單片機(jī)脈搏測(cè)量?jī)x

1、目 錄目 錄IAbstractIII第一章 緒論11.1 選題的背景和意義11.2 脈搏測(cè)量?jī)x的發(fā)展與應(yīng)用2第二章 脈搏測(cè)量?jī)x的硬件結(jié)構(gòu)32.1 工作原理32.2 基本元器件的介紹32.2.1 STC89C52簡(jiǎn)介32.2.2光電傳感器簡(jiǎn)介42.2.3 LM324簡(jiǎn)介52.2.4 AD0832簡(jiǎn)介52.3 信號(hào)采集電路62.4 信號(hào)放大電路62.5低通濾波電路7第三章 脈搏測(cè)量?jī)x的軟件系統(tǒng)83.1主程序流程8第四章 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析94.1 單片機(jī)計(jì)時(shí)測(cè)量方法94.2 波形處理計(jì)數(shù)法104.3 兩種方法的比較13附 錄14摘要脈搏攜帶豐富的人體信息,能夠反映出人們身體的健康狀況。隨著當(dāng)今生活水平

2、的提高，人們對(duì)健康的要求越來(lái)越高，脈搏測(cè)量?jī)x的應(yīng)用越也越來(lái)越廣泛。脈搏測(cè)量?jī)x的組成包括光電傳感器、信號(hào)處理電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源等。本文借助脈搏測(cè)量?jī)x提出了兩種測(cè)量脈搏的方法。方法一就是單片機(jī)定時(shí)30s,信號(hào)下降沿觸發(fā)外部中斷，通過(guò)對(duì)外部中斷的計(jì)數(shù)從而實(shí)現(xiàn)了脈搏個(gè)數(shù)的測(cè)量。方法二是通過(guò)下載器將信號(hào)數(shù)據(jù)傳送到電腦串口，借助“串口獵人”將串口的數(shù)據(jù)讀出來(lái)，再通過(guò)matlab設(shè)計(jì)一個(gè)帶通濾波器，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行濾波，對(duì)濾波后的信號(hào)的波峰個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，結(jié)果即為脈搏個(gè)數(shù)。關(guān)鍵詞：脈搏測(cè)量、單片機(jī)、matlab、數(shù)字帶通濾波器AbstractPulse carries rich of human info

3、rmation that can reflect a persons health condition.With the improvement of living level,peoples health requirements are increasing and the applications of pulse measuring instruments are more and more widespread.The pulse measuring instruments consist of Photoelectric sensor,signal processing circu

4、it,SCM minimum system and power source.There are two methods to measure pulse by applying the measuring instruments. The first one is that SCM definite time for 30 seconds and the falling edge triggered external interrupt.Then,we can count the pulse rate by the sum of external interrupt.The second m

5、ethod is that SCM transmit data to PC by the means of asynchronous communication.And we could use a software called Serial Hunter to read out data from the serial port of PC.Then,we design a digital bandpass filter through matlab to filering the input signal.Finally,we count the number of peaks of t

6、he filtered signal.The result is the pulse rate which we would measured.Keywords: the measuring of pulse, SCM, matlab,digital bandpass filterIII第一章 緒論1.1 選題的背景和意義中醫(yī)，是中華文化中一個(gè)璀璨的所在，直至科技發(fā)達(dá)的今天，中醫(yī)在醫(yī)學(xué)中仍占據(jù)著一席之地。在中醫(yī)四診（望、聞、問(wèn)、切）中，脈診占有非常重要的地位。脈診在我國(guó)有著悠久的歷史，自史記中記載，“至今天下言脈者，由扁鵲也?！北怡o是一代名醫(yī)，尤其以脈診而出名。到了晉代，名醫(yī)王叔和寫成了脈經(jīng)一

7、書，成為我國(guó)現(xiàn)存最早的脈學(xué)專著，脈學(xué)理論得到不斷的發(fā)展和提高。脈診即是通過(guò)接觸人體不同部位的脈搏，以體察脈象變化的切診方法。脈象的形成與臟腑氣血密切相關(guān)，若臟腑氣血發(fā)生病變，血脈運(yùn)行就會(huì)受到影響，脈象就有變化。脈診在臨床上，可推斷疾病的進(jìn)退預(yù)后。雖然脈診具有綠色無(wú)創(chuàng)等優(yōu)點(diǎn)，但由于中醫(yī)是靠手指獲取脈搏信息，受人為的影響因素較大,測(cè)量精度不高，原因如下。第一，僅憑醫(yī)生手指來(lái)識(shí)別脈象的特征，受到個(gè)人感覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)的約束，不免存在一些主觀因素；第二，需要長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練才能夠掌握脈診的技巧；第三，無(wú)法保存測(cè)得的脈搏從而影響了對(duì)脈象做進(jìn)一步的研究。為了克服上述缺點(diǎn)，將傳統(tǒng)的中醫(yī)藥學(xué)發(fā)揚(yáng)光大，促進(jìn)脈診的應(yīng)用和發(fā)展

8、，必須與現(xiàn)代科技相結(jié)合。脈搏（英語(yǔ)：Pulse）攜帶有豐富的人體健康狀況的信息。脈搏為體表可觸摸到的動(dòng)脈搏動(dòng)，人體循環(huán)系統(tǒng)由心臟、血管、血液所組成，負(fù)責(zé)人體氧氣、二氧化碳、養(yǎng)分及廢物的運(yùn)送。血液經(jīng)由心臟的左心室收縮而擠壓流入主動(dòng)脈，隨即傳遞到全身動(dòng)脈。動(dòng)脈為富有彈性的結(jié)締組織與肌肉所形成管路。當(dāng)大量血液進(jìn)入動(dòng)脈將使動(dòng)脈壓力變大而使管徑擴(kuò)張，在體表較淺處動(dòng)脈即可感受到擴(kuò)張，此即所謂的脈搏。 脈搏頻率即脈率。心率（英語(yǔ)：Heart Rate），是指心臟每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)。在正常情況下，脈率和心率是一致的。正常成年人安靜時(shí)的心率有顯著的個(gè)體差異，一般為60100次/分之間，平均約72次/分。脈搏的頻率

9、還受年齡和性別的影響，成年女性的心率一般比成年男性稍快，嬰兒每分鐘120140次，幼兒每分鐘90100次，老年人較慢，為5560次/分。另外，運(yùn)動(dòng)和情緒激動(dòng)時(shí)可使脈搏增快，而休息、睡眠則使脈搏減慢。成人脈率每分鐘超過(guò)100次，稱為心動(dòng)過(guò)速；每分鐘低于60次，稱為心動(dòng)過(guò)緩。正常人的脈率規(guī)則且脈搏強(qiáng)弱均等，不會(huì)出現(xiàn)脈搏間隔時(shí)間長(zhǎng)短不一的現(xiàn)象。臨床上有許多疾病，特別是心臟病可使脈搏發(fā)生變化。因此，測(cè)量脈搏對(duì)病人來(lái)講是一個(gè)不可缺少的檢查項(xiàng)目。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人民生活水平的提高，人們尤其是老人、病人希望能夠方便快捷地了解自身身體狀況，以便及時(shí)改善生活方式。人體生理參數(shù)采集和監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的廣泛使用，可以提

10、高人民生活質(zhì)量，延長(zhǎng)人類壽命。脈搏是人體重要的生命特征，人們需要適時(shí)的了解自身的脈搏信息，基于此，本文將對(duì)有關(guān)脈搏的測(cè)量與分析開(kāi)展研究。1.2 脈搏測(cè)量?jī)x的發(fā)展與應(yīng)用隨著脈搏測(cè)量技術(shù)對(duì)脈搏的測(cè)量精度越來(lái)越高，很多不同類型的脈搏測(cè)量?jī)x被研制出來(lái)，而其中關(guān)鍵是對(duì)傳感器的研究。起初用于體育測(cè)量的脈搏測(cè)試集中在對(duì)接觸式傳感器的研究，利用此類傳感器所研制的指脈、耳脈等測(cè)量?jī)x各有其優(yōu)缺點(diǎn)。指脈測(cè)量比較方便、簡(jiǎn)單，但因?yàn)槭种干系暮瓜佥^多，指夾常年使用，污染可能會(huì)使測(cè)量靈敏度下降：耳脈測(cè)量比較干凈，傳感器使用環(huán)境污染少，容易維護(hù)。但因耳脈較弱，尤其是當(dāng)季節(jié)變化時(shí)，所測(cè)信號(hào)受環(huán)境溫度影響明顯，造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確

11、。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外致力于開(kāi)發(fā)無(wú)創(chuàng)非接觸式的傳感器，這類傳感器的重要特征是測(cè)量的探測(cè)部分不侵入機(jī)體，不造成機(jī)體創(chuàng)傷，能夠自動(dòng)消除儀表自身系統(tǒng)的誤差，測(cè)量精度高，通常在體外，尤其是在體表間接測(cè)量人體的生理和生化參數(shù)。其中光電式脈搏傳感器是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器，通過(guò)對(duì)手指末端透光度的監(jiān)測(cè)，間接檢測(cè)出脈搏信號(hào)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)損傷、精度高、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)光電式脈搏傳感器所研制的脈搏測(cè)量?jī)x已經(jīng)應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)等各個(gè)方面并收到了理想效果。如今醫(yī)生常用的聽(tīng)診器由于是依靠人體感官進(jìn)行測(cè)量，其精度較低、可靠性差、功能也比較單一、受外界影響很大，而由于微電子技術(shù)的發(fā)展，單片微處理器功能強(qiáng)大而價(jià)格低廉，

12、具有很高的性價(jià)比?；趩纹瑱C(jī)的紅外脈搏儀，具有可靠性高、控制精度高，功能易擴(kuò)展，有較強(qiáng)的通用性等優(yōu)點(diǎn)。2第二章 脈搏測(cè)量?jī)x的硬件結(jié)構(gòu)2.1 工作原理脈搏測(cè)量?jī)x的組成包括光電傳感器、信號(hào)處理、單片機(jī)電路、數(shù)碼管顯示電路、串口電路、電源等部分。光電傳感器，是將非電量轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它由紅外對(duì)管（紅外發(fā)射二極管和接收三極管）組成，可以將接收到的紅外光轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的物理量輸出。信號(hào)處理部分就是將光電傳感器采集到的低頻信號(hào)進(jìn)行放大、整形、濾波處理的模擬電路。單片機(jī)電路，包含STC89C51、晶振電路、復(fù)位電路在內(nèi)，組成單片機(jī)最小系統(tǒng)。電源，即向光電傳感器、信號(hào)處理、單片機(jī)電路進(jìn)行供電的電源。這里

13、為了減小交流電對(duì)電路的干擾影響，采用9V的電池對(duì)上述電路進(jìn)行供電。人的血液中含有大量的血紅細(xì)胞,可以大量吸收紅外線。因此, 紅外線在血液中的穿透性要比在其它組織中小得多。當(dāng)人體動(dòng)脈血管隨心臟周期性地收縮和舒張, 動(dòng)脈血管的血液容積隨之發(fā)生變化時(shí), 動(dòng)脈所在部分的人體組織對(duì)于紅外光的透射性就會(huì)發(fā)生變化。手指將放在紅外線發(fā)射接收對(duì)管中間，血管中血液的流量會(huì)隨著心臟的跳動(dòng)發(fā)生變換。由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液飽和程度的變化將引起光的強(qiáng)度發(fā)生變化，因此和心跳的節(jié)拍相對(duì)應(yīng)，紅外接收三極管的電流也跟著改變。該信號(hào)經(jīng)放大、濾波、整形后輸出，最后進(jìn)入單片機(jī)。通過(guò)外部按鍵選擇模式，模式一是單片機(jī)對(duì)輸入

14、的信號(hào)計(jì)數(shù)并把結(jié)果送到數(shù)碼管顯示，模式二是單片機(jī)將信號(hào)傳送到電腦上。2.2 基本元器件的介紹2.2.1 STC89C52簡(jiǎn)介STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8k字節(jié)Flash和512字節(jié)RAM。擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 此次STC單片機(jī)所使用的封裝是PDIP40。如圖2.1所示： 圖2.1 STC89C52引腳STC89C52引腳功能說(shuō)明：1、VCC（40引腳）：電源電壓2、VSS（20引腳）：接地3、P0端口（P0.0P0.7）：P0口是一個(gè)漏極開(kāi)路的8位雙向I/

15、O口?？勺鳛檩敵龆丝诤涂偩€擴(kuò)展。P1端口（P1.0P1.7），P2端口（P2.0P2.7），P3端口（P3.0P3.7）：它們分別是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。但P3口除作為一般I/O口外，還有其他一些復(fù)用功能，如下表2.1所示：表2.1 P3口引腳復(fù)用功能引腳號(hào)復(fù)用功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2外部中斷0P3.3外部中斷1P3.4T0（定時(shí)器0的外部輸入）P3.5T1（定時(shí)器1的外部輸入）P3.6外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通P3.7外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通5、 RST（9引腳）：復(fù)位輸入。當(dāng)輸入連續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)為有效，用來(lái)完成單片機(jī)的復(fù)位初始化

16、操作。6、 XTAL1（19引腳）：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。7、 XTAL2（18引腳）：振蕩器反相放大器的輸入端。2.2.2光電傳感器簡(jiǎn)介 光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器在一般情況下，由三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路。 發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來(lái)源于激光二極管、發(fā)光二極管(LED)和紅外發(fā)射二極管等。發(fā)送器不間斷地發(fā)射光束，或者改變光束的脈沖寬度。接收器由光電二極管或光電三極管組成。檢測(cè)電路一般就在接收器的后面，它可以濾出有效信號(hào)，并

17、且應(yīng)用該信號(hào)。2.2.3 LM324簡(jiǎn)介 LM324 是帶有差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器，它采用14 腳雙列直插塑料封裝，內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖2.2（a）所示的符號(hào)來(lái)表示，它有5個(gè)引出腳，其中“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相同。LM324 的引腳排列見(jiàn)圖2.2（b）。 圖2.2 LM324符號(hào) 圖2.3 LM324引腳圖 由于LM324 四運(yùn)放電路具

18、有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，高增益、可單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域中，包括應(yīng)用在傳感器放大器，直流增益模塊和所有傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器等。2.2.4 AD0832簡(jiǎn)介AD0832是8位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，支持兩個(gè)單端輸入通道和一個(gè)差分輸入通道。它的引腳功能圖如圖2.4所示：u 片選引腳，低電平芯片使能。 u CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。u CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。u GND 參考地電位。u DI 數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制。u DO 信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。u CLK 芯片時(shí)鐘輸入。 VCC(VREF) 工作電壓或參考電壓 圖2.4 AD0832引腳圖2.3 信號(hào)采集電路如圖2.5就是脈搏信號(hào)的采集電路，采用紅外對(duì)管作為紅外發(fā)射和接受裝置。如果R1過(guò)大，通過(guò)紅外發(fā)射二極管的電流就會(huì)過(guò)小，發(fā)射強(qiáng)度就會(huì)過(guò)小，紅外接收二極管就難以判斷是否有無(wú)脈搏。如果R1過(guò)小，通過(guò)紅外發(fā)射二極管的電流就會(huì)過(guò)大，發(fā)射強(qiáng)度就會(huì)過(guò)大，紅外接收二極管也無(wú)法區(qū)分是否有無(wú)脈搏。 所以R1選擇了220。 圖2.5 信號(hào)采集電路 另外，C1、C2串聯(lián)組成的雙極性耦合電容起到了“隔直流，通交流”的作用，當(dāng)手指離開(kāi)傳感器或檢測(cè)到較強(qiáng)的干擾光線時(shí)，輸入端的直流電壓會(huì)出現(xiàn)很大變化，C1、C2可以對(duì)此隔斷。2.4 信號(hào)放大電路圖2.6是二階放大電路，可