【文章內(nèi)容簡介】 進(jìn) ， 對脈搏的測量精度也越來越高，國內(nèi)外先后研制了不同類型的脈搏測量儀，而其中關(guān)鍵是對脈搏傳感器的研 究。而由于脈搏傳感器的不同，現(xiàn)今市場上的脈搏測試儀的脈率采集主要有三種方法：采用一對紅色發(fā)光二極管實現(xiàn)、采用反射式的紅外管實現(xiàn)和采用壓電陶瓷芯片實現(xiàn)。近年來國內(nèi)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(jī)體，不造成機(jī)體創(chuàng)傷，能夠自動消除儀表自身系統(tǒng)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(shù)。 脈搏測量儀的發(fā)展主要向以下幾個趨勢： 自動測量脈搏并且對所得到的脈搏進(jìn)行自動分析 目前很多脈搏測量儀都具有檢測血氧等其他的功能 ， 但是對這些信號的分析和 診斷還需要一些有經(jīng)驗的醫(yī)生觀察，進(jìn)行分析后才能確認(rèn)結(jié)果，浪費大量的人力，且由人為引入的誤差較大。因此，未來脈搏自動檢測的內(nèi)容將更加詳細(xì)，自動分析診斷功能也更強(qiáng)大。 數(shù)字化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用 隨著數(shù)字科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量儀集成度將更高，更便于攜帶。數(shù)字信號處理的運用將使干擾更小，測量更為準(zhǔn)確。 多功能化越來越明顯 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 3 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。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量儀必然可以實現(xiàn)更多的功能。 本設(shè)計的主要內(nèi)容 本設(shè)計以單片機(jī)為核心 ，由脈搏檢測傳感器采集脈搏信號。經(jīng)過前置放大電路、濾波電路、整形電路后得到與脈搏相關(guān)的脈沖信號。該脈沖信號作為中斷信號交由單片機(jī)進(jìn)行脈長周期的計算。然后得到每分鐘的脈搏搏動次數(shù)（即心率），并在數(shù)碼管上顯示心率， 同時還設(shè)置了脈搏測量儀的上下限報警電路。 本 設(shè)計 的工作是圍繞著 脈搏檢測傳感器檢測脈搏波而單片機(jī)進(jìn)行控制 進(jìn)行的。 本設(shè)計 的 設(shè)計 內(nèi)容安排如下： 第一章為 引言 。簡要介紹了 心率測試儀設(shè)計的目的和意義，并對基于單機(jī)的便攜式心率測試儀的 現(xiàn)狀和應(yīng)用 以及未來的發(fā)轉(zhuǎn)走勢做了簡單的闡述， 指出了本設(shè)計 的 主要技 術(shù) 內(nèi)容 ，即心率的測試。 第二章 為整體方案的分析。顧名思義第二章是對整個方案的詳細(xì)的對比與選擇并確定最終方案。在確定方案之前我必須先明確本設(shè)計的任務(wù)與要求，之后是各個部分的對比選擇。 第 三 章是本 設(shè)計 的核心。在這里 給出了整體的硬件電路設(shè)計思路，并且對電路的各個部分進(jìn)行分析與解釋。 第 四 章 敘述程序的編程方案，給出程序的框架結(jié)構(gòu)圖并 對 整個設(shè)計 進(jìn)行總結(jié)， 而且 對以后的 設(shè)計 工作進(jìn)行 了 展望。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 4 第 2 章 整體方案分析 任務(wù) 基于單片機(jī)的便攜式心率測試儀的設(shè)計。 本設(shè)計以單片機(jī)為核心，由光電傳感器采集 脈搏信號。經(jīng)過前置放大電路、濾波電路、 積 分和比較電路后得到與脈搏相關(guān)的脈沖信號。該脈沖信號作為中斷信號交由單片機(jī)進(jìn)行脈長周期的計算。然后得到每分鐘的脈搏搏動次數(shù)（即心率），并在數(shù)碼管上顯示，并且在 超出設(shè)定的正常脈搏跳動范圍 時 ，驅(qū)動蜂鳴器報警 。 要求 (1)通過脈搏傳感器采樣脈搏信號，設(shè)計脈搏波檢測電路，通過譯碼管來顯數(shù)脈搏次數(shù)。 (2)將脈沖波送入單片機(jī)，采用單片機(jī)構(gòu)成脈搏波檢測儀，要求實現(xiàn)脈搏波次數(shù)超出設(shè)定時限時驅(qū)動蜂鳴器報警。 系統(tǒng) 的整體方案 本設(shè)計的系統(tǒng)模塊可以基本劃分為 ： 脈搏傳感器部 分、單片機(jī)處理電路部分、顯示電路部分和報警電路部分。 本設(shè)計所設(shè)計的基于單片機(jī)的便攜式脈搏測量儀 將 利用脈搏檢測傳感器采集脈搏信號，再對其 進(jìn)行整形、計數(shù)和顯示，就能實現(xiàn)實時檢測脈搏次數(shù)的目的 ，再通過報警電路可實現(xiàn)報警功能。 本設(shè)計結(jié)構(gòu) 硬件框圖 如圖 所示 。 脈 搏 檢 測 傳 感 器 低 通 放 大 器 整 形 電 路單 片 機(jī)數(shù) 碼 顯 示 電 路 報 警 電 路 圖 硬件框圖 方案的對比和論證 脈搏 檢測 傳感器的選擇 傳感器又稱為換能器、變換器等。脈搏傳感器是脈搏檢測系統(tǒng)中重要的組成黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 5 部分。 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，采用光電效應(yīng)手指脈搏傳感器來拾取脈搏信號。反向偏壓的光敏二極管，它的反向電流具有隨光照強(qiáng)度增加而增加的光電效應(yīng)特性，在一定光強(qiáng)范圍內(nèi)，光敏二極管的反向電流與光強(qiáng)呈線性關(guān)系。指端血管的容積和透光度隨心搏改變時，將使光電三極管極管收到不同的光強(qiáng)，并由此產(chǎn)生的光電流均隨之作相應(yīng)變化。常用檢測脈搏的光電傳感器 一般是 紅外對管。 紅外對管將對管夾于手指端部，通過手指的血液濃度會隨著心臟的跳動發(fā)生變化，紅外對管對應(yīng)的信 號便會發(fā)生相應(yīng)的變化，采集此信號經(jīng)過放大，濾波，比較等處理便可以得到理想的信號 。 紅外對管 對脈搏的 檢測的基本原理：隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變。當(dāng)血液送到人體組織時，組織的半透明度減?。划?dāng)血液流回心臟，組織的半透明度增大。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。 光電式傳感器具有 靈敏度高，易于操作 ， 響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單 等優(yōu)點 。 雖然 外部光源的變化對測量結(jié)果的影響較大 ，但我們進(jìn)行測量的地方一般都是在室內(nèi)，有穩(wěn)定的光源，所以在正常的操作過程中只要稍微注意下光源的問題就可以了。 壓 電式傳感 器 目前常用的是一次性心電電極 ， 它是用印刷方法制得的 Ag/ Agcl 傳感器。這種傳感器采用接扣與敏感區(qū)分離的方法 ， 能明顯的減少由于人體運動產(chǎn)生的干擾。電極的好壞對采集到的心電信號質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用 ， 采用的電極應(yīng)有貼力強(qiáng) ， 能緊附在人體表面 ， 柔軟 、 吸汗 、 極化電壓低 、 導(dǎo)電性良好等特點。當(dāng)選用電極傳感器時 ， 需要 3 個電極分別置于左右手和左腿 ， 構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián) 。 臨床上為了統(tǒng)一和便于比較所獲得的脈搏信號 ， 在檢測脈搏信號時 ， 對電極的位置 ，引線與放大器的連接方式都有嚴(yán)格的統(tǒng)一規(guī)定。 目前市場上有一種采用新型高分子壓電材料聚偏 氟乙烯研制的壓電傳感器 ，其靈敏度高 ,頻帶范圍好 ， 結(jié)構(gòu)簡單 ， 便于使用 。 當(dāng)手指前端受到輕微的壓力時 ，可以感覺到手指前端在血壓的作用下有一張一弛的感覺 ， 將這個信號用傳感器提取出來 ， 轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ㄟ^指脈的波形檢測，就可以獲得人體的脈搏信號。 壓電式傳感器有著 結(jié)構(gòu)簡單，實時性好，工作頻帶寬，應(yīng)用電路簡單 等諸多優(yōu)點 ， 并 且價格低廉。 但壓電式傳感器 直接與人體相接觸，容易因為人體肌肉的顫動等而產(chǎn)生干擾。 而肌肉的顫動不是人能主動控制的，所以說這部分的誤差很黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 6 難控制。 并且 使用壓電式傳感器測脈搏還 容易受到外界其他信號的干擾。 集成傳感器 當(dāng)前 ， 市面上有很多類型的集成心電傳感器 ， 其靈敏度高 ， 集成度高 ， 直接就可以反映出心率的變化 ， 且已包含了濾波等抗干擾電路 ， 波形經(jīng)過放大可以直接處理使用 。 缺點是價格非常昂貴 ， 一般均在五百元以上 ， 就本次設(shè)計來說，考慮到經(jīng)費以及鍛煉自己的目的，不選擇使用該型傳感器。 綜合 考慮種種情況 ， 結(jié)合本系統(tǒng)的設(shè)計要求以及經(jīng)費的考慮 ，本設(shè)計 采用光電式傳感器。 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)的選擇主要是在 AT89C2051 和 AT89S52 之間做選擇。 AT89S52 單片機(jī) AT89S52 是一種低功耗、高性能的 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 的系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司的高密度非易失性存儲技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上的 Flash 允許程序存儲在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 AT89C2051 單片機(jī) AT89C2051 是一種低 電壓 、高性能的 CMOS 8 位微控制器，片內(nèi)含 2K 字節(jié)可反復(fù)擦除的 Flash 只讀程序存儲器 和 128B 的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲器 ，器件采用 Atmel公司的高密度非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)。芯片 置通用8 位中央處理器和 Flash 存儲單元 ， AT89C2051 在電子類產(chǎn)品中有廣泛的應(yīng)用。 經(jīng)過比較，本設(shè)計采用 AT89S52 單片機(jī)。 顯示部分 的選擇 根據(jù)題目要求，設(shè)計出來的系統(tǒng)是可以設(shè)定報警的范圍的。 在單片機(jī)的應(yīng) 用系統(tǒng)中，為了便于人們觀察和監(jiān)視單片機(jī)的運行情況，常常需要用顯示器顯示運行的中間結(jié)果、狀態(tài)等信息，因此顯示器也是不可缺少的外部設(shè)備之一。顯示器的種類很多，從液晶顯示、發(fā)光二極管顯示到 CRT 顯示器，都可以與微機(jī)配接。在 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的顯示器主要有發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器，簡稱 LED 顯示器。 LED 顯示器具有耗電省、成本低廉、配置簡單靈活、安裝方便、耐振動、壽命長等優(yōu)點。 但與 LCD 相比 顯示內(nèi)容有限，不能顯示圖形，因而其應(yīng)用有局限性。 LED 數(shù)碼管顯示器是由發(fā)光的二極管顯示字段組成的。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用最多的就是七段 LED 數(shù)碼管，有共陰極和共陽極兩種。七段 LED 數(shù)碼管顯示器有 8 個發(fā)光二極管，其中從 a~g 管腳輸入顯示代碼，可顯示不同的數(shù)字黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 7 或字符， Dp 顯示小數(shù)點。共陰極 LED 數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管陰極，通常接地， 當(dāng)發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮。共陽極的 LED數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管的陽極，通常接 +5V 電源，當(dāng)發(fā)光二極管的陰極為低電平時，發(fā)光二極管點亮。 通過比較，我們可以發(fā)現(xiàn) LED 動態(tài)顯示更加適合本設(shè)計，所以就采用此方法。 設(shè)計時要考慮的問題 環(huán)境光對脈搏傳感器測量的影響 在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號不僅包含脈搏信息的透射光的信號，而且包含測量環(huán)境下的背景光信號，由于動脈波動引起的光強(qiáng)變化比背景光的變化微弱得多，因此在測量過程當(dāng)中要保持測量背景光的恒定，減少 背景光的干擾。 測量環(huán)境下的背景光包含環(huán)境光和在測量過程中引起的二次反射光。為了減少環(huán)境光對脈搏信號測量的影響 ， 同時考慮到傳感器使用的方便性，采用密封的指套式包裝方式，整個外殼采用不透光的介質(zhì)和顏色，盡量減小外界環(huán)境光的影響，為了避免測量過程中的二次反射光的影響，在指套式傳感器的內(nèi)層表面涂上一層吸光材料，這樣能有效減少二次反射光的干擾。 加上指套式外殼后的脈搏傳感器測量到的脈搏波形比較平滑。這是因為加指套式的脈搏傳感器中環(huán)境光在測量過程中基本不受外界環(huán)境光的影響，而且能夠有效減少二次反射光，使照射到手指 上的光波長單一，所以得到的脈搏信號較為穩(wěn)定，沒有明顯的重疊雜波信號，能夠很好的體現(xiàn)出脈搏波形的特征。 電磁干擾對脈搏傳感器的影響 通過光電轉(zhuǎn)換得到的包含脈搏信息的電信號一般比較微弱，容易受到外界電磁信號的干擾，在傳統(tǒng)的光電式脈搏傳感器電路中，由于光敏器件和放大電路是分離的，那么在信號的傳遞過程就很容易受到外界電磁干擾，通常在一級放大電路采用電磁屏蔽的方式來消除電磁干擾。本系統(tǒng)采用了新型的光敏器件，在芯片內(nèi)部集成光敏器和一級放大電路，有效地抑制了外界電磁信號對原始脈搏信號的干擾。 工頻干擾是電 路中最常見的干擾，脈搏信號變化緩慢，特別容易受到工頻信號的干擾，因此對工頻信號干擾的抑制是保證脈搏信號測量精度的主要措施之一。通常脈搏信號的頻率范圍在 ?30Hz 之間，小于工頻 50Hz，因此通過低通濾波器可以有效濾除工頻干擾，這在信號調(diào)理電路中容易實現(xiàn)；同時可以在控制電路中對光源進(jìn)行脈沖調(diào)制，這樣不但能夠降低系統(tǒng)的功耗，而且能夠在一定程黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 8 度上減小外界的電磁干擾，在脈搏信號數(shù)據(jù)采集后，可以通過數(shù)據(jù)處理法方法進(jìn)一步濾除工頻信號的干擾。 測量過程中運動噪聲的影響 測量過程中，通常情況下手指和光電式 脈搏傳感器可能產(chǎn)生相對的運動，這樣會使脈搏的測量產(chǎn)生誤差，可以通過兩個方面減少運動噪聲誤差：一是改善指套式傳感器的機(jī)械運動性，比如說使指套能夠更緊的套在手指上，不易松動；二是從脈搏處理的角度，通過算法來減少誤差。對于本設(shè)計的傳感器的設(shè)計來說，采用的是第一個途徑。 本章小結(jié) 本章主要介紹了常見的用于脈搏檢測的三種傳感器，并對這三種感器的優(yōu)缺點進(jìn)行了比較。本設(shè)計采用的單片機(jī)芯片的型號是 AT89S52，在本章主要介紹了它的一些特點。最后，給出了最終的設(shè)計方案和硬件框圖 。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 9 第 3 章 硬件電路設(shè)計分析 控