单片机脉搏测量仪

1、目录I.AbstractII第一章绪论1.1.1 选题的背景和意义1.1.2 脉搏测量仪的发展与应用2.第二章脉搏测量仪的硬件结构3.2.1 工作原理3.2.2 基本元器件的介绍.3.2.2.1 STC89C52简介3.2.2.2 光电传感器简介4.2.2.3 LM324简介5.2.2.4 AD0832简介5.2.3 信号采集电路6.2.4 信号放大电路6.2.5 低通滤波电路7.第三章脉搏测量仪的软件系统8.3.1主程序流程8.第四章实验与结果分析9.4.1 单片机计时测量方法9.4.2 波形处理计数法104.3 两种方法的比较13附录14.摘要脉搏携带丰富的人体信息，能够反映出人们身体的健

2、康状况。随着当今生活水平的提高，人们对健康的要求越来越高，脉搏测量仪的应用越也越来越广泛。脉搏测量仪的组成包括光电传感器、信号处理电路、单片机最小系统、电源等。本文借助脉搏测量仪提出了两种测量脉搏的方法。方法一就是单片机定时30s,信号下降沿触发外部中断，通过对外部中断的计数从而实现了脉搏个数的测量。方法二是通过下载器将信号数据传送到电脑用口，借助“串口猎人”将用的数据读出来，再通过matlab设计一个带通滤波器，对该信号进行滤波，对滤波后的信号的波峰个数进行计数，结果即为脉搏个数。关键词：脉搏测量、单片机、matlab、数字带通滤波器AbstractPulsecarriesrichofhum

3、aninformationthatcanreflectapersonshealthcondition.Withtheimprovementoflivinglevel,people'shealthrequirementsareincreasingandtheapplicationsofpulsemeasuringinstrumentsaremoreandmorewidespread.ThepulsemeasuringinstrumentsconsistofPhotoelectricsensor,signalprocessingcircuit,SCMminimumsystemandpowe

4、rsource.Therearetwomethodstomeasurepulsebyapplyingthemeasuringinstruments.ThefirstoneisthatSCMdefinitetimefor30secondsandthefallingedgetriggeredexternalinterrupt.Then,wecancountthepulseratebythesumofexternalinterrupt.ThesecondmethodisthatSCMtransmitdatatoPCbythemeansofasynchronouscommunication.Andwe

5、coulduseasoftwarecalledSerialHuntertoreadoutdatafromtheserialportofPC.Then,wedesignadigitalbandpassfilterthroughmatlabtofileringtheinputsignal.Finally,wecountthenumberofpeaksofthefilteredsignal.Theresultisthepulseratewhichwewouldmeasured.Keywords:themeasuringofpulse,SCM,matlab,digitalbandpassfilterI

6、IIII第一章绪论1.1 选题的背景和意义中医，是中华文化中一个璀璨的所在，直至科技发达的今天，中医在医学中仍占据着一席之地。在中医四诊（望、闻、问、切）中，脉诊占有非常重要的地位。脉诊在我国有着悠久的历史，自史记中记载，至今天下言脉者，由扁鹊也。"扁鹊是一代名医，尤其以脉诊而出名。到了晋代，名医王叔和写成了脉经一书，成为我国现存最早的脉学专著，脉学理论得到不断的发展和提高。脉诊即是通过接触人体不同部位的脉搏，以体察脉象变化的切诊方法。脉象的形成与脏腑气血密切相关，若脏腑气血发生病变，血脉运行就会受到影响，脉象就有变化。脉诊在临床上，可推断疾病的进退预后。虽然脉诊具有绿色无创等优点，

7、但由于中医是靠手指获取脉搏信息，受人为的影响因素较大，测量精度不高，原因如下。第一，仅凭医生手指来识别脉象的特征，受到个人感觉和经验的约束，不免存在一些主观因素；第二，需要长时间的训练才能够掌握脉诊的技巧；第三，无法保存测得的脉搏从而影响了对脉象做进一步的研究。为了克服上述缺点，将传统的中医药学发扬光大，促进脉诊的应用和发展，必须与现代科技相结合。脉搏（英语：Pulse）携带有丰富的人体健康状况的信息。脉搏为体表可触摸到的动脉搏动，人体循环系统由心脏、血管、血液所组成，负责人体氧气、二氧化碳、养分及废物的运送。血液经由心脏的左心室收缩而挤压流入主动脉，随即传递到全身动脉。动脉为富有弹性的结缔组

8、织与肌肉所形成管路。当大量血液进入动脉将使动脉压力变大而使管径扩张，在体表较浅处动脉即可感受到扩张，此即所谓的脉搏。脉搏频率即脉率。心率（英语：HeartRate）,是指心脏每分钟跳动的次数。在正常情况下，脉率和心率是一致的。正常成年人安静时的心率有显著的个体差异，一般为60100次/分之间，平均约72次/分。脉搏的频率还受年龄和性别的影响，成年女性的心率一般比成年男性稍快，婴儿每分钟120140次，幼儿每分钟90100次，老年人较慢，为5560次/分。另外，运动和情绪激动时可使脉搏增快，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。正常人

9、的脉率规则且脉搏强弱均等，不会出现脉搏间隔时间长短不一的现象。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。随着科学技术的进步，人民生活水平的提高，人们尤其是老人、病人希望能够方便快捷地了解自身身体状况，以便及时改善生活方式。人体生理参数采集和监护系统的广泛使用，可以提高人民生活质量，延长人类寿命。脉搏是人体重要的生命特征，人们需要适时的了解自身的脉搏信息，基于此，本文将对有关脉搏的测量与分析开展研究。1.2 脉搏测量仪的发展与应用随着脉搏测量技术对脉搏的测量精度越来越高，很多不同类型的脉搏测量仪被研制出来，而其中关键是对传感器的研究。起初用

10、于体育测量的脉搏测试集中在对接触式传感器的研究，利用此类传感器所研制的指脉、耳脉等测量仪各有其优缺点。指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降：耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确。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部分不侵入机体，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。其中光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器，通过对手指末端透

11、光度的监测，间接检测出脉搏信号。具有结构简单、无损伤、精度高、可重复使用等优点。通过光电式脉搏传感器所研制的脉搏测量仪已经应用到临床医学等各个方面并收到了理想效果。如今医生常用的听诊器由于是依靠人体感官进行测量，其精度较低、可靠性差、功能也比较单一、受外界影响很大，而由于微电子技术的发展，单片微处理器功能强大而价格低廉，具有很高的性价比。基于单片机的红外脉搏仪，具有可靠性高、控制精度高,功能易扩展，有较强的通用性等优点。第二章脉搏测量仪的硬件结构1.1.1 原理脉搏测量仪的组成包括光电传感器、信号处理、单片机电路、数码管显示电路、用电路、电源等部分。光电传感器，是将非电量转换成电量的转换元件，

12、它由红外对管（红外发射二极管和接收三极管）组成，可以将接收到的红外光转换成便于测量的物理量输出。信号处理部分就是将光电传感器采集到的低频信号进行放大、整形、滤波处理的模拟电路。单片机电路，包含STC89C51、晶振电路、复位电路在内，组成单片机最小系统。电源，即向光电传感器、信号处理、单片机电路进行供电的电源。这里为了减小交流电对电路的干扰影响，采用9V的电池对上述电路进行供电。人的血液中含有大量的血红细胞，可以大量吸收红外线。因此，红外线在血液中的穿透性要比在其它组织中小得多。当人体动脉血管随心脏周期性地收缩和舒张，动脉血管的血液容积随之发生变化时，动脉所在部分的人体组织对于红外光的透射性就

13、会发生变化。手指将放在红外线发射接收对管中间，血管中血液的流量会随着心脏的跳动发生变换。由于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，红外接收三极管的电流也跟着改变。该信号经放大、滤波、整形后输出，最后进入单片机。通过外部按键选择模式，模式一是单片机对输入的信号计数并把结果送到数码管显示，模式二是单片机将信号传送到电脑上。2.2基本元器件的介绍2.2.1 STC89C52简介STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8k字节Flash和512字节RAM。拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为

14、众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。T2/P1.a1i40vcc1P0.CI/ADOT2EX/P1.1239Pl_213381PO.1/AD1PL.314371PO.2/AD2PL4|536|PO.3/ADSP1.5635PO.4/AD4P1.£734PO.5/AC5Pl.V口S9333PCL6/ADSK,32PO.7/ADVFXD/P3.0厂10m31EATXD/P3.1L.11上1230-|ALE/PROGrNT0/P3T2|29|PSENINT1/P3,3F1328P2.7/A15TQ/P3.4：1427|P2,6/AL4T1/P3.5|1526JP2.5/A1

15、SWR/P3.&IL6251P2.4/A12/P3,T117241P2.3/A11STAL21©23P2.3/A10XTAL119221P2.1/A9VSS匚2021P3.0/AS此次STC单片机所使用的封装是PDIP40O如图2.1所示：图2.1STC89C52引脚STC89C52引脚功能说明：1、VCC（40弓|脚）：电源电压2、VSS（20弓唧）：接地3、P0端口（P0.0P0.7）:P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。可作为输出端口和总线扩展。P1端口（P1.0P1.7）,P2端口（P2.0P2.7）,P3端口（P3.0P3.7）:它们分别是一个带内部上拉电阻的8

16、位双向I/O口。但P3口除作为一般I/O口外，还有其他一些复用功能，如下表2.1所示：表2.1P3口引脚复用功能引脚号复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（用行输出口）P3.2外部中断0P3.3外部中断1P3.4T0（定时器0的外部输入）P3.5T1（定时器1的外部输入）P3.6外部数据存储器写选通P3.7外部数据存储器读选通5、RST（9弓I脚）：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机的复位初始化操作。6、XTAL1（19引脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。7、XTAL2（18引脚）：振荡器反相放大器的输入端。1.1.2 光电传感器简

17、介光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器在一般情况下，由三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于激光二极管、发光二极管（LED）和红外发射二极管等。发送器不间断地发射光束，或者改变光束的脉冲宽度。接收器由光电二极管或光电三极管组成。检测电路一般就在接收器的后面，它可以滤出有效信号，并且应用该信号。1.1.3 LM324简介LM324是带有差动输入的四运算放大器，它采用14脚双列直插塑料封装，内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，

18、四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图2.2(a)所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“V+”、“V”为正、负电源端，“Vo为输出端。两个彳S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。LM324的引脚排列见图2.2(b)。(反相输入端)口出图2.2LM324符号由于LM324四运放电路具有电务用，价格低廉等优点，因此被广泛应F增益模块和所有传统的运算放大器等。图2.3LM324引脚图,静态功耗小，高增益、可单电源使中，包括应用在传感器放大器，直流区一CHO-CHI-GMD-图2

19、.4AD0832弓|脚图1.1.4 AD0832简介AD0832是8位逐次逼近模数转换器，支持两个单端输入通道和一个差分输入通道它的引脚功能图如图2.4所示：CS片选引脚，低电平芯片使能。CH0模拟输入通道0,或作为IN+/-使用CH1模拟输入通道1,或作为IN+/-使用GND参考地电位。DI数据信号输入，选择通道控制。DO信号输出，转换数据输出。CLK芯片时钟输入。VCC(VREF)工作电压或参考电压2.3 信号采集电路VCCVCC，ClC2°10uF10uF乂久不A如图2.5就是脉搏信号的采集电路，采用红外对管作为红外发射和接受装置。图2.5信号采集电路如果R1过大，通过红外发射

20、二极管的电流就会过小，发射强度就会过小，红外接收二极管就难以判断是否有无脉搏。如果R1过小，通过红外发射二极管的电流就会过大，发射强度就会过大，红外接收二极管也无法区分是否有无脉搏。所以R1选择了220Q。另外，C1、C2串联组成的双极性耦合电容起到了“隔直流，通交流”的作用，当手指离开传感器或检测到较强的干扰光线时，输入端的直流电压会出现很大变化，C1、C2可以对此隔断。2.4 信号放大电路图2.6是二阶放大电路，可以对信号进行两级的放大作用。第一部分即是第一级放大电路。这是个反相输入式交流放大电路，电源Vcc通过R4和R5分压，使运放同相输入端的电位为V+=mVcc=丫迫。另外，为了避免电

21、源的纹波电压对V+电位的干扰，在R4R52R5两端并联滤波电容C3,消除谐振。该电路的增益为：A=-6=-38.46R3图2.6中第二部分就是第二级放大电路这个电路也同样是反相输入式放大电路，参考前面，可以算出该电路的增益为：A2=-与=-10”=-10R710K总的电压增益为：A=AA2=-10(-38.46)=384.62.5 低通滤波电路信号经过两级放大后，进入滤波电路对其进行滤波。如图2.7中，是一个二阶低通滤波器。n其中，电路的增益为1,特征角频率为1RC131.25华F父32K,特征频率A(s)一2sc1=4.976Q=,等效品质因数为3-Avf12，传递函数为2A/F'n

22、976.6s262.5s976.6第三章脉搏测量仪的软件系统3.1主程序流程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寄存器、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，通过外部按键进行判断选择哪种工作方式，从而开启定时器中断、外部中断、数码管显示或是选择串口通信。不同的外部硬件控制不同的子程序。流程如图3.1所示。图3.1主程序流程图第四章实验与结果分析4.1 单片机计时测量方法单片机上电等待测试的状态，如图4.1所示:图4.1脉搏测量实物图选择测量模式1。单片机定时器定为30s。同时，脉

23、搏信号通过下降沿不断触发单片机外部中断，对中断进行计数，当到了30s,执行定时器中断。计数值*2=60s内的脉搏数。随机找六个同学分别进行5次检测，记录下数码管上显示的结果于表4.1:表4.1数码管数值记录表单片机计时脉搏个数（min）/状态平均值小林104样止94楙止98楙止102楙止104样止100样止100/运动100/运动98/运动99/运动101/运动100/运动小杨76样止82楙止76楙止94样止80楙止81楙止114后动116Al动110/运动114后动120/运动115Al动小王75样止70楙止86楙止100楙止100样止86楙止小陆70样止94楙止72楙止70样止84楙止78

24、楙止小苏88样止88楙止66楙止80样止62楙止77楙止可以看到，在同一个人连续5次的测量中，即使人的状态和所处环境保持不变，但每次测量结果仍有大到几十的差距，这种差距不可谓不大，说明这种测量方法并不是十分可靠。4.2 波形处理计数法图4.2串口猎人波形显示图由于串口猎人的波形是动态的，是实时显示的，为了能够对波形进行分析，我们还是把数据转到matlab里面进行分析。下面，我们对小陆同学静止状态下的脉搏信号S进行测量。对信号S进行快速傅里叶（FFT）变换，得到频谱图如下：图4.3S信号频谱图10可以观察到上述信号的主要频率在50100Hz之间。由国内大样本健康人群调查发现，健康成人的平均心跳在

25、72次左右，因此设计一个带宽为6090Hz,中心频率为75Hz的带通滤波器，将在此频率范围外的信号杂波滤掉。如图4.4所示的带通滤波器的带宽就在60100Hz之问，也就是在此频率范围内没有衰减，而在此频率范围之外的衰减DB值将逐渐增大。515带通滤波器的幅频特性曲线5010015。200频率Hz图4.4带通滤波器幅频响应图4.5滤波前后时域波形11经过滤波后的时域波形与滤波前相比较，如图4.5:经过滤波后的信号频谱，如图4.6:1500010000胆ig50000(滤波后频谱)50WO150200250频率也图4.6滤波后频谱图观察图4.6,说明频率超过60-90HZ的杂波都已经被滤波器滤掉，

26、我们已经得到了较为满意的信号丫。我们可以通过对Y信号的波峰个数进行计数得到脉搏数。借助巾ndpeaks函数可以计算出Y信号的波峰个数为74个，说明此次测量的脉搏个数为74个/min。通过上述方法，在相同的条件下陆续测出每个同学的脉搏个数，与第一种方法测量得出的结果进行比较，并记录到表42表4.2测量结果表样本单片机计时脉搏个数（min）/状态波形处理后脉搏个数（min）/状态小林100/静止75样止100/运动80/运动小杨81/静止77样止115庇动83/运动小王86/静止70样止小陆78/静止74样止小苏77/静止83样止124.3 两种方法的比较单片机计数方法比较简单方便，但相同条件下每

27、次测量结果尽不相同，误差较大。究其原因，是光电传感器难免受到外界光线的影响，导致信号产生毛刺。如图4.7中小圆点处，就是一些毛刺，本来一个脉冲只能触发一个中断，但这些毛刺使中断次数增加，导致计数偏大。如果信号中的谐波较多，那么计数值就要比实际值大的多了，这也就是每次测量结果相差较大的原因了。图4.7波形毛刺图波形处理法能对将不必要的杂波滤去，使得波形毛刺减少，更为平滑，得出的测量值也就更接近于实际值。目前波形处理法的缺点是操作较为复杂，而且本文设计的带通滤波器带宽为60-90HZ,不能准确计算频率远超于这个带宽的信号的脉率。就例如运动的时候脉搏跳动比较快，但是滤波器将高频成分滤掉了，所以在运动

28、的条件下测量脉搏就需要改变滤波器的带宽了。131、脉搏测量仪电路原理图单片机最小京统111TXDT3.1ALUnmmmwn0<riW3P2.7P3.JP2.5P：.4卬PJJXTiLIP22XTML2KllCiKPpm1.2JTT-K-IP24tII1r=i'llT1L门国RXF%?4%，用12、带通滤波器程序x=inputsignal;%x为输入信号fp=6090;fs=40110;%fp:通带边界;fs：衰减截止边界ap=10;as=25;%ap：通带区衰减DB数设置；as：截止区衰减DB数设置fsa=500;%fsa：序列x的采样频率wp=fp/fsa*2;ws=fs/fs

29、a*2;%设计巴特沃茨滤波器n,wn=buttord(wp,ws,ap,as);b,a=butter(n,wn);%查看设计滤波器的曲线h,w=freqz(b,a,256);%求出幅频响应figure(1);plot(w*fsa/(2*pi),abs(h);xlabel('频率Hz');ylabel('响应幅度');title('带通滤波器的幅频特性曲线');gridon;y=filter(b,a,x);%X*信号进行滤波14figure(2);subplot(211);plot(x);xlabel('t');ylabel(

30、9;x(t)');grid;title(,滤波前时域波形,);subplot(212);plot(y);xlabel('t');ylabel('y(t)');grid;title('滤波后时域波形)；%xx=fft(x,512);Y=fft(y,512);w=(0:255)/256*fsa;figure(3);subplot(211);hua_fft(x,fsa);ylabel('幅值');xlabel('频率Hz');grid;title('滤波前频谱,);subplot(212);hua_fft(y,f

31、sa);ylabel('幅值');xlabel('频率Hz');grid;title('滤波后频谱,);n=size(findpeaks(10*y)；%计算得出y的波峰个数%画频谱程序functionhua_fft(y,fs)nfft=2Anextpow2(length(y);%找出大于y的个数的最大的2的指数值y=y-mean(y);%去除直流分量y_ft=fft(y,nfft);%X丫信号进行口尸丁，得到频率的幅值分布y_p=y_ft.*conj(y_ft)/nfft;y_f=fs*(0:nfft/2-1)/nfft;%T变换后对应的频率的序列plo

32、t(y_f,abs(y_ft(1:nfft/2);%论坛上画FFT的方法ylabel('幅值');xlabel('频率');title('信号幅值谱");3、脉搏测量仪软件部分(1)定时器中断流程图：由单片定时器定为30s,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,机累加得出30s内的脉搏次数。通过计数30s中脉冲个数*2换算到一分钟的脉搏数。(2)单片机程序#include<reg52.h>#include"ad0832.h"#defineucharunsignedchar15

33、#defineuintunsignedintsbitTX=P3A1;/*09数字显示*/ucharcodeDisp11=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00;/*变量声明*/ucharnumber;ucharmode;/0:单片机计数1:异步通信ucharMbcount;/脉搏次数计数ucharsuccess;intMbvlaue;ucharmb=0,m,counter;uintn;unsignedintOldcount,Newcount;unsignedcharFlag=0;/*延时程序*/voiddelay(uchar

34、t)延时程序inti,j;for(j=0;j<t;j+)for(i=0;i<110;i+);voiddelayms(uchart)/ms延时程序unsignedchara,b,c;for(c=0;c<t;c+)for(b=102;b>0;b-)for(a=3;a>0;a-);voiddelay104us(void)/?-0.918402777778usunsignedchara;for(a=46;a>0;a-);voidDisplay(unsignedintnum)数码管显示程序Ds3=0;第三位（百位）数码管显示；将P3.5口设为输出口P1=Dispnum/100;delay(5);Ds3=1;第二位（十位）数码管显示16Ds2=0;if(mode=1)P1=Dispnum%100/10|0x80;显示小数点elseP1=Dispnum%100/10;delay(5);Ds2=1;/第一位(个位)数码管显示Ds1=