INT0(外中断0)P3.3INT1〔外中断1〕P3.4T0〔定时/计数器0〕P3.5T1〔定时/计数器1〕P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)3.1.2单片机复位电路单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，那么CPU就可以响应并将系统复位。单片机复位电路如图3.3所示图3.3按键复位电路3.1.3单片机时钟电路单片机可以看成是在时钟驱动下的时序逻辑电路。MCS-51单片机为12个时钟周期执行一条指令。也就是说单片机运行一条指令，必须要用12时钟周期。没有这个时钟，单片机就跑不起来了，也没有方法定时和进行和时间有关的操作。单片机可以看成是在时钟驱动下的时序逻辑电路,单片机在工作过程中,所有工作都是在时钟信号控制下进行的,每执行一条指令,CPU的控制器都要发出一系列特定的控制信号。单片机时钟电路如下列图3.4所示图3.4时钟电路3.1.4数码管显示电路LED数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管显示电路如图3.9所示图3.8数码管显示电路本设计用LED数码管段数一般为7段另加一个小数点。LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的设计采用4位共阴数码管某段数码管阳极为高电平时该数码管被点亮。3.1.5报警电路根据医学数据，人体脉搏正常在60到120之间，当数码管所显示的示数大于120或小于60时，蜂鸣器响应报警；示数小于120时大于60时，蜂鸣器不响。因为单片机的端口输出电流能力低，无法直接驱动那些器件，故增加三极管加大功率，驱动蜂鸣器工作。报警电路如图3.9所示。图3.9报警电路3.2脉搏信号采集目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：光电容积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式传感器以及应变式传感器。3.2.1光电传感器的结构及原理近年来，光电检测技术在临床医学应用中开展很快，这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰，具有很高的绝缘性，且可非侵入地检测病人各种病症信息。用光电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生物医学仪器工作的专家和学者的重视。传感器由红外发光二级管和红外接收三极管组成。采用GaAs红外发光二极管作为光源时，可根本抑制由呼吸运动造成的脉搏波曲线的漂移。红外接收三极管在红外光的照射下能产生电能，它的特性是将光信号转换为电信号。在本设计中，红外接收三极管和红外发射二极管相对摆放以获得最正确的指向特性。从光源发出的光除被手指组织吸收以外，一局部由血液漫反射返回，其余局部透射出来。光电式脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射式和反射式2种。其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置，接收的是透射光，这种方法可较好地反映出心律的时间关系。因此本系统采用了指套式的透射型光电传感器，实现了光电隔离，减少了对后级模拟电路的干扰。透射式光电传感器结构如图3.2所示。图3.1式光电传感器结构图3.2.2信号采集电路图3.2脉搏信号的采集电路，U3是红外发射接收装置，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R21阻值的选取要求较高。R21选择270Ω同时也是基于红外接收三极管感应红外光灵敏度考虑的。R21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，R21过小，通过的电流偏大，红外接收三极管也不能准确地区分有脉搏和无脉搏时的信号。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减小，输出电压上升。但该传感器输出信号的频率很低，如当脉搏只有为50次/分钟时，只有0.78Hz，200次/分钟时也只有3.33Hz，因此信号首先经R22、C10滤波以滤除高频干扰。图3.3信号采集电路3.3信号放大电路本设计采用的放大器是LM324。LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装.它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。由于通过光电式脉搏传感器检测到的脉搏波的信号非常微弱，所以在单片机接受处理前需要进行信号的放大处理。按人体脉搏在运动后跳动次数达200次/分钟的计算来设计低通放大器，放大电路如图3.5所示。R23、C6组成低通滤波器以进一步滤除残留的干扰，截止频率由R23、C6决定，运放U3A将信号放大，放大倍数由R23和R27的比值决定。图3.5放大电路根据一阶有源滤波电路的传递函数，可得：(3.1)放大倍数为：(3.2)截止频率为：(3.3)按人体的脉搏跳动为200次/分钟时的频率是3.3Hz考虑，低频特性是令人满意的。经过低通放大后输出的信号是叠加有噪声的脉动正弦波。3.4波形整形电路波形整形电路如图3.6所示，U2A是一个电压比拟器，C11、R29构成一个微分器，U1A和C7、R32组成单稳态多谐振荡器，其脉宽由C7、R32决定。该比拟器的阀值电压可用R31调节在正弦波的幅值范围内，但是对R31的调节要求并不严格，因为U2A的输出信号经C11、R29的微分后总是将尖脉冲送到单片机脚，进行对心率的计算和显示。图3.6整形电路3.5单片机处理电路单片机处理电路如图3.7所示，本局部运用了ATMEL公司的89S52单片机作为核心元件，在这里运用单片机能更快更准确地对数据进行运算，而且可以根据实际情况进行编程，所用外围元件少，轻巧省电，故障率低。单片机外围电路包括复位电路和振荡电路。本设计采用自激荡方式，使内部振荡器按照石英晶振的频率振荡产生时钟信号。石英晶振选择频率为11.0592MHz，电容选择30pf。如图3.6中振荡电路所示。经计算得单片机工作机器周期为：。时钟电路工作后，在REST管脚上加两个机器周期〔12个晶振周期〕以上的高电平，芯片内部开始进行初始复位。来自传感和整形输出电路的脉冲电平输入单片机89S52的脚，单片机设为负跳变中断触发模式，故每次脉冲下降沿到达时触发单片机产生中断并进行计时，来一个脉冲脉搏次数就加一；定时器中断主要完成一分钟的定时功能。单片机对一分钟内的脉冲次数进行累加，通过P0、P2口把测量过程和结果送到数码管显示出来。图3.7单片机处理电路3.6系统设计要考虑的问题3.6.1环境光对脉搏传感器测量的影响在光电式脉搏传感器中，光敏器件接收到的光信号不仅包含脉搏信息的透射光的信号，而且包含测量环境下的背景光信号，由于动脉波动引起的光强变化比背景光的变化微弱得多，因此在测量过程当中要保持测量背景光的恒定，减少背景光的干扰。测量环境下的背景光包含环境光和在测量过程中引起的二次反射光。为了减少环境光对脉搏信号测量的影响，同时考虑到传感器使用的方便性，采用密封的指套式包装方式，整个外壳采用不透光的介质和颜色，尽量减小外界环境光的影响，为了防止测量过程中的二次反射光的影响，在指套式传感器的内层外表涂上一层吸光材料，这样能有效减少二次反射光的干扰。加上指套式外壳后的脉搏传感器测量到的脉搏波形比拟平滑。这是因为加指套式的脉搏传感器中环境光在测量过程中根本不受外界环境光的影响，而且能够有效减少二次反射光，使照射到手指上的光波长单一，所以得到的脉搏信号较为稳定，没有明显的重叠杂波信号，能够很好的表达出脉搏波形的特征。3.6.2电磁干扰对脉搏传感器的影响通过光电转换得到的包含脉搏信息的电信号一般比拟微弱，容易受到外界电磁信号的干扰，在传统的光电式脉搏传感器电路中，由于光敏器件和放大电路是别离的，那么在信号的传递过程就很容易受到外界电磁干扰，通常在一级放大电路采用电磁屏蔽的方式来消除电磁干扰。本系统采用了新型的光敏器件，在芯片内部集成光敏器和一级放大电路，有效地抑制了外界电磁信号对原始脉搏信号的干扰。工频干扰是电路中最常见的干扰，脉搏信号变化缓慢，特别容易受到工频信号的干扰，因此对工频信号干扰的抑制是保证脉搏信号测量精度的主要措施之一。通常脉搏信号的频率范围在0.330Hz之间，小于工频50Hz，因此通过低通滤波器可以有效滤除工频干扰，这在信号调理电路中容易实现；同时可以在控制电路中对光源进行脉冲调制，这样不但能够降低系统的功耗，而且能够在一定程度上减小外界的电磁干扰，在脉搏信号数据采集后，可以通过数据处理法方法进一步滤除工频信号的干扰。3.6.3测量过程中运动噪声的影响测量过程中，通常情况下手指和光电式脉搏传感器可能产生相对的运动，这样会使脉搏的测量产生误差，可以通过两个方面减少运动噪声误差：一是改善指套式传感器的机械运动性，比方说使指套能够更紧的套在手指上，不易松动；二是从脉搏处理的角度，通过算法来减少误差。对于本设计的传感器的设计来说，采用的是第一个途径。3.6.4电源不稳定导致光源供电波动带来影响在心率测试仪的仿真运行中，我们可以直接参加恒定电压电源，而不会带来光源供电波动，但是在实际仪器运用中却没有完全恒定的电源，而我们通常提供的直流电源也会因为各种原因二引起输出电压值在较小的范围内波动。因此在心率信号的测量过程中,由于光源的波动会对所测得心率值带来影响，所以本设计转为光电传感器设计了恒流源电路，提供恒定的电流，电流值额定，不会随着传感器负载的变化而变化,从而降低电源不稳定给测试结果带来的影响。4系统的软件设计4.1设计思想主程序包含两个局部，一局部为初始化段，另一局部为循环主体段。在主程序循环体中，并不是直接执行程序，而是去调用一个个任务模块。每个任务都是一个子函数，这些任务的调度机制为轮询机制。即：这些子函数功能的执行与否取决于其条件标志是否满足。比方：当某个子函数被主程序调用时，会先判断其执行条件是否成立〔标志位是否有效〕，如果有效那么执行实际功能语句，否那么不执行任何动作直接返回。4.1.1主程序流程图图4.1主程序流程图在软件设计中，一般采用模块化的程序设计方法，它具有明显的优点。把一个多功能的复杂的程序划分为假设干个简单的、功能单一的程序模块，有利于程序的设计和调试，有利于程序的优化和分工，提高了程序的阅读性和可靠性，使程序的结构层次一目了然。应用系统的程序由包含多个模块的主程序和各种子程序组成。各程序模块都要完成一个明确的任务，实现某个具体的功能，在具体需要时调用相应的模块即可。系统主程序控制单片机系统按预定的操作方式运行,它是单片机系统程序的框架。系统上电后,对系统进行初始化。初始化程序主要完成对单片机内专用存放器、定时器工作方式及各端口的工作状态的设定。系统初始化之后,进行定时器中断、外部中断、显示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序。4.2定时器中断程序流程定时器中断程序流程如图4.2所示。图4.2定时器中断程序流程定时器中断效劳程序由一分钟计时、按键检测、有无测试信号判断等局部组成。当定时器中断开始执行后，对一分钟开始计时，1s计时到之后继续检测下1s，直到60s到了再停止并保存测得的脉搏次数。同时可以对按键进行检测，只要复位测试值就可以重新开始测试。主要完成一分钟的定时功能和保存测得的脉搏次数。4.3INT中断程序流程INT中断程序流程如图4.3所示。外部中断效劳程序完成对外部信号的测量和计算。外部中断采用边沿触发的方式，当处于测量状态的时候，来一个脉冲脉搏次数就加一，由单片机内部定时器控制一分钟，累加得出一分钟内的脉搏次数。没有处于检测状态时，按下按键检测开始，进行脉搏数的累加。图4.3INT中断程序流程4.4显示程序流程在单片机的应用系统中，为了便于人们观察和监视单片机的运行情况，常常需要用显示器显示运行的中间结果、状态等信息，因此显示器也是不可缺少的外部设备之一。本设计的显示采用LED数码管动态扫描来显示。动态显示方式是指一位一位地轮流点亮每位显示器〔称为扫描〕，即每个数码管的位选被轮流选中，多个数码管公用一组段选，段选数据仅对位选选中的数码管有效。一个4位的共阳极LED数码管组成四位显示，。4.5蜂鸣器报警流程根据对报警电路的分析，可通过对P2.3的置位来控制蜂鸣器发出声音和关闭。当P2.3管脚为高电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电路形成回路，发出声音；当P2.3管脚为低电平时，三极管截止，这样蜂鸣器中无法形成电流回路，蜂鸣器不出声。因此，利用此原理可通过控制P2.3管脚来控制蜂鸣器是否响应报警。根据医学数据，人体脉搏正常在60到120之间，当数码管所显示的示数大于120或小于60时，蜂鸣器响应报警；示数大于120时小于60时，蜂鸣器不响。因为单片机的端口输出电流能力低，无法直接驱动那些器件，故增加三极管加大功率，驱动蜂鸣器工作。蜂鸣器报警流程如图4.5所示。图4.4蜂鸣器报警流程图5系统仿真与调试5.1程序设计在软件设计中，一般采用模块化的程序设计方法，它具有明显的优点。把一个多功能的复杂的程序划分为假设干个简单的、功能单一的程序模块，有利于程序的设计和调试，有利于程序的优化和分工，提高了程序的阅读性和可靠性，使程序的结构层次一目了然。应用系统的程序由包含多个模块的主程序和各种子程序组成。各程序模块都要完成一个明确的任务，实现某个具体的功能，在具体需要时调用相应的模块即可。5.2程序调试源程序的编写有多种语言，经过对原理的分析和自身的实际情况本课程设采用C语言编写，其主要程序代码如下：/* 初始化函数 /voidinit(){ t=0; TMOD=0x11; //定时器0，1的定时方式1都翻开 TH1=-5000/256; //定时器1定时5ms TL1=-5000%256; TH0=0x3c; //定时器0定时50msTL0=0xb0; EA=1; //开总中断 ET1=1; //开定时器1中断 TR1=1; //开定时器1 TR0=1; //开定时器0 ET0=1; //开定时器0中断 IT0=1; //下降沿促发 EX0=1; //开中断0图5.1系统初始化显示图5.2脉搏显示情况1当脉搏数大于120时，蜂鸣器报警同时黄灯亮到达实验要求。图5.3脉搏显示情况2当脉搏示数小于60时，绿灯点亮同时蜂鸣器显示报警。仿真在模拟心跳时是用信号发生器代替的，可以通过改变其周期数来改变心跳数。在模拟时到达良好效果。6总结与展望脉搏检测中关键技术是单片机设置与传感器输出的信号提取问题,本文设计系统模拟电路简单，由STC89C52芯片实现脉搏信号采集，信号处理，脉搏计数等功能，因此体积小，功耗低，系统稳定性高。本系统可实现脉搏次数的实时存储并可实现与脉搏次数报警,因此可作为简单医院脉搏测量仪。为了实现脉搏测量重复性，特别设置单片机复位按键和测试复位按键。同时方便观察脉搏次数变化，采用动态扫描显示的方式，使用共阳极数码管，可以随时方便观察脉搏跳动变化。当测试结束时，增加的报警功能，起到对病人进行预警作用，当3种灯任何一种灯亮起时，即表示测试结束。当然本次脉搏测量仪还有很多改良地方，比方HK-2000A集成化脉搏传感器对微弱跳动特别敏感，在测量时，手腕手指手掌等身体移动都会影响测量，因此在测量时需要防止其他部位移动。结束语本设计主要是单片机在脉搏测试系统中的应用。重点介绍了单片机的最小系统，通过单片机最小系统实现了脉搏的测量系统，由光电传感器采集到脉冲信号，经过信号的放大、滤波和整形电路将输出的信号通过单片机的外部中断获取并最终在数码管上显示。而且本设计所设计的便携式心率测试仪还有报警功能，在脉搏次数超出设定值时报警电路会驱动蜂鸣器鸣叫。利用单片机自身的定时中断、外部中断、计数等功能，不仅能显示出此次脉搏测量的次数，还能自动储存这个数据。本次所设计的测量仪系统实现简单、功能稳定、使用方便，应用广泛，具有实际意义。由于时间比拟短，同时本人掌握的知识有限，本次设计虽已完成，但其中有很多缺乏，如程序不够简练，论文说明书不够好，光电传感器灵敏度不够高，数码管显示局部不够完美等，同时此次设计的测量仪功能比拟单一，没有如语音系统实现自动读出脉搏次数等人性化功能，且在设计过程中使用的运放数量也较多，加大了电源管理的复杂度。然而科技的进步势必会使测量仪的功能日益强大和完善，其应用领域将不断扩大，将会给我们的生活带来更多的方便和精彩。为了更好的进行电脉搏测量仪的设计，在近一个学期的时间里，认真收集有关资料，并做相关的整理和阅读，为这次的设计做好充分的准备。通过此次的设计，使我知道了无论做什么事都应该事先做好充分的准备，不应该盲目的只为了完成任务而被动的学习；通过此次的设计，使我了解了脉搏测量仪在国内外开展之迅速、应用领域之广、市场前景之大；通过此次的设计，使我对硬件设计和各模块的功能有了更深的了解，同时提高了动手能力；通过次次的设计，使我体会到坚持不懈的毅力对完成一件事情起着巨大的作用。在这个过程中，受到了我们老师和同学的热切关注和耐心辅导，特别李小敏老师对我进行了系统的讲解和指导，对设计提出了很多建设性的意见及建议，对我的设计起到了指导性和决定性的作用，使我深刻的体会到了良师益友给我带来的帮助，在此表示深深的感谢！感谢李静老师给了我们这个时机去更深层次的学习对于单片机和传感器的理解能力和分析设计能力，感谢这次毕业设计带给我的丰收的硕果，感觉系统的总结了4年来所学的专业知识很有用途，同时激发了我对于单片机这个领域的极大兴趣，我将以此为起点，去更加努力的学习深造争做单片机领域的专业人才，为自己争光，为母校添彩。参考文献[1]程咏梅，夏雅琴，尚岚.人体脉搏波信号检测系统[J].北京生物医学工程，2006，9〔5〕：120-123.[2]刘文，唐辉，商洪涛.光电传感器在脉搏采集中的研究[J].中国医学装备，2005，2〔9〕：22-23.[3]欧阳俊，谢定等.基于BL-410的指端脉搏波采集系统应用研究[J].实用预防医学，2004，11〔2〕：385-386.[4]乜国荃，王咏宁.人体脉搏测试系统的设计与实现[J].应用天地，2011，30〔5〕：55-58.[5]刘莹，李娜，冯暖.基于单片机的脉搏测试仪的设计[J].科学实践，2011，12〔1〕：272-273.[6]王华祥，张淑英.传感器原理及应用〔修订版〕[M].天津大学出版社，2006：57-69.[7]何希才.传感器及其应用[M].国防工业出版社，2001：32-47.[8]刘文，杨欣，张凯麟.基于AT89C2051单片机的指脉检测系统的研究[J].医疗设备，2005，11〔9〕：9-11.[9]谢望.光电传感器技术的新开展与应用[J].仪器仪表用户，2005，5〔7〕：1-2.[10]姜宇鹏，李长城.钱塘光电传感器的种类与应用[J].民营科技，2011，10〔12〕：217.[11]刘瑞新.单片机原理及应用教程[M].机械工业出版社，2004：33-39.[12]冯建华，赵亮.单片机应用系统设计与产品开发[M].人民邮电出版社，2005： 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//按键//sbitP3_2=P3^2;sbitP3_6=P2^3; //蜂鸣器bitBELL=0; //响铃标志/**************************************//* //* 软件延时函数 //* //************