单片机简易脉搏测量器DOC

1、目 录摘要1一、概述21.1 设计背景21.2 脉搏测量仪的发展与应用2二、设计任务与要求42.1方案设计要求42.2方案设计4三、硬件电路设计53.1主控制电路53.2信号提取电路83.3信号处理电路93.4数码显示电路123.5按键电路133.6电源电路13四、软件设计144.1 程序流程144.2程序源代码14五、总结19参考献文20附录21简易脉搏测量器吴帅 11应电11摘 要随着人们生活的水平的不断提高，生活方式、饮食结构不断改变，习惯的变化和高节奏的生活导致了高血压、冠心病等心血管疾病成为常见病与多发病。要避免和减少高血压、冠心病这类心血管疾病给人类健康带来的严重危害，有效的早期诊

2、断治疗方法和设备，快速的发病后的救治手段都是非常重要的，这些也正当前广人医学界专家正在共同努力研究的重点。而脉搏是人体活动最重要、最灵敏和最可靠的信息源，是反映人体健康状况的重要窗口，而对脉搏的提取速度又快，因此利用脉搏信号快速的发现病因也是一个有效的方法。本文论述了课题研究的现状和意义；介绍了数字式脉搏测量器的具体实现方案；介绍了使用的芯片和他们的使用方法；阐述了硬件设计与软件设计方案；说明了相应软件的流程和方法，并解说了相应硬件与软件的调试。最后对所做的工作进行了分析和总结，指出了系统涵待改进和提高的地方，展望了系统今后的发展方向。关键词：51单片机 脉搏信号 光电传感器 定时计数一、概述

3、1.1设计背景在我国传统中医学的诊断中，“望、闻、问、切”是最基本的四个方面。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应出患者心脏的部分状况，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。 从近代医学的角度来看，人体循环系统承担着协调全身各组织的能量代谢，输送氧气、营养物质，运走代谢废物等重要的工作，还承担运送抗体、激素等物质以协调整体的动态平衡。从整体的角度对疾病进行综合分析，显然循环系统的信息将占很重要的比重；从整个循环系统来看桡动脉介于大动脉与

4、小动脉之间，由于心脏的舒缩、内脏血容量的变化、血管端点阻抗、管道内脉波的反射、血液的粘滞性、血管壁的粘弹性等因素使脉象携带着有关心脏运动、内脏循环、外周循环等丰富的心血管系统及整体的动态信息。因此脉诊的临床意义很大，它的机理是急待于我们进行研究的。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创建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发展，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

5、究工作进入了一个新的境界。1.2 脉搏测量仪的发展与应用脉搏测量仪的发展主要向以下几个趋势发展： (1) 自动测量脉搏并且对所得到的脉搏进行自动分析。 (2) 数字化技术等先进技术的应用。 (3）多功能化越来越明显。 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。 随着数字科学技术的发展，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

6、使干扰更小，测量更为准确。 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。随着电子技术的发展，脉搏测量仪必然可以实现更多的功能。    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、妊娠症检测、中医脉象、脉率检测等等，商业应用也不断拓展，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。二、设计任务与要求2.1方案设计要求正常人的脉搏次数是每分钟6080次（婴儿为90140次,老年人则为100150次), 这种频率信号属于低频范畴。因此,脉搏计的用来测量低频信号的装置,

7、它的基本功能要求应该是:（1）要把人体的脉搏数(振动)转换成电信号,这就需要借助传感器。（2）对转换后的电信号要进行放大和整形处理，以保证其它电路能正常加工和处理。（3）在一分时间内，测出经放大整形后的电信号周期个数。总之，脉搏计的核心是要对低频信号在固定的短时间计数，最后以数字形式显示出来。可见，脉搏计的主要组成部分是计数器和数字显示器。2.2方案设计设计了一种基于51单片机的脉搏测量仪。系统以51单片机为核心，用红外发射管和接收管对人体的脉搏心率进行数据采集，将采集信号经过放大、滤波、整形电路后输出的高低电平脉冲信号输入到单片机中，并利用单片机系统内部定时器来计算时间，计脉冲个数，最后将计

8、数结果显示在数码管上。这种设计方案的方框图如下图：图2-1 设计方案方框图本系统设计由8个单元电路组成：信号提取电路，信号处理电路，晶振电路，单片机复位电路，按键电路，单片机控制电路，数码管显示电路，电源电路组成。这样的脉搏测量系统性能良好，结构简单，输出显示稳定，容易操作，适合在家庭中使用。三、硬件电路设计3.1主控制电路主控制电路是51单片机最小系统，它由复位电路，时钟震荡电路，STC89C52单片机构成，该电路的主要功能是控制显示部分和按键部分。本系统采用STC89C52单片机来实现控制，它具有结构简单，价格便宜，易于开发的特点,而且本系统对单片机的要求不是很高,它足以满足设计需求，对5

9、1单片机，本人比较熟悉，所以，本设计中选择STC89C52单片机作为控制中心。图3-1单片机最小系统3.1.1 STC89C52STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。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4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X5

10、2 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。图3-2 STC89C52 的封装形式引脚功能：Vcc：电源电压GND：接地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I0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是一个带有内部上拉电阻的8位双向IO口，P1的输出缓冲级可驱动(吸

11、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萌。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向IO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：可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备。作为第二功能使用。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE

12、/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振器频率的16输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。PSEN：程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令(或数据)时每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。EAVPP：EA0，单片机只访问外部程序存储器。EA1，单片机访问内部程序存储器。XTALI：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相

13、放大器的输出端。STC89C52单片机的特点：8K字节程序存储空间； 512字节数据存储空间； 内带4K字节EEPROM存储空间; 可直接使用串口下载； 3.1.2复位电路图3-3复位电路单片机接通电源后，单片机自动上电复位。3.1.3振荡电路图3-4振荡电路图 本设计晶振选择频率为12MHz，电容选择30pF所以单片机工作机器周期为：1us。 3.2信号提取电路脉搏信号提取电路的作用是将脉搏信号转换为电信号。脉搏信号提取是人体脉象检测系统中重要的组成部分，其性能的好坏直接影响到后置电路的处理和测量的正确性。目前典型的脉搏传感器有以下三种：光电类、压阻类和压电类。近年来, 光电检测技术在临床医

14、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。本系统采用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，结构如下图所示。图3-5透射式光电传感器图信号提取电路由红外发光二级管和光敏二极管组成,将变化的人体信号转换为电压信号，电路如下图所示。图3-6信号转换电路其工作原理是: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

15、,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。 3.3信号处理电路信号处理电路中包括放大滤波电路、整形电路。3.3.1放大器的介绍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。每一组运算放大器可用图3.4所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相同。LM3

16、24 的引脚排列见下图 图3-7 LM324符号图 图3-8 LM324 封装图由于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。 3.3.2放大电路图3-9放大电路传感器采集的变化的信号很小，电压大概5mV左右，我们需要把信号放大为0V5V以内来传递处理，因此需要对信号进行放大才能进行处理了，我采用两级运算放大电路来处理放大动态信号。第一级放大电路放大倍数100，第二级放大电路放大倍数为9倍。参数计算3.3.3滤波电路由于来自传感器的心率信号频率很低（0.73Hz左右）,通过放大电路后,叠加了各种频率的干扰信号，应设法对不必要

17、的成份衰减到足够小,将需要的信号提取出来,因此低通滤波器是解决前述问题的方法之一。我采用二阶有源滤波电路。如图3-10二阶有源滤波电路。 按滤除交流电的频率是50 Hz考虑，低通特性还是可以的。3.3.4波形整形电路波形整形电路如图3-9所示，它是一个电压比较器，R20、R19分压。该比较器的阀值电压为3伏，只要输入是大于3V,就被整形为5伏，输入小于3伏就被整形为0伏输入给单片机，并由红色发光二极管led4的闪亮指示出来。即发光二极管作脉搏测量状态显示，脉搏每跳动一次发光二极管就亮一次。同时，该脉冲电平送到单片机/INTO脚，进行对心率的计算和显示。图3-11波形整形电路3.4数码显示电路

18、数码管DS1DS3组成数码显示电路。本机采用动态扫描显示的方式，使用共阳数码管共阴极分别依次接P27,P26,P25。图3-12数码管电路3.5按键电路图3-13按键电路采用独立按键的方式，S1按键第一次按下后扬声器发“滴”一声后，开始计脉搏次数当一分钟到后，扬声器发“滴”一声，告诉人们时间已到一分钟，这时，数码管显示的便是一分钟脉搏次数，S2按键的作用是：使数码管显示清零，内部定时器重新置零，以便供用户重新测量一分钟脉搏次数。3.6电源电路电源是由经变压器变压和电桥整流电容滤波后再由三端稳压器7805转换为+5V以及7905转换为-5V的直流电源，为系统提供电源。其原理图如图所示。图3-14

19、数字电源电路图四、软件设计4.1 程序流程程序用C语言编写，由主程序、外部中断服务程序、定时器T1中断服务程序、延时子程序等模块组成。主程序主要完成程序的初始化，动态扫描显示。外部中断0服务程序计数、。定时中断T1计时。程序中用变量n对时间计数，用变量m对脉搏脉冲信号个数计数。 从P3.2口输入的与脉搏相对应的脉冲信号作为外部中断0的请求中断信号，外部中断采用边沿触发的方式。用计数的方法进行测量，从P3.2口每输入一次脉冲信号就能显示一次脉搏数。 定时时间为1分钟，定时器T1的中断时间为5ms，每中断一次计时变量n加1，因此计200次。S2按下，显示清零计数清零外部中断0关定时器关S1按下键盘

20、扫描动态显示外部中断0，定时器T1初始化开始不是计脉冲个数，时间累加，外部中断0开，定时器开，外部中断0关定时器关判断时间是否到达一分钟是图4-1程序示意框图4.2程序源代码 #include<reg52.h>  /52单片机头文件 #include <intrins.h> /包含有左右循环移位子函数的库#define uint unsigned int    /宏定义#define uchar unsigned char

21、  /宏定义uchar code table10=0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f,0x66,0x6d,0x7d , 0x07, 0x7f , 0x6f ; sbit  Fmq=P21; sbit  Led=P22; sbit  S2=P23; sbit  S1=P24; /S1开始计脉搏次数uint  tt+,count=0;  void delay(uint z)     /延时子

22、函数    uint x,y;   for(x=z;x>0;x-)   for(y=110;y>0;y-); void display(uchar cishu) P0=tablecishu/100; /显示百位 P2=P2&0x7f; /P2.7引脚输出低电平， 点亮百位 delay(2); P2=P2 | 0xe0; /消影 P0=tablecishu%100/10; /显示十位 P2=P2&0xbf; /P2.6引脚输出低电平， 点亮十位 delay(2); P2=P2 |

23、 0xe0; /消影 P0=tablecishu%10; /显示个位 P2=P2&0xdf; /P2.5引脚输出低电平， 点亮个位 delay(2); P2=P2 | 0xe0; /消影 void keyscan() if(!S1) /按下开始测脉搏数              delay(5);        if(!S1)   /检测按键确实按下 

24、;                Fmq=1;/“滴” delay(10);   Fmq=0;  TH0=0; TL0=0; TH1=(65536-5000)/256; TL1=(65536-5000)%256; count=0;  tt=0;   TR1=1;/启动定时器1 TR0=1/启动计数器1         while

25、(!S1)/松手检测 display(count);  if(!S2) /作用 显示清零，计数定时器重新置零           delay(5);        if(!S2)   /检测按键确实按下              TH0=0

26、; TL0=0; TH1=(65536-5000)/256; TL1=(65536-5000)%256; tt=0;   TR1=0; TR0=0;    while(!S1)/松手检测 display(count);   void main()      /主函数   TMOD=0x15; /设置T1工作方式1 计时 T0是工作在计数状态下TH0=0;TL0=0;TH1=(65536-5000)/256; /定时器 定时5msTL1=(65536-5000)%256;EA=1;/开总中断 ET1=1;/定时/计数器T1中断允许位EX0=0;/ 外部中断0允许位while(1) keyscan();/键盘扫描 count= 256*TH0+TH0;