【正文】 ............................................................. 28 調(diào)試結(jié)果 ......................................................................................................... 28 ............................................................................................................................ 29 附錄 ............................................................................................................................... 31 系統(tǒng)整體原理圖 ........................................................................................................... 31 元件清單 ....................................................................................................................... 31 系統(tǒng)源程序 ................................................................................................................... 34 5 基于單片機(jī)的 脈搏計 摘要： 人體脈象中富含有關(guān)心臟、內(nèi)外循環(huán)和神經(jīng)等系統(tǒng)的動態(tài)信息。而脈搏的病理生理性改變常引發(fā)各種心血管事件，脈搏生理性能的改變可以先于疾病臨床癥狀出現(xiàn)，通過對脈搏的檢測可以對如高血壓和糖尿病等引起的血管病變進(jìn)行評估。同時脈搏測量還為血壓測量，血流測量及其他某些生理檢測技術(shù)提供了一種生理參考信號。 本文主要介紹了數(shù)字式脈搏計的具體實現(xiàn)方法，利用 紅外 傳感器產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過放大整形后，輸入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的控制，從而測量出一分鐘內(nèi)的脈搏跳動次數(shù) ，快捷方便。 通過觀測脈搏信號，可以對人體的健康進(jìn)行檢查， 通常被用于保健中心和醫(yī)院。 系統(tǒng)可以供用戶測量當(dāng)時的脈搏次數(shù)，同時還可以設(shè)定上限次數(shù)和下限次數(shù)，當(dāng)測量的范圍超過設(shè)定的范圍則驅(qū)動蜂鳴器報警提醒，除此外用戶還可以設(shè)定每天鬧鐘提醒測量，時間可以自行設(shè)定 . 系統(tǒng)主控芯片采用 STC89C52,可以把采集到的脈搏信號顯示在 LCD1602 上。 關(guān)鍵詞： STC89C52， 獨立 鍵盤， LCD 顯示管， 紅外傳感器 。 1 引言 目的和意義 脈搏是由心臟搏動而引起 , 經(jīng)動脈和血流傳至遠(yuǎn)端的橈動脈處 , 它攜帶有豐富的人體健康狀況信息。早在公元前 7 世紀(jì)脈診就成為中醫(yī)的一項獨特診病方法。但自古以來中醫(yī)獨特的診斷方法及治病的療效總是籠罩著一層神秘的面紗。中醫(yī)一直是靠手指獲取脈搏信息 , 這難免存在許多主觀臆斷因素 , 況且這種用手指切脈的技巧很難掌握 ,因此人們迫切期望盡早實現(xiàn)脈診的科學(xué)化和現(xiàn)代化。隨著傳感器技術(shù)及計算機(jī)處理技術(shù)的發(fā)展，人們希望能夠?qū)F(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用于中醫(yī)脈象診斷，以便更科學(xué)、更客觀地揭示脈象的實質(zhì)與特征。另一方面從西醫(yī)的角 度看 ,近年來人們也試圖根據(jù)脈搏波的變異性來評價和診斷人體心血管系統(tǒng)的病變 ,以便能找到一個有效的心血管疾病早期無創(chuàng)診斷的方法。因此 ,對脈搏信號進(jìn)行無失真的檢測、采集和處理是一項重要而很有意義的基礎(chǔ)工作 ,它是對脈搏信號進(jìn)一步分析并依此對心臟及動脈血管系統(tǒng)疾病進(jìn)行預(yù)報和診斷的前提。本論文的研究主要是基于這方面來進(jìn)行的，從客觀、物理的角度來詮釋人體脈搏系統(tǒng)。 心率 (Heart Rate)：用來描述心動周期的專業(yè)術(shù)語，是指心臟每分鐘跳動的次數(shù) ,以第一聲音為準(zhǔn)。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，平均在 75 次 /分左右 (60— 100 次 /分之間 )。初生兒的心率很快，可達(dá) 130 次 /分以上。在成年人中，女性的心率一般比男性稍快。健康成人的心率為 60～ 100 次 /分，大多數(shù)為 60～ 80 次 /分，女性稍快； 3 歲以下的小兒常在 100 次 /分以上；老年人偏慢。成人每分鐘心率超過 100 次（一般不超過 160次 /分）或嬰幼兒超過 150 次 /分者，稱為竇性心動過速。如果心率在 160～ 220次 /分，常稱為陣發(fā)性心動過速。心率低于 60 次 /分者（一般在 40 次 /分以上），稱為竇性心動過緩。如心率低于 40 次 /分，應(yīng)考 慮有房室傳導(dǎo)阻滯。心率過快超過 160 次 /分，或低于 40 次 /分，大多見于心臟病病人，病人常有心悸、胸悶、心 6 前區(qū)不適，應(yīng)及早進(jìn)行詳細(xì)檢查，以便針對病因進(jìn)行治療。對某些陣發(fā)性心率過速或過緩，往往在就醫(yī)時測試出心率正常，以至使醫(yī)生無法確診，所以我們設(shè)計出這種可以隨時進(jìn)行心率測量的心率計，不僅可以隨時地監(jiān)測一個人的健康狀況，而且為醫(yī)生對這種病癥的確診提供證據(jù)。 人體心室周期性的收縮和舒張導(dǎo)致主動脈的收縮和舒張 ,使血流壓力以波的形式從主動脈根部開始沿著整個動脈系統(tǒng)傳播 ,這種波稱為脈搏波。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強(qiáng)度、速率 和節(jié)律等方面的綜合信息 ,很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征。 傳統(tǒng)的脈搏測量采用脈診方式 ,中醫(yī)脈象診斷技術(shù)就是脈搏測量在中醫(yī)上卓有成效的應(yīng)用 ,但是受人為的影響因素較大 ,測量精度不高。無創(chuàng)測量（ NoninvasiveMeas2urements）又稱非侵入式測量或間接測量 ,其重要特征是測量的探測部分不侵入機(jī)體 ,不造成機(jī)體創(chuàng)傷 ,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(shù)。 生物醫(yī)學(xué)傳感器獲取生物信息并將其轉(zhuǎn)換成易于測量和處理信號的一個關(guān)鍵器件。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 ,通過對手指末端透光度的監(jiān)測 ,間接檢測出脈搏信號。光電式脈搏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、可重復(fù)好等優(yōu)點 ,本文討論的就是基于光電式脈搏傳感器的設(shè)計和具體實現(xiàn)。 研究概況及發(fā)展趨勢綜述 脈搏系統(tǒng)和脈搏信息的研究包括兩大方面 : 一是理論分析與計算 (即建模方面 )；二是信號檢測與分析。從發(fā)表的文獻(xiàn)來看 , 國外在前一方面做了大量的研究 , 也早于國內(nèi)學(xué)者 。 而國內(nèi)在后一方面的研究多于國外。對脈搏信號的分析主要包括以下方面 : （ 1）脈搏信號檢測與提取 用脈搏記錄儀器描繪脈搏波圖像已有百余年的歷史。 1860 年法國人研制了杠桿脈搏描記器，成為現(xiàn)代脈象描記的基礎(chǔ)。脈象儀的總體構(gòu)成包括脈象信號檢測，信號預(yù)處理和信號分析三個環(huán)節(jié)。我國醫(yī)務(wù)界約從 50 年代初就開始了用西方傳來的脈搏描記技術(shù)，使脈象圖形化。近十多年來，已經(jīng)研制出了許多性能各異的脈象儀，各類脈搏描記器最關(guān)鍵和差異較大的部分就是脈象傳感器的研制。從測量原理上講，脈象傳感器可分為機(jī)械式、壓電式、光電容式等多種。 （ 2）脈搏信號處理與特征提取 目標(biāo)信號檢測的關(guān)鍵是提取信號的特征。在實際中 ,目標(biāo)信號總是淹沒在大量的雜波或干擾中 ,而且目標(biāo)信號的幅值或功率較雜波 或干擾信號可能還低得多 ,這就需要進(jìn)行有效的信號處理。 時域分析法：目前國內(nèi)對脈象信號的特征提取方法 ,多數(shù)采用時域分析法 ,即在時間方向上分析波動信號的動態(tài)特征 ,通過對主波、重搏前波、重搏波的高度、比值、時值、夾角、面積值的參量分析 ,找出某些特征與脈象變化的內(nèi)在聯(lián)系。時域分析法包括直觀形態(tài)法、多因素識脈法、脈象速率圖法、脈圖面積法。直觀形態(tài)法。 頻域分析法：頻域分析主要是通過離散快速傅里葉變換 ,將時域的脈搏波曲線變換到頻域 ,得到相應(yīng)的脈搏頻譜曲線 ,通過頻譜曲線的特征分析 ,從中提取與人體生理病理相應(yīng)的信息 ,實現(xiàn)脈 象分類。與時域分析不同 , 脈搏信號的頻域特征可分辨性好 , 因此 80 年代以來國內(nèi)外一些學(xué)者開始在頻域內(nèi)對脈搏信號進(jìn)行分析 , 初步取得了有意義的結(jié)果。這種從頻域和能量的角度來分析脈搏信號的思想是十分正確的。我們從能量角度研究了幾種不同疾病脈搏信號的特征頻域特征和差異 , 7 利用頻域分析的延伸技術(shù) —— 倒譜與同態(tài)解卷 ,首次估計出了人體脈搏系統(tǒng)的傳遞函數(shù) , 分析了脈搏系統(tǒng)的頻率特性。 時頻聯(lián)合分析法：是把一維信號或系統(tǒng)表示成一個時間和頻率的二維函數(shù) ,時頻平面能描述出各個時刻的譜成分。常用的時頻表示方法有短時傅立葉變換和小 波變換 (WT) 。 短時傅立葉變換 (STFT)方法：是一種廣義情形 ,是一種線性時頻表示方法 ,它依賴于被分析信號的線性特性 ,即信號的頻譜與在數(shù)據(jù)中提供正弦成分的幅度成線性比例。其最主要的優(yōu)點是容易實現(xiàn)、計算簡潔有效 ,而它主要的缺陷是時間和頻率分辨率在整個時頻平面上固定不變。另外的限制是對一個特殊的信號 ,需要一個特殊的窗才能得到最佳分辨率。 小波變換 (WT)：是另外一種重要的線性時頻表示 ,它在時頻平面上具有可變的時間和頻率分辨率 ,把 FT 中的正弦基函數(shù)修改成在整個時頻平面上具有可變時頻分辨率的基函數(shù) ,使得它在高 頻區(qū)域能夠提供高的時間分辨率 ,而在低頻區(qū)域能夠提供高的頻率分辨率。小波變換這種獨特的能力使其成為分析脈搏這種非平穩(wěn)信號的有力工具。在目前已知的小波函數(shù)中 ,復(fù)值調(diào)制的 Gaussian 函數(shù)是使用最高的小波之一。 本系統(tǒng)主要研究內(nèi)容 本系統(tǒng) 設(shè)計制作一個 基于單片機(jī)的 脈搏計 。 能實現(xiàn)以下幾種功能： （ 1） 鍵盤掃描 ， 通過單片機(jī)檢測用戶按下的是哪個按鍵并執(zhí)行相應(yīng)的功能。 （ 2） 通過 紅外傳感器把信號提取并通過濾波放大把信號整形成方波給單片機(jī)計算一分鐘內(nèi)的脈搏次數(shù)。 （ 3） 用戶可以設(shè)置脈搏次數(shù)的上限和下限，超過上限或 上限單片機(jī)會驅(qū)動蜂鳴器發(fā)響。 （ 4） 用戶可以設(shè)置 鬧鐘時間用來提醒用戶定時測量脈搏次數(shù)。 8 2. 總體方案論證與設(shè)計 根據(jù)所要實現(xiàn)的功能劃分，系統(tǒng)一共需要以下幾個模塊：主控模塊、顯示模塊、 信號采集電路 ，以下就針對這幾個模塊的選型和論證進(jìn)行討論。 主控模塊的選型和論證 方案一： 采用 MSP430 系列單片機(jī)，該單片機(jī)是 TI 公司 1996 年開始推向市場的一種16 位超低功耗的混合信號處理器。其內(nèi)部集成了很多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器，提供強(qiáng)大的功能。不過該芯片昂貴不適合一般的設(shè)計開發(fā)。 方案二 采用 51 系 列的單片機(jī)，該單片機(jī)是一個高可靠性，超低價，無法解密，高性能的 8 位單片機(jī)， 32 個 IO 口，且 STC 系列的單片機(jī)可以在線編程、調(diào)試，方便地實現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。 因此選用方案二中的 51 系列單片機(jī)作為主控芯片。 顯示模塊的選型和論證 方案一： 采用點陣式數(shù)碼管顯示，點陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對于顯示文字比較合適，如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費，且價格也相對較高，所以不用此種作為顯示。 方案二： 采用 LED 數(shù)碼管動態(tài)掃描， LED 數(shù)碼管價格雖適中，對于顯示數(shù)字也最合適，而且采用動態(tài)掃描法與 單片機(jī)連接時，占用單片機(jī)口線少。但是由于數(shù)碼管動態(tài)掃描需要借助 74LS164 移位寄存器進(jìn)行移位，該芯片在電路調(diào)試時往往有很多障礙，所以不采用 LED 數(shù)碼管作為顯示。 方案三： 采用 LCD 液晶顯示屏，液晶顯示屏的顯示功能強(qiáng)大，可顯示大量文字，圖形，顯示多樣，清晰可見，對于本設(shè)計而言一個 LCD1602 的液晶屏即可，價格也還能接受，需要的借口線較多，但會給調(diào)試帶來諸多方便。 所以本設(shè)計中方案三中的 LCD1602 液顯示屏作為顯示模塊。 傳感器 的選型和論證 方案一： 采用壓電傳感器用來提取人的脈搏信號， 壓電傳 感器是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生的 壓電效應(yīng) 制成的傳感器。所謂壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變（包括彎曲和伸縮形變）時，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，會在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。 通過此現(xiàn)象可以提取出人的脈搏信號。 方案二： 采用光電傳感器提取人體脈搏信號，授予手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織，其中非血液組織的光吸收量是恒定的 ，而在血液中，靜 脈血的搏動相對動脈血是十分微弱的，可以忽略，因此可以認(rèn)為光透過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起，那么在恒定波長的光源的照射下，通過檢測透過手指的光強(qiáng)將可以間接測量到人體的脈搏信號。 9 由于光電傳感器較壓電傳感器容易在一般的地方可以買得到，因此這里選用光電傳感器來提取人體脈搏信號。 時鐘芯片的 選型 和論證 方案一： 直接采用單片機(jī)定時計數(shù)器提供秒信號，使用程序?qū)崿F(xiàn)時間計數(shù)。采用此種方案雖然可以減少時鐘芯片的使用，節(jié)約成本，但是，實現(xiàn)的時間誤差較大。 方案二： 采用 DS1302 時鐘芯片實現(xiàn)時鐘， DS1302 是美國 DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗、帶 RAM 的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周、時、分、秒計時，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓