單片機脈搏測量儀

III目錄目錄 IAbstract III第一章緒論 11.1選題的背景和意義 11.2脈搏測量儀的發(fā)展與應用 2第二章脈搏測量儀的硬件結構 32.1工作原理 32.2基本元器件的介紹 32.2.1STC89C52簡介 32.2.2光電傳感器簡介 42.2.3LM324簡介 52.2.4AD0832簡介 52.3信號采集電路 62.4信號放大電路 62.5低通濾波電路 7第三章脈搏測量儀的軟件系統 83.1主程序流程 8第四章實驗與結果分析 94.1單片機計時測量方法 94.2波形處理計數法 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。隨著當今生活水平的提高，人們對健康的要求越來越高，脈搏測量儀的應用越也越來越廣泛。脈搏測量儀的組成包括光電傳感器、信號處理電路、單片機最小系統、電源等。本文借助脈搏測量儀提出了兩種測量脈搏的方法。方法一就是單片機定時30s,信號下降沿觸發(fā)外部中斷，通過對外部中斷的計數從而實現了脈搏個數的測量。方法二是通過下載器將信號數據傳送到電腦串口，借助“串口獵人”將串口的數據讀出來，再通過matlab設計一個帶通濾波器，對該信號進行濾波，對濾波后的信號的波峰個數進行計數，結果即為脈搏個數。關鍵詞：脈搏測量、單片機、matlab、數字帶通濾波器AbstractPulsecarriesrichofhumaninformationthatcanreflectaperson’shealthcondition.Withtheimprovementoflivinglevel,people’shealthrequirementsareincreasingandtheapplicationsofpulsemeasuringinstrumentsaremoreandmorewidespread.ThepulsemeasuringinstrumentsconsistofPhotoelectricsensor,signalprocessingcircuit,SCMminimumsystemandpowersource.Therearetwomethodstomeasurepulsebyapplyingthemeasuringinstruments.ThefirstoneisthatSCMdefinitetimefor30secondsandthefallingedgetriggeredexternalinterrupt.Then,wecancountthepulseratebythesumofexternalinterrupt.ThesecondmethodisthatSCMtransmitdatatoPCbythemeansofasynchronouscommunication.AndwecoulduseasoftwarecalledSerialHuntertoreadoutdatafromtheserialportofPC.Then,wedesignadigitalbandpassfilterthroughmatlabtofileringtheinputsignal.Finally,wecountthenumberofpeaksofthefilteredsignal.Theresultisthepulseratewhichwewouldmeasured.Keywords:themeasuringofpulse,SCM,matlab,digitalbandpassfilterPAGEPAGE2第一章緒論1.1選題的背景和意義中醫(yī)，是中華文化中一個璀璨的所在，直至科技發(fā)達的今天，中醫(yī)在醫(yī)學中仍占據著一席之地。在中醫(yī)四診（望、聞、問、切）中，脈診占有非常重要的地位。脈診在我國有著悠久的歷史，自《史記》中記載，“至今天下言脈者，由扁鵲也。”扁鵲是一代名醫(yī)，尤其以脈診而出名。到了晉代，名醫(yī)王叔和寫成了《脈經》一書，成為我國現存最早的脈學專著，脈學理論得到不斷的發(fā)展和提高。脈診即是通過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，若臟腑氣血發(fā)生病變，血脈運行就會受到影響，脈象就有變化。脈診在臨床上，可推斷疾病的進退預后。雖然脈診具有綠色無創(chuàng)等優(yōu)點，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,測量精度不高，原因如下。第一，僅憑醫(yī)生手指來識別脈象的特征，受到個人感覺和經驗的約束，不免存在一些主觀因素；第二，需要長時間的訓練才能夠掌握脈診的技巧；第三，無法保存測得的脈搏從而影響了對脈象做進一步的研究。為了克服上述缺點，將傳統的中醫(yī)藥學發(fā)揚光大，促進脈診的應用和發(fā)展，必須與現代科技相結合。脈搏（英語：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脈搏動，人體循環(huán)系統由心臟、血管、血液所組成，負責人體氧氣、二氧化碳、養(yǎng)分及廢物的運送。血液經由心臟的左心室收縮而擠壓流入主動脈，隨即傳遞到全身動脈。動脈為富有彈性的結締組織與肌肉所形成管路。當大量血液進入動脈將使動脈壓力變大而使管徑擴張，在體表較淺處動脈即可感受到擴張，此即所謂的脈搏。脈搏頻率即脈率。心率（英語：HeartRate），是指心臟每分鐘跳動的次數。在正常情況下，脈率和心率是一致的。正常成年人安靜時的心率有顯著的個體差異，一般為60—100次/分之間，平均約72次/分。脈搏的頻率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120－140次，幼兒每分鐘90－100次，老年人較慢，為55—60次/分。另外，運動和情緒激動時可使脈搏增快，而休息、睡眠則使脈搏減慢。成人脈率每分鐘超過100次，稱為心動過速；每分鐘低于60次，稱為心動過緩。正常人的脈率規(guī)則且脈搏強弱均等，不會出現脈搏間隔時間長短不一的現象。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，測量脈搏對病人來講是一個不可缺少的檢查項目。隨著科學技術的進步，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，以便及時改善生活方式。人體生理參數采集和監(jiān)護系統的廣泛使用，可以提高人民生活質量，延長人類壽命。脈搏是人體重要的生命特征，人們需要適時的了解自身的脈搏信息，基于此，本文將對有關脈搏的測量與分析開展研究。1.2脈搏測量儀的發(fā)展與應用隨著脈搏測量技術對脈搏的測量精度越來越高，很多不同類型的脈搏測量儀被研制出來，而其中關鍵是對傳感器的研究。起初用于體育測量的脈搏測試集中在對接觸式傳感器的研究，利用此類傳感器所研制的指脈、耳脈等測量儀各有其優(yōu)缺點。指脈測量比較方便、簡單，但因為手指上的汗腺較多，指夾常年使用，污染可能會使測量靈敏度下降：耳脈測量比較干凈，傳感器使用環(huán)境污染少，容易維護。但因耳脈較弱，尤其是當季節(jié)變化時，所測信號受環(huán)境溫度影響明顯，造成測量結果不準確。近年來國內外致力于開發(fā)無創(chuàng)非接觸式的傳感器，這類傳感器的重要特征是測量的探測部分不侵入機體，不造成機體創(chuàng)傷，能夠自動消除儀表自身系統的誤差，測量精度高，通常在體外，尤其是在體表間接測量人體的生理和生化參數。其中光電式脈搏傳感器是根據光電容積法制成的脈搏傳感器，通過對手指末端透光度的監(jiān)測，間接檢測出脈搏信號。具有結構簡單、無損傷、精度高、可重復使用等優(yōu)點。通過光電式脈搏傳感器所研制的脈搏測量儀已經應用到臨床醫(yī)學等各個方面并收到了理想效果。如今醫(yī)生常用的聽診器由于是依靠人體感官進行測量，其精度較低、可靠性差、功能也比較單一、受外界影響很大，而由于微電子技術的發(fā)展，單片微處理器功能強大而價格低廉，具有很高的性價比。基于單片機的紅外脈搏儀，具有可靠性高、控制精度高，功能易擴展，有較強的通用性等優(yōu)點。PAGEPAGE19第二章脈搏測量儀的硬件結構2.1工作原理脈搏測量儀的組成包括光電傳感器、信號處理、單片機電路、數碼管顯示電路、串口電路、電源等部分。光電傳感器，是將非電量轉換成電量的轉換元件，它由紅外對管（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換成便于測量的物理量輸出。信號處理部分就是將光電傳感器采集到的低頻信號進行放大、整形、濾波處理的模擬電路。單片機電路，包含STC89C51、晶振電路、復位電路在內，組成單片機最小系統。電源，即向光電傳感器、信號處理、單片機電路進行供電的電源。這里為了減小交流電對電路的干擾影響，采用9V的電池對上述電路進行供電。人的血液中含有大量的血紅細胞,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。當人體動脈血管隨心臟周期性地收縮和舒張,動脈血管的血液容積隨之發(fā)生變化時,動脈所在部分的人體組織對于紅外光的透射性就會發(fā)生變化。手指將放在紅外線發(fā)射接收對管中間，血管中血液的流量會隨著心臟的跳動發(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度發(fā)生變化，因此和心跳的節(jié)拍相對應，紅外接收三極管的電流也跟著改變。該信號經放大、濾波、整形后輸出，最后進入單片機。通過外部按鍵選擇模式，模式一是單片機對輸入的信號計數并把結果送到數碼管顯示，模式二是單片機將信號傳送到電腦上。2.2基本元器件的介紹2.2.1STC89C52簡介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和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。此次STC單片機所使用的封裝是PDIP40。如圖2.1所示：圖2.1STC89C52引腳STC89C52引腳功能說明：1、VCC（40引腳）：電源電壓2、VSS（20引腳）：接地3、P0端口（P0.0～P0.7）：P0口是一個漏極開路的8位雙向I/O口?？勺鳛檩敵龆丝诤涂偩€擴展。P1端口（P1.0～P1.7），P2端口（P2.0～P2.7），P3端口（P3.0～P3.7）：它們分別是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口。但P3口除作為一般I/O口外，還有其他一些復用功能，如下表2.1所示：表2.1P3口引腳復用功能引腳號復用功能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（定時器0的外部輸入）P3.5T1（定時器1的外部輸入）P3.6外部數據存儲器寫選通P3.7外部數據存儲器讀選通RST（9引腳）：復位輸入。當輸入連續(xù)兩個機器周期以上高電平時為有效，用來完成單片機的復位初始化操作。XTAL1（19引腳）：振蕩器反相放大器和內部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2（18引腳）：振蕩器反相放大器的輸入端。2.2.2光電傳感器簡介光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。光電傳感器在一般情況下，由三部分構成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。發(fā)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于激光二極管、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。檢測電路一般就在接收器的后面，它可以濾出有效信號，并且應用該信號。2.2.3LM324簡介LM324是帶有差動輸入的四運算放大器，它采用14腳雙列直插塑料封裝，內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖2.2（a）所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖2.2（b）。圖2.2LM324符號圖2.3LM324引腳圖由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，高增益、可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應用在各種領域中，包括應用在傳感器放大器，直流增益模塊和所有傳統的運算放大器等。2.2.4AD0832簡介AD0832是8位逐次逼近模數轉換器，支持兩個單端輸入通道和一個差分輸入通道。它的引腳功能圖如圖2.4所示：片選引腳，低電平芯片使能。CH0模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。CH1模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。GND參考地電位。DI數據信號輸入，選擇通道控制。DO信號輸出，轉換數據輸出。CLK芯片時鐘輸入。VCC(VREF)工作電壓或參考電壓圖2.4AD0832引腳圖2.3信號采集電路如圖2.5就是脈搏信號的采集電路，采用紅外對管作為紅外發(fā)射和接受裝置。如果R1過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流就會過小，發(fā)射強度就會過小，紅外接收二極管就難以判斷是否有無脈搏。如果R1過小，通過紅外發(fā)射二極管的電流就會過大，發(fā)射強度就會過大，紅外接收二極管也無法區(qū)分是否有無脈搏。所以R1選擇了220Ω。圖2.5信號采集電路另外，C1、C2串聯組成的雙極性耦合電容起到了“隔直流，通交流”的作用，當手指離開傳感器或檢測到較強的干擾光線時，輸入端的直流電壓會出現很大變化，C1、C2可以對此隔斷。2.4信號放大電路圖2.6是二階放大電路，可以對信號進行兩級的放大作用。第一部分即是第一級放大電路。這是個反相輸入式交流放大電路，電源VCC通過R4和R5分壓，使運放同相輸入端的電位為。另外，為了避免電源的紋波電壓對V+電位的干擾，在R5兩端并聯濾波電容C3，消除諧振。該電路的增益為：。圖2.6信號放大電路圖2.6中第二部分就是第二級放大電路。這個電路也同樣是反相輸入式放大電路，參考前面，可以算出該電路的增益為：?？偟碾妷涸鲆鏋椋?.5低通濾波電路信號經過兩級放大后，進入濾波電路對其進行濾波。如圖2.7中，是一個二階低通濾波器。圖2.7二階低通濾波電路其中，電路的增益為1，特征角頻率為，特征頻率，等效品質因數為,傳遞函數為。