“微机原理与接口技术”课程优生免考

1、“微机原理与接口技术”课程优生免考课题设计总结报告课题名称： 基于压力传感器的脉搏检测系统指导老师：王晓萍王立强项目成员：张凯旋韩希学号31101041613110104741专业：光电信息工程基于压力传感器的脉搏检测系统浙江大学光电系，张凯旋，韩希摘要：本项目设计了一款基于压力传感器的脉搏检测系统，本系统通过sc0073压力传感器 把脉搏跳动的力信号转变成电压信号输出，再通过模拟电路调理信号后进入ad转换器，然 后被c8051f020单片机读取，接着由单片机进行数据分析，把脉搏跳动的产生的电压信号 合成波形显示到lcd液品显示屏上，并且通过特征点的计算，得出心率的大小，结合屮医 脉相知识，对

2、脉象做出简单的分析。在lcd显示波形的同吋，也用了一盏led灯来同步脉 搏信号的跳动，增强可视化效果。关键词：脉搏检测；压电传感器；80c51单片机；lcd显示puise detection system based on pressure sensordepartment of optical engineering, zhejiang university, hangzhou 310027,china；zhang kaixuan, han xiabstract: here we present a pulse detection system implemented by c8051f02

3、0 microcontroller and pressure sensor. in this system, force signal is converted to electric signal by a pressure sensor sc0073. then the analog signal is processed by analogue electronics and sampled with tlc549 a/d converter. after calculation, the pulse signal is displayed on the lcd screen. comb

4、ined with the knowledge of traditional chinese medicine，we also make a simple analysis on the pulse signal and display the result on the lcd screen. meanwhile, a synchronous flashing led light is used to enhanced visual effects.key words: pulse detection; pressure sensor; 80c51 microcontroller; lcd

5、display目录pulse detection system basedon pressure sensor11. 概述32. 设计内容与预期目标42.1设计内容42.1.1脉搏波的显示42.2心率的计算42.1.3脉象的简单分析42.2预期目标43. 总体结构设计54. 硬件设计64信号输入电路64.2信号滤波放大电路64.3串行ad转换器与单片机的连接94.4单片机与lcd液晶屏的连接94.5 led扌旨示灯94.6把数据用串口发送到pc机95. 软件设计105程序运行流程105.2串行ad转换程序105.3坐标点转换及特征计算程序105.4 lcd显示程序126. 结果与讨论146.1

6、功能简介146.1.1最终效果146.1.2准确性分析166.2存在问题176.3功能拓展186.3.1传感器的改进186.3.2在pc机上实现更多功能187. 体会与建议197.1体会197.2建议19参考文献201概述脉诊是中国最早创用的独特诊断方法，在中国传统医学里，'望、闻、问、切”已经有 数千年的历史。“医学之要，贵于切脉”。（史记扁鹊仓公列传）有“至今天下言脉者， 由扁鹊也”，可见重视脉诊。所有中庚书籍无一不以脉诊为主要辨证依据，可以说脉诊造就 了屮医病理学的理论基础。现代医学研究表明脉搏波是心脏的搏动使血液沿动脉血管向外传播而形成的。大量医学 研究证实，血管功能异常往往潜

7、在于心血管疾病的早期，如果这种异常能够即使被发现，可 以提早治疗时间、阻止疾病的进一步发展。脉搏波综合反映了血液的压力、流量、流阻以及 血管的弹性形变，比如波的传播速度反映了血液在血管中的传输情况，它包含着丰富的人体 生理信息，它反映了身体各个子系统的生理状态和病理变化。通过对脉搏波的相关参数的测 量研究，可以为人体疾病的诊断提供重要的生理病理判别依据。与西医昂贵复杂的身体检查 不同，中医理论中主要通过脉象的分析，就可以了解到病人身体各方面的健康状况，具有成 本小、方便快捷、无创伤的特点。脉搏信号的测量方法很多，目前多是传统的脉搏检查方法一一手指触脉。由于触脉法不 可避免地带入主观因素，且不便

8、于客观记录和精细分析，所以大大限制了它的应用和发展。 如果能实现用传感器测暈脉搏，并且对脉搏波的波形进行可视化的处理，那么就可以客观地 得到脉搏的主要信息，有利于存储和分析，对人体无创伤且使用方便，并且随着人们生活水 平的提高、对自身的健康状况越来越重视，因而在实际屮有很大的潜在利用空间。因此，本项目组以80c51单片机为核心，设计了一套用于检测脉搏信号，用lcd屏幕 实现脉搏波形的可视化，并能够通过采样、计算、分析等，能够由脉象对健康状况进行简单 评价预估的系统。通过传感器对脉搏波信号进行采集，具有准确性好、使用方便、反应速度 灵敏等优点。2 设计内容与预期目标2.1设计内容本项目要实现对脉

9、搏波信号的可视化与分析功能，具体内容如下：2.1.1脉搏波的显示实现脉搏波形图在lcd屏幕上的显示。通过压力传感器对脉搏信号进行采集，取一个合适的吋长，等吋i'可间隔地采集数据。由 于压力传感器的压-电转换特性，可将脉搏信号的压力大小线性地转换为电压差值的大小， 从而可以表示出此吋脉搏信号的相对强弱。只要采点频率较高，就能从视觉上基本恢复出脉 搏信号的波形图。但是考虑到lcd屏幕的像素有限，即横向宽度只有128个像素点，因此 若采样频率太高，屏幕上无法显示一个周期的完整的波形图，人眼还看不清就过去了。因此 需要将采样频率调节在一个合适的值上，使得在在正常心率下，lcd屏幕上显示出2个左

10、 右的波形为理想。同时将数据传输到pc机上，画出脉搏波的波形图，一些更复杂的计算也 可以实现。2.1.2心率的计算在lcd屏幕左下角能够显示此时心率的值。通过对脉搏波形趋势的判断，找出每一个波形主峰何时出现最大值，两个最大值之间的 时间间隔即为一个周期，即可计算出心率的大小。两次输出之间屏幕上将保持输出上一次心 率值的状态。2.1.3脉象的简单分析对目前的脉搏波形特征简单分析，给出被测者健康状况的粗预估。对脉搏信号的一些特征点的强弱和出现时间进行采集，如主峰值、次峰值等，再通过利 用现代屮医理论的简单结论对这些特征值进行计算分析。为了减少偶然误差对结杲的影响， 将每十个周期求平均作为标准值。因

11、此可达到每十个周期输出一次当前分析结杲效杲。2.2预期目标预期实现两个模式可以切换： 模式_：考虑到一些具有小医学方面专业知识的人不需要分析，因此不需要分析，此时lcd± 只显示脉搏波形，当前心率及心率是否正常。在心率实时显示，每十个周期改变一次。同时 在pc上实现脉搏波的显示与分析。模式二：设计内容的三个功能模块都实现，lcd显示脉搏波的波形，实时显示心率。每十个周 期输出对脉彖进行一次分析。同时在pc上实现脉搏波的显示与分析。3 总体结构设计本项目组主要利用c80c51f020单片机、外部串行ad转换器tlc549、ks0108控制的12864液晶显示器和multisiml2.0

12、s keil uvision2仿真软件等软硬件开发脉搏检测系统。注:ad驱动计算生成坐标lcd显示t的表示使用了计时器波形 计数 分析tj丿串口发送图3软硬件总体框架图4 硬件设计4.1信号输入电路本项目使用的是压力传感器sc0073,参数如下所示动态压力传感器主要性能指标:压力范围灵敏度非线性度 频率响应 标准丄作电压 扩充工作电压w lkpan 0.2mv/paw 1% fs11000hz5v (dc)1.56v(dc)标准负载电阻lkq外形尺寸*5vvcc備*州图4-1-1sc0073压力传感器资料信号输入电路如图41所示。预期信号是5v直流加一个小的交流信号。实际检测时发现，皮肤和传感

13、器之间接触的力就使得传感器输出电压从5v降到2,和预期 信号完全不符合！经过理论分析和试验，我们发现让传感器压紧皮肤时，虽然输出是0,但这时只要找到 合适的脉搏位置，脉跳的力能够让传感器上的力突然消失。从而输lliov5v之间的信号。关 键在于寻找合适的位置，这是本项目中的一个难点，位置因人因时而异，使得检测时需耍调 整一会。图4-1-2传感器直接输出的电压信号42信号滤波放大电路由于事先预计的脉搏信号很弱，所以需要先滤去直流成分，再用放大电路进行放大，然 后用滤波电路消除高频成分。本项目屮，放大电路使用了 ad620仪器放大芯片，滤波电路使用了 lm324运放芯片。 由于输出信号是需要进入a

14、d转换器的，所以得让输出电压在05v之间。因此，设计电路 时采用了单电源供电的方法。3333uttop view4i«tiks01h2e30ut4-im 国+ih qv.rs4ih 习怙 70ut3图 4-2-1 ad620. lm324 引脚图以下分别是放人电路和滤波电路以及整体电路的原理图和仿真结果。图4-2-3第二级滤波电路原理图和仿真结果vcc 3vtr1r4wvvvvc4 1o0kq100kq c1j：_； ll护n5.1kq因为实际中脉搏信号字啊0v-5v之间跳动，所以放大电路反而会引起信号的失真。所以项目最终的设计只使用了滤波电路。图4-2-5失真信号示波器检测结果图4

15、-2-6实际硬件电路4.3串行ad转换器与单片机的连接本项目采用的是tlc549串行ad转换芯片，转换时间为17us,速度远大于并行ad转 换器。实验箱上，tcl549串行ad转换模块的4个接口按照下表连线。ad模块插口连接功能ain与上节所述的信廿输入电路连接模拟信号输入cs_549单片机p3.2片选控制data单片机p3.0数字信号输出clk单片机p3.1同步时钟信号表43 ad转换接口连接法4.4单片机与lcd液晶屏的连接实验箱上，12864lcd液晶屏有2个接口。按照下表连接。模块插h连接功能jd1a7单片机p0 口数据/指令输入输出jd2a7单片机p1 口控制命令输入具体：d/ip1

16、.0表示p0 口是数据还是命令r/wp1.1读或写ep1.2读或写时机控制cs1p1.3左半屏片选信号cs2p1.4右半屏片选信号rstp1.5复位表4-4 lcd屏幕接口连接法4.5 led指示灯把p3.3接到实验箱中的一个led灯上。4.6把数据用串口发送到pc机用实验箱上的rs232模块，与pc机进行连接。实际发行笔记本电脑是15针的数据线，而rs232模块是9针的数据线，两者不兼容。所以这个功能作罢。5 软件设计5.1程序运行流程lcd初始化读取ad转换结果转换成要显示的坐标点、 数据特征计算.lcd显示数据点、分 析结果图51程序整体流程图5.2串行ad转换程序在主程序中会调用ad转

17、换的函数，得到转换结果。lcd屏幕上每画一个点，就会调用一次ad转换函数。这里ad转换器把ov5v的模拟信号转换成一个8位的数字信号输出。x+; if (x128) x=o;clear_scr_jpg(); ad_out=ad_convert ();/读取ad转换考果 0-255图5-2-1 主函数调用ad转换函数根据tlc549提供的接口与资料介绍，可以很方便地编写出程序代码。启动ad读取8位*专换结果ucliar ad_convert (void) uchar 10;uchar tempo;p3=0xff；ad_cs-1; _nop_ ();adcs-o;for (i=0;i<8;i

18、-h-h)/准壬汝入叛捋停止adad_clk-1; temp<<1;ad_cs=1； m皀turn temp;返解果图 5-2-2ad转换流程和实现代码5.3坐标点转换及特征计算程序从ad转换函数得到的返回值是一个8位的数，取值范围是0-255o为了显示波形，需 要把电压大小表示成坐标点的大小。本项目使用3/4块屏幕(y轴坐标点1664)来显示波 形，所以要进行线性映射。/把ad無换结果对应到纵空标 *范520-60.8图5-3-1坐标映射由于脉搏的跳动，传感器输出的是小于5v的信号，所以脉搏信号看起会是倒的，为了 看起来方便，进行波形的上下翻转。y=-y_ori+80;/把浪形上

19、下翻转把ad转换结果被形上下对应到纵坐标 f翻转 模式一：检测王峰值的时间差 实时显示彼形和脉搏跳动次数特征计算流程图图 5-3-3图5-3-4波形峰值时间差检测示意图图5-3-2 波形上下翻转为了测定一分钟脉搏跳动多少下，一方面不能要求测试者在脉搏测试系统前测上1分 钟，另一方面传感器的稳定性也有待提高。所以本项目通过测定两个脉冲之间的时间来进行 计数。通过多次平均可以使得结果更加精确。模式二 检测王峰值、王次峰值等时间差 波形和分析结果（包括脉搏跳动次数和脉 象）交替显示由上图所示，在峰值最大处开始启动定时器，在第二个峰值处停止计时器。这样就测 得了一个脉冲的时间宽度。由于一次脉搏信号一般

20、有多个峰值，所以不能简单的通过峰值个 数来判断是第几次脉搏跳动。需要在中间的低电平处引入低电平标志s。否则定时器得到的 时间就不是脉搏两次跳动的时间差。模式2中增加了许多其他特征的检测，比如右图中的hl、h2、tl、t2o在原有的基础上 在启动、结束定时器的命令上更为复杂。本项目中设置了多个标志来标记，比如峰值标记、 谷值标记，结合定时器状态tr和缓存数组，可以实现对这几个特征量的采集。hl主波幅值：112波幅值：113降中峽波幅值：114垂搏波幅值：tl急性射血期时值:t2收缩期时值：t3舒张期时值:t脉动周期时值图5-3-5其他脉搏特征信息5.4 lcd显示程序在进行lcd的读写时，首先要

21、有几个对lcd进行操作的基本函数。这个可以通过对实 验指导书中光盘内容的学习很快掌握。本项目中用到的基本函数有：void write_lcd_cciranand(uchar lcdccmmand);/金令输?入函数void write_lcd_data (uchar lcddata);/数捱輸入西数void clear_scr_all (void);/全 弄清辛i void clear_scr_jpg(void);/亘昼区清琴void clear_scr_num(void);/数宇显示区清辛|void clear_scr_last (void);/最后一行末端清琴|void check_bus

22、y (void);/检査lcd是否正忙图5-4-1控制lcd的基本函数在基本函数的基础上，编写的函数有：/根捱页数和列数找到数据输入的乜査void setposition(uchar ucchipselect9uchar ucfageruchar ucline);void lcd_draw_dot(uchar xruchar y); void display_number(uchar x);void display_danwei(void);void display_sulv(uchar jump);void delay(uint ch);/®个坐标为x. y的点/品示lmin脉擅跳

23、动次数/品示至位"次/min"/根据跳动次数品示判断魁动快慢并巨品示图5-4-2显示用的功能函数上面设置了多个清除和显示的函数,主要是为了在lcd显示时，只淸除必要的部分,节省资源。本项目中的字模是使用字模生成程序得到的。得到了包括“09数字”、“次/min”，“血 管顺应”、“左心室收缩功能”等字模。图5-4-3字模生成程序在进行脉搏跳动次数的检测吋，由于得到的是一个数，所以这里用了一个三维数组，分 别求出百位、十位、个位的数字后可以方便地进行字模选择。比如number028就是数字 0的字模了。1数宇的宇模uchar cede number1028=0x00f 0xe0

24、r 0xl0f 0x08r 0x08f 0xl0r 0xe0f 0x00r/0oxoor oxoff oxlor 0x20r 0x20f oxlor oxofr oxooroxoof oxlor oxlof 0xf8r oxoof oxoor oxoof oxoor/i oxoor 0x20r 0x20r 0x3fr 0x20f 0x20r oxoof oxoor 0x00.0x70.0x0% 0x08r 0x08r 0x88r 0x70r oxoor/2 0x00,0x30,0x28,0x24,0x22,0x21,0x30,0x00, 0x00.0x30.0x0% 0x88r 0x88r 0

25、x48.0x30.oxoor/3 :g只 kk 八g 八 kkg 八 kk gkk kkg图5-4-4 数字字模3维数组在实现波形显示时，把lcd屏幕看成是横坐标0123,纵坐标063的坐标系。一个关 键的函数就是画点函数，知道x、y坐标后就可以在lcd屏幕具体位置显示一个黑点。实现 时，通过把坐标xy转换成lcd内部的页和列来表示。根掲坐标x, 丫画点void lcd_draw_dot(uchar xruchar y) /x:0-127ry:0-63 一 uchar xxr yyrdatain;xx=x;yy=63-y;datain=(0x01« (yy%8);setpositio

26、n(xx/64 ryy/8 r xx%64);write_lcd_data(datain);图5-4-5 画点函数代码6 结果与讨论6.1功能简介6.1.1最终效果模式一：1、开始，没有脉搏信号输入吋输出波形恒为0图6-1-1模式一无信号输入时的输出波形图2、在lcd屏幕上先输出脉搏波的波形图，并实时显示心率及是否正常图6-1-2模式一正常测量时的输出波形图模式二i、开始，没有脉搏信号输入时输出波形恒为0图6-2-3模式二无信号输入时的输岀波形图2、在lcd屏幕上先输出脉搏波的波形图，并实时显示心率图6-3-4模式二正常测量时的输出波形图3、釆样达到十个测量周期，输出脉象的简单分析结果图6-4

27、-6分析结果图6.1.2准确性分析首先我们对计数功能做了准确性测试，是输入信号为1hz的方波信号，除了一般显示 为60次/min的正确，还可能有比真实频率要多或少计算一次的情况，即为59次/min或61 次/min,这种情况的显示如下图：图6-1-7频率计算比真实值少一次图6-5-8频率计算比真实值多一次说明计数存在1次的误差，不过对于心率的计数来说，1次的误差是允许的，一般来说 并不会健康状况的评判造成本质性影响，因此是可以接受的。究其原因，跟讣算精度有关。由于我们的讣算方法是测出两个主峰值之间的时间间隔， 再用周期去推频率，受到计算精度的限制，可能会出现微小的误差。然后我们对真人进行测试，

28、当屏幕显示68次/min时，用手搭出来的脉搏频率约为70 次/min。图6-1-9被测人心率的结果显示 可见心率测量的准确度还是很可信的。6.2存在问题稳定性欠佳：在最开始考虑这个项目并进行开题报告的时候，我们就遇到了传感器的选择的问题。当 时可以考虑的有压力传感器、红外传感器、光电传感器等。查阅资料后认为这些传感器都能 实现检测脉搏的功能，但是性能具有一定的差异。可以想见，压力传感器的干扰是比较大的, 首先被测者不能活动，要保持静止状态才能保证微小的脉搏信号不被噪声淹没。其次，一定 要找准脉搏的位置，圧力传感器一泄要保持脉搏与传感器工作面的紧密接触，如果有偏移， 输出信号就会失效。我们之所以

29、最终还是选择了压力传感器是因为压力传感器的价格相对便宜，比起红外传 感器至少需要120多元的价格，压力传感器70元一只的价格相对能够为学生所接受，当时 想的是先用压力传感器调试，如果实在不行再考虑用红外传感器。但是最后的调试结果还是 可以接受的，也就是说虽然稳定性欠佳，还是可以接受的，细心找准脉搏后，得到的脉搏波 形图还是比较令人满意的。所以最后也就没有再更换传感器。时间条件允许的话，如果能够将测量装置封装起来，稳定性也是能够大大提高的。现在 是焊接、连接后完成的原板，在测量过程中，由于不能将实验箱上的接口和我们电路板上的 导线引脚焊在一起，所以不可避免地有时出现把缠在一起的线不小心拉掉等状况

30、；而且在把 传感器工作面按在手腕上的脉搏跳动处时，手有可能将传感器背面的两个引脚短接，造成输 出信号的不稳定。因此，如果可以用合适的塑料壳将电路封装起来，再在传感器上加一个绝 缘固定装置，可以想见稳定性能会改善不少。6.3功能拓展6.3.1传感器的改进传感器可以从压力传感器改为性能更好、更加稳定的红外传感器或者光电传感器，下图 为资料中光电传感器的外观图与效果图。6-3-6光电传感器的外观和效果图从波形图可见光电传感器的性能是更好的。准确性更高、更稳定。6.3.2在pc机上实现更多功能前面己经提到用实验箱上的rs232模块，与pc机进行连接。但是实际发行笔记本电脑 是15针的数据线，而rs23

31、2模块是9针的数据线，两者不兼容。但是这个功能如果有了合 适的数据线是很好实现的。将采集到的数据传输到电脑上，可以实现80c51上复杂强大很多的功能。按照我们的 预想，本来是可以对脉象特征进行诊断的，但是由于lcd屏幕像素太低，只好减少采样频 率；加z51单片机内存有限，运算速度精度有限，因此无法得到精确度很高的脉搏波波形 图，也无法对得到的波形做出复杂的计算和分析，其至分析结果输出起来都非常的麻烦。但 是实现将数据传输到电脑上以后，可以将采样频率提高很多，采集的样点足够多后，再用电 脑软件绘图、分析，与屮医理论屮的28种脉象进行匹配、分析，比如下图屮的两种脉象就 可以用电脑程序轻松快速地识别

32、出来。滑脉：往來流利，如盘迄珠，应拆岡滑现代脉图如卜所示。平弦脉:端4以长,如按琴弦z感,但此弦是软弱而柔和的，而非刚劲坚砍之弦。现代 脉图如下所示。图6-3-2两种不同脉象的波形图7 体会与建议7.1体会此次基于压力传感器的脉搏检测系统整个项目的顺利完成，不仅强化了我们关于单片机 的理论知识，而且提高了我们分析、解决实际问题的综合素质和能力，以及丰富了我们搭建 系统、做小项目的经验，是一次极好的锻炼体验。在确定课题之初，我们利用已学的的微机原理与接口技术的知识，查阅了资料并参考了 往年优生免考的课题，确定了这个难度不算太高、实用性和趣味性比较强的课题，决定搭建 一个脉搏检测系统。器件的选择上我们也遇到了一些问题。因为压力传感器的性能不够优秀，也考虑过更换 传感器。还有设计时在一级放大电路屮使用的运放，选择了专用于精密仪器的ad620o这让 我们拾起了以前学过的模拟电路和软件仿真的知识。硬件电路作为系统的基础，搭建的过程 应当是十分细心的。如果电路设计不当，就不可能达到预期的结果。我们画出电路图后先