【正文】 協(xié)作組 ZHI 型（應(yīng)變片） ZHII 型，軸向徑向均可調(diào)節(jié) 西安交通大學(xué) 圓形氣囊加壓式（ 7 點(diǎn)） 上海中醫(yī)研究院 橫向線列 式九道（應(yīng)變片） 浙江大學(xué) 63 點(diǎn)（ PVDF 壓電薄膜） 西苑醫(yī)院 壓電晶體 江西脈圖協(xié)作組 MX811 型（液態(tài)泵） 中科院基礎(chǔ)所 硅杯式（單晶硅） 中科院智能機(jī)械所 軟接觸式（應(yīng)變片，液態(tài)） 湖南省中醫(yī)學(xué)院 血管容積式（光敏元件） 湖南省中醫(yī)研究院 阻抗儀 中國臺(tái)灣 汪叔游 三部壓力換能器 美國 Dr. Laub （壓電晶體） 三部手套力與壓力復(fù)合式 德國 Park. 三部綁帶充氣加壓 脈象探頭式 樣 [5]很多，有單部、三部、單點(diǎn)、多點(diǎn)、剛性接觸式、軟性接觸式、氣壓式、硅杯式、液態(tài)汞、液態(tài)水、子母式等組成脈象探頭的主要原件有應(yīng)變片，壓電晶體、單晶硅、光敏元件、 PVDF 壓電薄膜等，其中以單部單點(diǎn)應(yīng)變片式為最廣泛，不過近年來正在向三部多點(diǎn)式方向發(fā)展。這樣的脈搏測量系統(tǒng)性能良好，結(jié)構(gòu)簡單，性價(jià)比高，輸出顯示穩(wěn)定，比較適應(yīng)大眾化，適 合家庭進(jìn)行自我檢查以及醫(yī)院護(hù)士進(jìn)行每日的臨床記錄。 人體心室周期性的收縮和舒張導(dǎo)致 主動(dòng)脈的收縮和舒張，使血流壓力以波的形式從主動(dòng)脈根部開始沿著整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)傳播，這種波稱為脈搏波。同時(shí)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(hào)。 LCD。系統(tǒng)運(yùn)行中能顯示脈搏次數(shù)和時(shí)間，系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，能夠顯示總的脈搏次數(shù)和時(shí)間。在信號(hào)的前端處理上，使用壓電陶瓷片采集人體脈搏信號(hào)，然后經(jīng)過 AD620 放大，施密特觸發(fā)器整形， 低通濾波器濾波等一系列操作，將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的脈沖信號(hào)輸入到單片機(jī)內(nèi)，并利用單片機(jī)對其進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于脈搏信號(hào)的特殊性，在設(shè)計(jì)時(shí)必須要注意實(shí)現(xiàn)測量的準(zhǔn)確。 本課題是人體脈搏測量儀的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)以89S51 單片機(jī)作為中心，通過使用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最核心的計(jì)算脈搏功能。雖然壓電陶瓷片的性能并非很好，在信號(hào)的采集上不能實(shí)現(xiàn)非常精確的采集，但是它的價(jià)格低廉，并且在經(jīng)過系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路后，也能比較滿意的實(shí)現(xiàn)我們所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。 piezoelectric ceramics。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(dòng)態(tài)信息，我們可以通過對脈搏波檢測得到的脈波圖含有出許多有診斷價(jià)值的信息，可以用來預(yù)測人體某些器臟結(jié)構(gòu)和功能的變換趨勢，如 :血管幾何形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)的變異會(huì)引起脈搏波波形和波速等性質(zhì)的改變，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。但是這種便攜式電子血壓計(jì)利用微型氣泵加壓橡膠氣囊，每次測量都需要一個(gè)加壓和減壓的過程，存在體積龐大、加減壓過程會(huì)有不適、脈搏檢測的精確度低等缺點(diǎn)。達(dá)到了方便、快速、準(zhǔn)確地測量心率的目的。以下按脈象儀探頭的形式，傳感器的特點(diǎn)及研制者作一簡單的歸納 [4]，詳見表 11。因此，未來脈搏自動(dòng)檢測的內(nèi)容將更加詳細(xì)，自動(dòng)分析診斷功能也更強(qiáng)大。 （ 3）多功能化越來越明顯 目前的脈搏測量儀，一般都具有測試血氧，心電圖等等功能，單純的脈搏測量儀已經(jīng)很少見。 抗干擾 （ 1） 工頻 50HZ 干擾及其各次諧波 使用頻率為 50HZ 的市電的電子儀器設(shè)備會(huì)對檢測系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，其幅值大約是脈搏信號(hào)峰峰值的 50%,是主要的干擾源 （ 2） 肌電干擾 肌肉的收縮會(huì)產(chǎn)生微伏級的電勢，其幅值大約是脈搏信號(hào)峰峰值的 10％，維持時(shí)間大約是 50ms，頻帶范圍可以在 0HZ~10000HZ。 低噪聲、低漂移 在脈搏信號(hào)放大器中，由于增益較高，噪聲和漂移是兩個(gè)較重要的參數(shù)。而脈搏信號(hào)具有很低的頻率成分，為了能正常測量，必須采取措施來限制放大器的漂移。 （ 3）在很短的時(shí)間（若干秒）內(nèi)，測出經(jīng)放大后的電信號(hào)頻率值。 （ 2）測量脈搏跳動(dòng)固定次數(shù)（比如 5 次， 10 次）所需的時(shí)間 ，然后轉(zhuǎn)換為每分鐘的脈搏數(shù) [7]?？紤]到系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，有兩種方案可以實(shí)現(xiàn)。使用該方案其框圖如下圖圖 所示。而單片機(jī)方案有較大的活動(dòng)空間，不但能實(shí)現(xiàn)所要求的功能而且能在很大的程度上擴(kuò)展功能，而且還可以方便的對系統(tǒng)進(jìn)行升級，所以我們采用后一種方案。當(dāng)選用電極傳感器時(shí) ,需要 3 個(gè)電極分別置于左右手和左腿 ,構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)。 （ 2）光電式傳感器 血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比血液中大幾十倍，據(jù)此特點(diǎn)，采用光電效應(yīng)手指脈搏傳感器 [8][9]來拾取脈搏信號(hào)。 采用紅外對管。 接收的是血液漫反射回來的光，此信號(hào)可以精 確地測得血管內(nèi)容積變化。 缺點(diǎn)： 外部光源的變化對測量結(jié)果的影響較大； 需要購買專門的醫(yī)用光電傳感器，價(jià)格較貴且不易購買； 對這樣的器件接觸很少，對其進(jìn)行調(diào)試時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)較 大困難。 （ 3）集成式 : 優(yōu)點(diǎn) :集成度高 ,包含了濾波 ,放大電路 ,可以直接輸出信號(hào) ,便于操作 ,有效的減少了各種干擾。 壓電陶瓷片 [12][13]的外觀和電路符號(hào)如下圖 所示。 圖 壓電陶瓷片的符號(hào)及外觀 第 8 頁 共 40 頁 由于壓電陶瓷片的資料比較少，為了確定使用該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)本次設(shè)計(jì)的目的，先要對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，來確定它的輸出電壓是否符合要求。 單片機(jī)的選擇 本設(shè)計(jì)作為一個(gè)簡單脈搏測量儀，最后需給出脈搏波動(dòng)頻率。相對于出現(xiàn)較早也較為成熟的 51 系列單片機(jī)， AVR系列單片機(jī)片內(nèi)資源更為豐富，接口也更為強(qiáng)大，同時(shí)由于其價(jià)格低等優(yōu)勢，在很多場合可以替代 51 系列單片機(jī)。micro。micro。’nSP 內(nèi)核為中心集成不同規(guī)模的 ROM PAM 和功能豐富的各種外設(shè)部件。除此之外的其它功能模塊均為可選結(jié)構(gòu)?！痭SP 家族有有以下特點(diǎn)：體積小 ，集成度高，可靠性好易于擴(kuò)展。內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，因?yàn)闇p少了各功能部件之間的連接，提高了其可靠性和抗干擾能力，另外，模塊化的結(jié)構(gòu)易于系列的擴(kuò)展，以適應(yīng)不同用戶的需求。 如 SPCE061 等。 51 單片機(jī)是基礎(chǔ)入門的一個(gè)單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。但是其功能相對較少，訪問外部數(shù)據(jù)有瓶頸，作電壓范圍窄。 AT89S51 就是其中一款，它可以完全滿足本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，而且， AT89S51 的價(jià)格較低。因此還需要另一個(gè)放大器?？梢钥闯鰷y量 fx 必須將 N 或 t 兩個(gè)量之一作為閘門或基準(zhǔn)，對另一個(gè)量進(jìn)行測量。被測信號(hào)的周期作為信號(hào)閘門，由程序控制開關(guān)對時(shí)基進(jìn)行計(jì)數(shù)得 nx，因此被測信號(hào)周期為 Tx nx Ts??，每分鐘脈搏跳動(dòng)次數(shù)為60/N Tx? 。充分利用單片機(jī)內(nèi)的兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè)作為定時(shí)器 ，給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào)，另一個(gè)作為計(jì)數(shù)器。查詢方式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，硬件開銷??；缺點(diǎn)是 CPU 在整個(gè)傳送過程中需要不斷檢測外設(shè)狀態(tài)，由于 CPU 的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外設(shè)， 第 11 頁 共 40 頁 因此通常處于等待狀態(tài)，工作效率很低。所以，需要選用合適的顯示設(shè)備及顯示電路，來實(shí)現(xiàn)對脈搏波動(dòng)頻率信息的顯示?？梢赃x擇 LCD 字符液晶屏來對脈搏波動(dòng)頻率信息進(jìn)行顯示。靜態(tài)顯示適用于顯示器位數(shù)較少時(shí)。 本設(shè)計(jì)中，顯示的脈搏波動(dòng)頻率，同時(shí)顯示脈搏次數(shù)和測試時(shí)間，選用動(dòng)態(tài)顯示。本章對各部分電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)論述與分析。由于 Rx兩端的電壓等于 V2V1,所以流過 Rx的電流等于(V2V1)/Rx,因此輸入信號(hào)將通過放大器獲得增益并且得到放大。 第 13 頁 共 40 頁 以下是幾種常用的集成儀表放大器 [22][23],其主要參數(shù)如表 31 表 31 三種集成醫(yī)用放大器參數(shù) 器件 輸入失調(diào)電壓 輸入偏置電流 輸入失調(diào)電流 輸入噪聲 AD620 50uV 13 INA128 125nV 10 OPA131 1mV 50pA 50pA 21 脈搏信號(hào)是在強(qiáng)噪聲下的微弱信號(hào)，它對前置放大器的共模抑制比，輸入阻抗，輸入噪聲，輸入失調(diào)電壓有較嚴(yán)格的要求，由表 31 知 AD620 是最為理想的。所以設(shè)計(jì)時(shí)考慮兩級放大 ,第一級采用 AD620,外接一個(gè) 的電阻 ,放大倍數(shù)由公式大約放大十倍左右。 （ 1）方案選擇： 方案一：無源濾波器 采用 RC 低通濾波器。由于主要的干擾出現(xiàn) 在 50HZ 左右，所以在截止頻率較低時(shí)，采用二階濾波器即可達(dá)到很好的濾波效果。我們現(xiàn)在設(shè)定 C1=C2=， R1=R2=100K。 （ 3）方案確定 由于使用二階有源濾波器能夠很好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的濾波目的，所以選擇使用方案二，即二階有源濾波器。若 RF≈0，R1=∞（開路），則為電壓跟隨器，與晶體管電壓跟隨器（射極輸出器）相比，集成運(yùn)放的電壓跟隨器的輸入阻抗更高，幾乎不從信號(hào)源吸取電流；輸出阻抗更小，可視作電壓源，是較理想的阻抗變換器。 圖 第 二級放大器電路 整形電路 由于單片機(jī)只能檢測到數(shù)字信號(hào)，因此，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后得到的模擬信號(hào)必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。 由于三極管的調(diào)試較為復(fù)雜，且工作性能不如施密特 觸發(fā)器穩(wěn)定，所以我們選用施密特觸發(fā)器。 圖 555 施密特觸發(fā)器電路圖 第 20 頁 共 40 頁 使用施密特觸發(fā)器后，其輸入輸出波形的變化如圖 所示。在檢測到第一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，開啟定時(shí)器，然后在下一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，關(guān)閉計(jì)時(shí)器，如此就可以求得一次心跳所需要的時(shí)間，然后由該周期就可以得到一分鐘的脈搏數(shù)。 此外， AT89S51 設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為 0Hz 并可通過軟件設(shè)置省電模式。單片機(jī)的 P0口作為數(shù)據(jù)口，與顯示屏相接，來輸出單片機(jī)所計(jì)算的脈搏值。 第 22 頁 共 40 頁 39383736353433322122232425262728RXD10TXD11ALE/P18PSEN1901345678INT113INT012T115T014EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16AT89C5120pFC1220pFC13Y212MGND1 2S1RESETEC11uf30KR13R14 圖 定時(shí)計(jì)數(shù) 電路 顯示電路的設(shè)計(jì) 脈搏信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)處理，得到脈搏波動(dòng)頻率之后，需要在顯示電路中直 觀地顯示出來。 表 33 液晶驅(qū)動(dòng)程序硬件端口資源分配表 硬件端口 分配資源 說 明 RS 寄存器選擇控制線 RW LCD 讀寫控制線 E 啟用控制線，高電平動(dòng)作 LCD P2 雙向數(shù)據(jù)總線 POS_FLAG 20H 字符串顯示位置標(biāo)志，為 0 時(shí)顯示在第一行，為 1 時(shí)顯示在第二行 BLANK 30H 清行時(shí)填入的空格個(gè)數(shù)控制變量 第 23 頁 共 40 頁 LCD 初始化 液晶顯示模塊 1602 的控制指令： 1602 的控制指令共 11 條 ,其中 9 條針對命令寄存器 IR 的， [30] [31]另外 2 條是針對數(shù)據(jù)寄存器 DR 的，具體指令如表 所示。 T0,T1 中斷請求來自 于輸入單片機(jī)中頻率為 1Hz 的脈沖信號(hào)。 圖 T0中斷程序流程圖 圖 T1 中斷程序流程圖 N Y T0中斷入口 T1代表的時(shí)間 ≥ 60S？ 關(guān) T T0中斷 設(shè)計(jì)數(shù)結(jié)束的標(biāo)志為 1 結(jié)束 LCD 顯示 T1的值 結(jié)束 T1中斷入口 第 27 頁 共 40 頁 顯示程序流程 的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì) LCD1602 顯示的內(nèi)容是被測量者一分鐘的脈搏次數(shù)。其數(shù)據(jù)口為 P0 口。 //片使能信號(hào)，控制其工作。利用單片機(jī)自身的定時(shí)中斷、外部中斷、計(jì)數(shù) 等功能，不僅能顯示出此次脈搏測量的次數(shù)，還能自動(dòng)儲(chǔ)存這個(gè)數(shù)據(jù)。 為了更好的進(jìn)行基于單片機(jī)的人體脈搏檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在近一個(gè)學(xué)期的時(shí)間里，認(rèn)真收集有關(guān)資料，并做相關(guān)的整理和閱讀，為這次的設(shè)計(jì)做好充分的準(zhǔn)備。（ 4）通過次次的設(shè)計(jì) ，使我體會(huì)到堅(jiān)持不懈的毅力對完成一件事情起著巨大的作用。在這個(gè)大家庭里，我和其他的同學(xué)共同生活，共同學(xué)習(xí)。你們的諄諄教誨使我有志于在本專業(yè)繼續(xù)深造。他們一如既往的支持，是我前進(jìn)的最大動(dòng)力，是我成功的基石，感謝你們多年來為我的付出。 //單周期信號(hào)結(jié)束標(biāo)志 0 未測試完成 1 初始化 2 測試完成 unsigned int g_flag。 void INT0ISR( void ) interrupt 0 // 外部中斷 0 中斷服務(wù)函數(shù) { //IE0 = 0。 g_flag = 2。 g_T0count = 0