基于单片机的脉象仪控制系统

1、基于单片机的脉象仪控制系统摘 要脉象信号是反映人体机能的重要参数，在人体的生命监护中有极其重要的参考价值。准确地测得人的脉象信号，及时反映脉象随时间的变化，对于临床医学有着重要的意义。随着电子技术的发展，单片机以其体积小、功能强、功耗低的特点在仪器中应用广泛，我们本着实用、可靠、安全、简洁及经济等原则，设计开发了基于单片机AT89C52的脉象数据采集处理电路：采集6路脉象时，我们采用单个通道循环采集的办法，即六路脉象信号共用一路放大电路和A/D转换电路，我们用模拟通道选择开关CD4051来对脉象信号进行选择，同时利用单片机来控制这个选择开关，实现对六路脉象信号的循环采集。并利用ADC0809设

2、计了模数转换电路，利用单片机控制其对脉象信号进行模数转换，并将脉象信号数据其送入PC机进行实时显示。第一章 脉象仪的工作原理采用脉象传感器提取脉象信号，由于脉象传感器提取出来的信号在毫伏数量级，且含有噪声，因此必须要经过放大和滤波，而且还要保证不失真，同时输入阻抗也要足够大。将信号处理成为适度大小的模拟信号，并必须要把模拟的脉象信号通过A/D转换，变成数字信号。再通过串口通讯，将数字信号送至PC机，在PC机中进行数据的处理和显示。1.1主要任务及设计思想设计的主要任务是：本着实用、可靠、安全、简洁及经济等设计原则，设计开发基于单片机AT89C52的脉象数据采集系统。设计控制方案，搭建硬件电路。

3、制作一个基于AT89C52单片机的数据采集系统，对提取并调理的六路脉象信号进行模数转换，并将脉象信息数据传送给PC机，并对其进行实时显示，以便进行脉象分析；软件设计，使用G语言和C语言，控制脉象信号的六路循环采集，A/D转换，脉象信号分析，以及在PC显示。1.2脉象仪的主要工作原理一个完整的脉象信号控制系统应该包含信号提取部分、信号分析与处理部分、信号显示部分。信号提取部分：系统的信号采集拟采用专用的医学传感器，分六路进行采集。脉搏信号经由手腕处的体表辐射出来之后，首先经过传感器把声信号转变为电信号，再经模拟通道选择模拟多路器CD4051来对脉象信号进行选择，然后经过预处理后得到一个比较理想的

4、信号。到A/D转换器件，将模拟电信号转换为数字信号，送于单片机进行处理和分析。信号分析与处理部分：信号分析与处理部分是系统最核心的部分，本文设计的数据采集与显示系统采用单片机AT89C52作为核心控制元件，实现了数据的高速采集与显示。信号显示部分：采集得到的脉象数据的处理结果在PC屏上显示脉图，便于观察脉象信号。1.3单片机芯片选择本设计作为一个简单脉象仪，最后需给出脉波显示，以单片机作为信息处理中心，通过对单片机进行编程，完成信号输入检测、信息分析处理及信息显示。89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，

5、属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功

6、能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。主要功能特· 标准MCS-51内核和指令系统· 片内8kROM（可扩充64kB外部存储器）· 32个双向I/O口· 256x8bit内部RAM（可扩充64kB外部存储器）· 3个16位可编程定时/计数器· 时钟频率3.5-12/24/33MHz· 向上或向下定时计数器· 改进型快速编程脉冲算法· 6个中断源· 5.0V工作电压· 全双工串行通信口· 布尔处理器帧错误侦测· 4层优先级中断结构自动地

7、址识别· 兼容TTL和CMOS逻辑电平· 空闲和掉电节省模式1.4传感器部分的设计1.4.1工作原理以及选择人体的脉象信号通常很微弱，且在人体内噪声干扰也比较大，采用普通的传感器难以提取出所需的脉象信号，因此需要精度高、抗干扰能力强的传感器来提取脉象信号，我们选用压力传感器。压力式传感器是脉象仪普遍采用的一类传感器。某些固体材料受到外力的作用后,其电阻率要发生变化,这种由于应力的作用而使材料电阻率发生变化的现象称为压阻效应。半导体应变片测量应变的原理是以半导体晶体的压阻效应为基础的。用此应变片制成的传感器称为半导体压力式传感器。压力式传感器的基本组成部件包括:应变片、弹性元

8、件、测量电桥。1.4.2自动平衡电路电阻应变片具有精度高，价格便宜，使用方法简单等特点，广泛应用于压力、应变等力学参数量测领域，电阻应变片一般采用全桥形式的电路结构以提高输出灵敏度，即使如此，一个微应变的桥路输出也仅有几个微伏，测量放大器的放大倍数常大至数千倍，甚至上万倍。因此，由于电阻应变片阻值误差或使用环境温度变化而引起的桥路微小的失衡都会导致输出端几百毫伏甚至数伏的零点偏移，再加上放大器本身的零漂，造成测量时信号超量程，严重影响测量精度。桥路自动平衡是测量放大器的重要组成部分，也是量测系统智能化的一个重要标志。通过调节精密仪表放大器的参考端电压实现桥路自动平衡是一种切实可行的方法1.5

9、信号预处理以及电路人体微弱的脉搏信号经脉搏波传感器转换成5mv左右的电信号，虽然能直接的测量，但这样微弱的电信号在电路的控制中是不起任何作用的。必须把微弱电信号加以放大，才能使后续的电路正常工作。由于脉搏信号属于低频信号，脉搏信号的能量频段主要集中在1Hz15Hz之间，实际应用时，一般取0.4Hz45Hz间的信号。在脉搏信号的检测和采集时，由于受仪器、人体等方面的影响，所采集的信号中常存在如下2种噪声：(1)由于肢体抖动、肌肉紧张而引起的干扰，它的频率范围较大； (2)工频干扰，是固定频率的干扰，频率为50 Hz。在实际系统的设计中，50Hz工频干扰通过模拟陷波器和低通滤波器的二次滤波，可以得

10、到较好的抑制；对于肢体抖动、肌肉紧张而引起的干扰，只要在测量时保持肌体的放松，基本也都能避免，以获取高质量的信号。总结起来对一些频率低，变化慢，信号弱的生理信号如脉搏信号的采集，信号源阻抗较高，并常伴随着较强的背景噪声和干扰，对电路的基本要求有：1、高增益前置放大器放大倍数一般应在80dB120dB之间；2、高共摸抑制比放大器必须要具有好的抗干扰能力，一般要有60dB以上的CMRR；3、高输入阻抗一般不小于2M，有的可达100M，否则，所测信号会产生很大的误差，同时也会降低整体的抗干扰能力；4、低噪声若放大器本身噪声较高，会将有用的微弱信号淹没,输入噪声应在数量级；5、低漂移漂移经中间级和功率

11、级放大，会影响记录，因此要求前置放大器因温度引起的零点漂移尽可能小；6、高安全性；7、宽的线形工作范围等。1.5.1 前置放大器由于人体信号的频率和幅度都比较低，很容易受到空间电磁波以及人体其它生理信号的干扰，因此在对其进行变换、分析、显示之前，应该进行一些预处理，以保证测量结果的准确性。“放大”在信号预处理中是第一位的。根据所测参数和所用传感器的不同，放大电路也不同。用于测量生物电位的放大器称为生物电放大器，生物电放大器比一般放大器有更严格的要求。在本设计中放在模拟多路器CD4051后面的电路就是前置放大电路，由于脉象采集仪前置放大器对频带要求并不严格，而对前置放大器的输入阻抗、输入噪声、输

12、入失调电压等要求比较高。经比较，选用了MAX477运算放大器，MAX477内部结构图如图3.3所示。图3.3 MAX477的内部结构图MAX477是一种低噪声、高精度、高速运算放大器，其特性如下：1，15输入偏移电压；2，O.1/漂移；3，5/输入噪声电压，2/输入噪声电流；4，l100V/的上升速率；5，300的增益带宽积：6，8的静态电流。根据设计对预处理电路的要求，前置放大电路选用同相并联差动放大电路。理论上：同相并联结构具有完全对称电路形式，输出没有共模电压，共模抑制比很大。同相并联差动放大电路（仪用放大器)由两级电路组成。如图34所示：第一级：同相并联放大电路 （提高输入电阻)特点是

13、具有高输入阻抗，达10MW以上。 具有对称结构抑制共模干扰。 第二级：差动放大电路具有共模抑制能力。图34前置放大电路为防止前置放大器工作于饱和区或截止区，其增益不能过大。试验表明，10倍左右效果较好。所以我们取R4=50k，R8=100k，使其放大倍数达到10。1.5.2 二阶有源低通滤波电路由于滤波器电路具有多种形式，它的滤除功能、设计电路的难易、信息变化的快慢都成为了设计电路的基础。而通过运算放大器和RC形成的有源滤波器可以完成增益的改变，而且还能够减少电路的部分处理。电路如下图所示：芯片选择：OP27OP27超低噪声,高精度运算放大器，小漂移，增益高。电源电压+.-22v,差分电压+.

14、-0.7v,充许功耗500mw.1 调零2 负输入3 正输入4 电源负5 NC6 输出7 电源正8 调零二阶与一阶RC滤波电路相比，二阶RC滤波电路对通频带外信号的抑制能力更强，滤波效果更好。二阶RC滤波电路移相范围为180°，比一阶电路移相范围更大。二阶RC滤波电路不仅能实现低通和高通滤波特性，还可以实现带通滤波特性。有源有源滤波自身就是谐波源。其依靠电力电子装置，在检测到系统谐波的同时产生一组和系统幅值相等，相位相反的谐波向量，这样可以抵消掉系统谐波，使其成为正弦波形。有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95以上，补偿无功细致。

15、低通经过理论知识学习，总结出脉象信号是微弱低频的，而且出现在020Hz范围内。所以我们要通过低通滤波器完善被放大的脉象信号，滤除多余的高频部分。同相输入阻抗高,脉搏信号微弱，对信号的分析处理有利。 本文采用二阶有源滤波器，它是通过RC滤波电路和同相放大电路完成的，而放大电路为压控电压源，特征为:输入阻抗高，输出阻抗低。如下图所示：1.5.3 50Hz陷波电路目前广泛采用的对称性双T阻容有源陷波器，它由一个低通滤波电路和一个高通滤波电路并联起来构成，其理论计算和设计都比较成熟。当使用交流电源工作时工频干扰是脉象信号调理电路的主要干扰源，虽然前置放大电路对共模干扰具有较强的抑制作用，但有部分工频干

16、扰是以差模信号方式进入电路的，且频率处于脉搏信号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定等因素，前级电路输出的脉搏信号仍存在较强的工频干扰，所以必须专门滤除。目前广泛采用的对称性双T阻容有源陷波器，它由一个低通滤波电路和一个高通滤波电路并联起来构成，其理论计算和设计都比较成熟。50Hz工频陷波器采用有源双T陷波网络的方案，取Q=25，可有效去除信号中的工频干扰，其结构图如图36所示。其陷波点频率为：品质因素：其中，通带放大倍数： 图36 50Hz陷波电路1.5.4 二次放大电路在滤波器后又设计一个二级放大器，其目的是把信号放大到适合A/D转换的要求，从而使前置放大器的放大倍数不至于太高而产生波形失

17、真。二级放大电路在结构上和增益调节电路类似，都是由运放组成的电压负反馈的形式。前者进行信号的放大，后者控制整体电路的增益，最大可达120dB，另外由于后面A/D转换器对于输入的模拟信号幅值有一定的要求(O5V)，需要对经信号调理后的电压信号进行限幅。脉象信号的幅度约为05，而A/D转换输入信号要求5左右，因此整个信号电路的放大倍数需要1000倍左右。而前置放大器的增益为10，所以还需要设计一个放大器，它的增益为100左右。选用AD624为精密仪器放大器，AD624是最初为了低信号传感器的使用而设计的高精度，低噪声仪器放大器。它的显著的低噪声，高增益精度，低增益温度系数和高线性度使得AD624在

18、高要求的数据采集系统中成为理想的首选。AD624在选择增益的时候不需要任何外接元件。具有内部补偿。AD624有突出的噪声性能，输入噪声的典型值小于4nV/(1kHz)。它是一个功能完善的仪器放大器，当它的增益为1、100、200、500、1000时，由芯片上的管脚就可以选择完成。如果需要其他增益，可以通过一个单独的外部电阻来完成。在高精度应用中，AD624可以提供完全独立的输入和输出低偏置终端，它使得偏置电压对增益范围的影响达到最小。它有一个调整端使使用者把类似经过长导线传输所带来得错误进行调整。它还提供了一个参考端，允许输出端有少许的漂移。该器件的丰要特点：共模抑制比 130dB(最小值)输

19、入失调电压 25V增益带宽 25MHz 引脚控制增益 1，100，200，500，1000在设计中，直接选择100的增益引脚即可。1.6 A/D转换选择及原理A/D转换的过程是首先对输入的模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这段时间内将取样的电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。然后，再开始下一次取样。综合考虑，选择ADC0809，属于逐次逼近式A/D转换器。由于模数转换电路的种类很多，选择A/D转换器件主要从速度考虑的。综合各方面考虑，选择ADC0809。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件，它的模数转换原理采用逐次逼

20、近型，芯片由单个+5V电源供电，可以分时对8路输入模拟量进行A/D转换，典型的A/D转换时间为100s左右。在同类型产品中，ADC0809模数转换器的分辨率、转换速度和价位都属于居中位置。可以和单片机直接接口。图4.3 ADC0809内部结构模拟多路器CD4051它的工作原理与数字电路中的数据选择器非常类似，它是八通道模拟选择开关，由单片机来控制某一时刻哪个通道被选择。我将CD4051的管脚A、B、C分别与单片机的管脚P3.0、P3.1、P3.2相连，可以对单片机编程，让控制信号在000101之间循环，这样就可以作到对六路脉象信号从X0X5的循环采集。ADC0809的模拟输入端的电压有限输入范

21、围与基准源有关。当采用内部基准源时，其有效输入范围为0V+2.5V：当采用外部基准源时，外部基准源应从Vref端引入，其合适的范围为+2.3V+5V，相应的模拟输入断的电压范围为0VVref。无论如何不应使其输入电平为负或超过绝对最大允许值AVDD+0.3V。当信号输入为双极性时，必须使用电平位移电路使其变为单极性信号输入。由于本次设计只需要一个转换通道，将通道选择ADDC、ADDB、ADDA全部接地即可，即将通道0选为模拟输入通道。ADC0809与单片机具体的连接电路图如下图所示：1.7 串口通讯工作原理1.7.1 MAX232工作原理MAX232产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容R

22、S232标准的芯片。该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。用于连接单片机和串口RS-232的DB9插口。主要特点1、符合所有的RS-232C技术标准2、只需要单一 +5V电源供电3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-4、功耗低，典型供电电流5mA5、内部集成2个RS-232C驱动器6、内部集成两个RS-232C接收

23、器7、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。1.7.2串口工作原理串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议。大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议。串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总常不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米。 典型地，串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成：（1）地线，（2）

24、发送，（3）接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。1.8 电源部分AT89C52的工作电压是3.3V。系统通过锂电池经调压提供5V 电压。再通过SPX1117-3.3 低压差电源芯片将5V 电压转换为3.3V 系统电压，供大部分器件使用。5V电源模块的电路图如下图所示。图4.7 5V电源模块电路图第二章 控制系统软件设计我们选取的模拟开关和AD转换的控制部分都需要由单片机实现控制，脉象信号通过数据采集系统采集之后，已经完全是数字信号。可以传到PC机进行显示。本章内容

25、就是进行编程以便可以接收采集系统采集到的脉象信号，而且并使之实时显示。2.1 通道选择部分程序设计一开始单片机给CD4051的信号为x =000 ,即第一通道被选择，转换第一路脉象信号，待转换完毕输出给计算机后，判断x的大小，如果x不等于101，那么就自动加1，然后继续进行A / D转换，此时单片机给CD4051的信号是x，即第x 通道被选择，这样继续下去，直到x等于101，此时对x重新赋值，令x等于000，重复上面的过程。图5.1 信号提取编程流程图编程的流程图如上图所示。2.2 A/D转换部分程序设计当得到放大电路之后的模拟信号，需要将模拟信号转换为数字信号，这样，才能提供给LCD显示部分

26、进行进一步处理。在编写软件时，执行一条写出指令，可启动A/D转换。在执行一条读入指令，可涂去转换结果。转换结束信号EOC连接到AT89C51的P2.2引脚，通过查询P2.2的状态判断A/D转换是否结束。具体流程如下图所示：图 2.2 A/D转换编程流程图第三章 LabVIEW操作平台的设计采用一种在纯软件环境的上下位机串口通讯的仿真方法。通过虚拟串口软件VSPD , 在Labview 和Proteus 软件环境中, 对走马灯电路的串口通信进行了联调, 仿真运行的结果表明这一方法是可行的。这种方法的采用可以提高设计效率, 降低设计成本, 辅助开发者开发出价格低廉, 功能专一的测控设备, 具有很好的实用性。连通PC机，在LabVIEW软件中实时显示所测量的信息。登陆界面程序框图操作者通过鼠标点击主界面上的按钮，就可以控制脉象信号的采集和停止时间，了解到脉象信号的波形、脉动周期、测试数据和脉象类型。分析主界面和程序框图如图5.3和5.4所示。测控系统设计在该设计中，数据采集部分主要以51单片机控制A/D 芯片来完成对传感器数据的读取。然后将数据通过虚拟串口传到上位机。上位机利用LabV