重庆大学智能脉搏记录仪毕业论文

1、聊城大学东昌学院毕业论文 课题名称： 智能脉搏记录仪 设计时间： 2012.12.052013.5.18 系 部： 机电工程系 班 级： 姓 名： 指导教师： 摘要脉搏测量仪在我们的日常生活中已经得到了非常广泛的应用。为了提高脉搏测量仪的简便性和精确度，本课题设计了一种基于51单片机的脉搏测量仪。系统以AT89C51单片机为核心，利用光电传感器采集信号，通过硬件电路整形放大后，实现单片机对脉搏的累加计数。系统运行中能显示脉搏次数，系统停止运行时，能够显示总的脉搏次数。经测试，系统工作正常，能准确达到设计要求。关键词：脉搏计数 AT89C51单片机 光电传感器AbstractPulse meas

2、uring instrument has been widely used in our daily life. In order to increase its simplicity and accuracy, this subject designs one system based on single-chip microcomputer . The system takes the AT89C51 microcontroller as the core, uses the optical sensor to collect signals. After shaping and enla

3、rging by hardware circuits, the microcontroller can make the pulse accumulated counting. The system can display the time of the pulse during operation. It can also show the total number when it stops. After testing, the system works well and meets the design requirements accurately. Keywords：Pulse c

4、ounting AT89C51 single-chip microcomputer Photoelectric sensor1绪论11.1 引言21.2 脉搏的概念31.3 脉搏信号的性质31.4 脉搏记录仪概述12.基本结构模块52.1脉搏波检测电路52.2脉搏信号拾取电路52.3信号放大72.4波形整形部分93.整体电路分析103.1光发射电路103.2光电转换电路103.3信号采集及处理系统113.4过采样技术的应用113.5整体硬件电路设计124.软件设计144.1 程序设计144.2 程序源代码155 结 论19参考文献20附 录21第一章 绪论1.1引言脉搏波所呈现出来的形态、强度

5、、速率和节律等方面的综合信息，能反映出人体心血管系统中许多生理疾病的血流特征。本系统采用STC89S51单片机为核心而制作的一种实用型脉搏测量仪。采用HK-2000A 集成化脉搏传感器作为传感器对人体的脉搏心率警醒数据采集。得到的信号送入STC89S51单片机进行处理。单片机将采集到的脉搏心率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。本文首先描述本设计的整体思路，然后介绍各个部分设计中的细节问题，最后提出一些完善本设计的改进意见。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

6、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。1.2脉搏的概念脉搏即动脉搏动，脉搏频率即脉率。正常人的脉搏和心跳是一致的。正常成人为60到100次/分，常为每分钟7080次，平均约72次/分。老年人较慢，为55到60次/分。正常人脉率规则，不会出现脉搏间隔时间长短不一的现象。正常人脉搏强弱均等，不会出现强弱交替的现象。脉搏的频率受年龄和性别的影响，婴儿每分钟120140次，幼儿每分钟90100次，学龄期儿童每分钟8090次。另外，运动和情绪激动时可

7、使脉搏增快，而休息，睡眠则使脉搏减慢。成人脉率每分钟超过100次，称为心动过速；每分钟低于60次，称为心动过缓。临床上有许多疾病，特别是心脏病可使脉搏发生变化。因此，测量脉搏对病人来讲是一个不可缺少的检查项目。中医更将切脉作为诊治疾病的主要方法。心动周期中，由于心室收缩和舒张的交替进行脉管发生周期性扩张和回位的搏动。病情危重，特别是临终前脉搏的次数和脉率都会发生明显的变化。脉搏的变化也是医生对病人诊断的其中一项依据。注：安装泵式人工心脏者无脉搏。1.3脉搏信号的性质一般情况下，脉搏信号可以看成是周期性的确定性信号，但实际上它们并不完全是确定的，脉搏信号也并非恒定不变的，而是不断地出现一些微小的

8、变化，尤其是它会随人体的各种生理病理因素及周围环境条件的变化，其波形会随机性地变化，正在于此，它在医学诊断中具有重要的意义。脉搏信号具有如下具体特点：(1)强干扰下的微弱信号 由于脉搏信号幅度很小，大约是微伏到毫伏的数量级范围。因此，极容易引入干扰，这些干扰有来自50Hz的工频干扰，有来自肌体抖动、精神紧张带来的假象信号等。(2)频率低但能量相对集中的信号 人体的脉搏频率非常低，约为0.54Hz，一般情况下为1Hz左右，脉搏信号可看成一个准直流信号，也可看成是一个甚低频交变信号。根据脉搏功率谱能量分析，健康人脉搏能量绝大多数分布于15Hz，而病人脉搏在1Hz以下和较高频段（如5Hz以上或10H

9、z以上）仍有相当一部分的能量分布。1.4脉搏记录仪概述1选题的背景和意义 脉搏携带有丰富的人体健康状况的信息，医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。为了节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测量10秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以6即得到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高。为了提高脉搏测量的精确与速度，多种脉搏测量仪被运用到医学上来，从而开辟了一条全新的医学诊断方法。2应用现状目前脉搏测量仪在多个领域被广泛应用，除了应用于医学领域，如无创心血管功能检测、妊高症检测、中医脉象、脉率检测等等，商业应用也

10、不断拓展，如运动、健身器材中的心率测试都用到了技术先进的脉搏测量仪。第二章 基本结构模块2.1脉搏波检测电路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、压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。近年来, 光电检测技术在临床医学应用中发展很快, 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症状信息。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。本系统设计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，结构如图1 所示。图2-1 透射式光电传感器图传感器由发光二级管和光敏二极管组

11、成, 其工作原理是: 发光二极管发出的光透射过手指,经过手指组织的血液吸收和衰减，由光敏二极管接收。由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的吸收和衰减也是周期性脉动的, 于是光敏二极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。2.2脉搏信号拾取电路如图2所示，IClA为单位增益缓冲器，用于产生2.5V的基准电压。 图2-2 信号拾取器图红外接收二极管在红外光的照射下能产生电能，单个二极管能产生O.4 V电压，0.5 mA电流。BPW83型红外接收二极管和IR333型红外发射二极管工作波长都是940 nm，在指夹中，红外接收二极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性

12、。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。在图l中，RO选100 是基于红外接收二极管感应红外光灵敏度考虑的。R0过大，通过红外发射二极管的电流偏小，BPW83型红外接收二极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R0过小，通过的电流偏大，红外接收二极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当红外发射二极管发射的红外光直接照射到红外接收二极管上时，IC1B的反相输入端电位大于同相输入端电位，Vi为“O”。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，由于红外接收二极管中存在暗电流，仍有lA的暗电流会造成Vi电位略低于

13、2.5 V。二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收二极管中的暗电流减小，Vi电位上升。由此看来，所谓脉搏信号的拾取实际上是通过红外接收二极管，在有脉和无脉时暗电流的微弱变化，再经过IClB的放大而得到的。所拾取的信号为2V左右的电压信号。2.3信号放大按人体脉搏在运动后最高跳动次数达240次/分计算来设计低通放大器，它由IC2A和C04等组成，如图2所示。转折频率由R07、C04、R08和C05决定，放大倍数由R08和R06的比值决定。图2-3 低通滤波器图根据二阶低通滤波器的传递函数，可得 （1）放大倍数为 H=-R08/R06 =-22 （2）取0.707倍零频增益计

14、算高频转折频率，即fH = 7.7Hz （3）按人的脉搏最高为4 Hz考虑，低频特性是令人满意的。需要说明的是，以上分析是在忽略C03的条件下做出的，如果考虑C03的话，那么：由此可见，C03没有影响频率特性的分析，它的作用只是隔直。二级放大器兼比较器如图4所示。Rpll用以调整系统的放大倍数，C06用以防止放大器自激。采用二级放大，零点漂移不很明显，在O.1 V左右。所以将比较器的阈值电压设计成O.25 V，以确保滤除干扰信号。采用比较器的好处是能有效地克服零点漂移所造成的影响，提高测量的准确性。图2-4 二级放大器和比较器图2.4波形整形部分波形整形电路如图5所示，IC3A是CD4528型

15、单稳态多谐振荡器，有效脉宽为0.05 s其宽度由R22和C20决定。IC3B也组成一个单稳态多谐振荡器，脉宽为240ms。D2、Dl和T3等组成一个或非门，只有C，E两点均为低电平时，信号放大器整机输出才是高电平。设计这个电路的目的是为了在输出端输出一个窄脉冲，并且要在由R13和C07决定的时间内任何信号都不会干扰输出。R23和C21充电时间的长短决定了计数脉冲的宽度，一般不希望它太宽。波形整形时序如图6所示。图2-5 波形整形线路图第三章 整体电路分析3.1光发射电路经实验可知,采用GaAs红外发光二极管作为光源时，可基本抑制由呼吸运动造成的脉搏波曲线的漂移。脉搏波检测以光电检测技术为基础，

16、因此受周围杂散光、暗电流等各种干扰影响较大。为了克服这一问题本系统采用脉冲振幅光调制技术。脉冲调制传送的是调制信号的采样值，只要采样频率奈奎斯特采样频率，则可由采样脉冲来恢复原信号，而不会导致失真。系统对红外二极管的驱动脉冲信号的频率选定为工频整数倍400Hz以降低工频干扰。脉冲载波由ADuC841内部16位数模转换器产生。为了保证红外发光二极管的光源稳定，本文采用运放op495和NPN型三极管作为恒流源电路向发光二极管提供稳定的工作电流，光源驱动电路如图4-1所示。3.2光电转换电路光敏二极管的特性是将光信号转换为电流，而随后的A/D转换电路是以电压为检测对象。因此，接收电路中应采用电流电压

17、变换电路，将电流信号转换为电压信号。运算放大器与电阻R形成电流电压变换电路，如图4-2所示。（图中S_GND为信号地，运算放大器工作正负电源为5V、0V，为避免信号丢失，将信号抬高至VS_GND=1V。）电路输出电压。图3-1 发光二极管驱动电路图图3-2 光敏二极管的电流电压转换电路图3.3信号采集及处理系统由于光电脉搏波属于缓慢变化的微弱生理信号，信噪比低，极易受到环境噪声和肢体运动的干扰。传统的光电脉搏波信号检测电路都采用高增益放大器，以获得较高的检测灵敏度，这种设计思路导致了检测信号动态范围缩小，在受到运动干扰时，将导致由于干扰信号而带来的光电脉搏波信号检测的饱和失真。本系统采用过采样

18、技术，通过对信号的高速采样来提高采样精度，相当于用高分辨率的ADC对信号进行模数转换，达到了提高信噪比并改善动态范围的效果。因此本系统对经过光电转换后的信号进行模数转换而不需要任何信号调理（放大和滤波）电路。3.4过采样技术的应用所谓过采样技术是指以远远高于奈奎斯特(Nyquist)采样频率的频率对模拟信号进行采样的方法。由信号采样量化理论可知，若输入信号的最小幅度大于量化器的量化电平，并且输入信号的幅度随机分布，则量化噪声的总功率是一个常数，在0fs2的频带范围内均匀分布8。因此量化噪声电平与采样频率成反比，如果提高采样频率，则可以降低量化噪声电平，而由于基带是固定不变的，因而减少了基带范围

19、内的噪声功率，提高了信噪比，从而提高分辨率，并且采样频率每提高4倍，则信噪比提高4倍，相当于A/DC的分辨率提高1位。本文设计的脉搏检测系统正是利用了这一原理，在A/DC过采样之后进行数字滤波，大部分噪声被数字滤波器滤掉，这样量化噪声就降低了，即提高了系统信噪比。系统采用FIR结构的滑动平均滤波器，在过采样之后对数据进行数字抽取滤波。滑动平均滤波器系统传递函数为。该滤波器的作用是滤波、抽取和抗混叠。滤波器为一个数字低通滤波器，主要是滤除采样信号频带以外的高频量化噪声，并维持信号频带以内的信号基本不变，相当于增加了数字信号的有效分辨率；抽取是将采样得到的高速低分辨率的数字信号的抽样频率降至奈奎斯

20、特采样频率，进而完成高分辨率数字信号的重构；抗混叠主要是滤除降低取样频率后可能出现的混叠噪声。本文利用ADC841单片机内部的12位ADC对光电转换后的02.5V 的电信号进行采样，由于本身具有一定的分辨率，要求的过采样倍数不会太高，ADC的速度可以满足应用。而数字滤波和抽取均通过软件来实现，配置灵活。3.5整体硬件电路设计电路的原理图见图4-3。电路由传感器电路、信号放大和整形电路、单片机电路、数码显示电路等部分组成。图3-3 电路的原理图传感器主要由红外线发射二极管和接收二极管组成，测量的原理如下：将手指放在红外线发射二极管和接收二极管中间，随着心脏的跳动，血管中血液的流量将发生变化。由于

21、手指放在光的传递路径中，血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生变化，因此和心跳的节拍相对应，红外接收二极管的电流也跟着改变，这就导致红外接收二极管输出脉冲信号。脉冲信号由F1F3、R3R5、C1、C2等组成的低通放大器进行放大，再经由F4、R6、R7、C3组成的放大器进一步放大，其输出信号送给由F5、F6、RP1、R8等组成的施密特触发器进行整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机的外部中断信号。可变电阻RP1用来调整施密特触发器的阀值电压，从而调整电路的灵敏度。AT89C2051、X1、R10、C5等组成单片机电路。单片机电路对P3.2输入的脉冲信号进行计算处理后把结果送到数码管显示。发光二

22、极管VD3作脉搏测量状态显示，脉搏每跳动一次发光二极管就点亮一次。数码管DS1DS3、VT1VT3、R12R21等组成数码显示电路。本机采用动态扫描显示的方式，使用共阳数码管， P3.3-P3.5口作三个数码管的动态扫描位驱动码输出，通过三极管驱动数码管。P1.0-P1.6口作数码显示七段笔划字形码的输出，用以驱动数码管的各字段。第四章 软件设计4.1程序设计 本系统的硬件平台的核心为ADuC841，其片内微控制器是一个优化的单指令周期8052 闪存MCU，它的指令系统保持与8051指令系统兼容。ADuC内程序主要功能为：（1）系统初始化；（2）改变DAC0电平状态，驱动红外光二极管

23、；（3）管理ADC进行数据采集；（4）数字滤波处理；（5）与中央监测系统或计算机进行实时数据传输。本文选用ADI公司的单片机ADC841，其内部集成了速度可达400k的12位逐次逼近型ADC，模拟输入范围是02.5v，则分辨率为0.6mv/LSB。从软件需求和单片机速度出发，将ADC采样率fs定为102.4kHz，为便于计算，将过采样倍数k定为64，则下抽取后采样率为f为：fs/k=1600Hz，是频率为400Hz载波的四倍，满足奈奎斯特采样定理。由于过采样倍数k为64，按每提高4倍采样率就能提高一位分辨率来计算，获得的ADC有效分辨率能提高3位，最后能达到约15位精度，其分辨率可达到0.07

24、63mv/LSB。过采样和数字滤波的实现都是在AD中断服务程序中实现的。集成于单片机上的ADC由定时器2产生用于A/D转换的重复触发信号，因此需要通过设置T2寄存器重新装载的值来获得102.4kHz的采样率，参考信号取自片上自带的2.5V基准电压，设置ADCCON1#0B2H，ADCCON2#00H。定时器2是一个具有16位自动重装载功能的定时器，作定时器用时，TH2和TL2计的是机器周期数，TH2和TL2内容的自动重装载通过寄存器RCAP2H和RCAP2L来实现。对这四个寄存器都进行初始化，自动装载值为#0FFCAH。在数据采集中, 为了保证采集数据的不失真和适当的精确度, 必须选择合适的采

25、样频率。人体脉搏正常跳动约为60次/ 分左右,即跳动频率在1Hz 左右，本系统为了更好的消除50Hz工频干扰，系统以50Hz的数据输出率对数据进行下抽取，抽样比为2048。中断程序中的数字处理包括如下步骤：(1)将脉冲载波的高电平时段内的数据累加2048/（2*64）16次，(2)将脉冲载波低电平时段内的数据累加2048/（2*64）16次,(3)用步骤(1)中的数据减去步骤(2)中的数据，便得到了解调后以50Hz的数据输出率输出的一个数据点。经过上述对信号的解调，有效去除背景光、杂散光的干扰。程序同时实现了过采样算法中的滤波和下抽取。脉率计算程序包括如下步骤：将得到的数据以双字节存入ADC8

26、41的XRAM中（2304字节）。从0000H 开始,在60个样本数据中寻找最大值, 并确定其位置即波峰位置, 之后寻找紧挨着它的第二个波峰,采用软件计数器计算两者间的距离即其点数，然后按照脉率计算公式：脉率采样频率/ 相邻两波峰×60 50×60/ 相邻两波峰，计算出脉率, 并将其存储。当脉搏检测系统与中央监测系统或计算机进行实时数据传输时，通过设置定时器T3的控制寄存器T3CON为#86H，T3FD为 08H，得到9600的串口波特率。ADuC841发送握手信号与系统机建立通信，当握手成功后，系统开中断并将转换处理后的数据送交系统应用程序进行处理。所得到的光电脉搏波波形

27、如图5-1所示。图4-1 光电脉搏波波形显示图4.2程序源代码#include <reg51.h>unsigned char i,j,t,m,DelayTime,DispBuf3；unsigned int n,mb；unsigned char codeBitTab3=0xf7,0xef,0xdf； /位驱动码unsigned char codeDispTab10=0x81,0xcf,0x92,0x86,0xcc,0xa4,0xa0,0x8f,0x80,0x84； /字形码sbit P3_0=P30；void delay(DelayTime)；main() /主程序TMOD=0x01

28、；/定时器T0工作于方式1TH0=0xec；TL0=0x78；/T0定时时间为5msIE=0X83； /开中断IT0=1； /外部中断0为边沿触发方式TR0=1； /开定时器T0for( ) /脉搏指示灯控制if(P3_0=0)delay(200);P3_0=1;external0() interrupt 0/外部中断服务程序P3_0=0； /点亮指示灯if(n=0)mb=0；elsemb=12000/n； /计算每分钟脉搏数DispBuf2=mb%10； /取个位数mb=mb/10;DispBuf1=mb%10； /取十位数DispBuf0=mb/10； /取百位数n=0；Timer0() interrupt 1 /定时中断服务程序TH0=0xec；TL0=0x78；t=BitTabj； /取位值P3=P3|0x38； /P3.3-P3.5送1P3=P3