【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 進(jìn) ， 對(duì)脈搏的測(cè)量精度也越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)外先后研制了不同類(lèi)型的脈搏測(cè)量?jī)x，而其中關(guān)鍵是對(duì)脈搏傳感器的研 究。而由于脈搏傳感器的不同，現(xiàn)今市場(chǎng)上的脈搏測(cè)試儀的脈率采集主要有三種方法：采用一對(duì)紅色發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)、采用反射式的紅外管實(shí)現(xiàn)和采用壓電陶瓷芯片實(shí)現(xiàn)。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(lèi)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)。 脈搏測(cè)量?jī)x的發(fā)展主要向以下幾個(gè)趨勢(shì)： 自動(dòng)測(cè)量脈搏并且對(duì)所得到的脈搏進(jìn)行自動(dòng)分析 目前很多脈搏測(cè)量?jī)x都具有檢測(cè)血氧等其他的功能 ， 但是對(duì)這些信號(hào)的分析和 診斷還需要一些有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生觀察，進(jìn)行分析后才能確認(rèn)結(jié)果，浪費(fèi)大量的人力，且由人為引入的誤差較大。因此，未來(lái)脈搏自動(dòng)檢測(cè)的內(nèi)容將更加詳細(xì)，自動(dòng)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(cè)量?jī)x集成度將更高，更便于攜帶。數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)用將使干擾更小，測(cè)量更為準(zhǔn)確。 多功能化越來(lái)越明顯 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 目前的脈搏測(cè)量?jī)x，一般都具有測(cè)試血氧，心電圖等等功能，單純的脈搏測(cè)量?jī)x已經(jīng)很少見(jiàn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，脈搏測(cè)量?jī)x必然可以實(shí)現(xiàn)更多的功能。 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心 ，由脈搏檢測(cè)傳感器采集脈搏信號(hào)。經(jīng)過(guò)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(hào)。該脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)交由單片機(jī)進(jìn)行脈長(zhǎng)周期的計(jì)算。然后得到每分鐘的脈搏搏動(dòng)次數(shù)（即心率），并在數(shù)碼管上顯示心率， 同時(shí)還設(shè)置了脈搏測(cè)量?jī)x的上下限報(bào)警電路。 本 設(shè)計(jì) 的工作是圍繞著 脈搏檢測(cè)傳感器檢測(cè)脈搏波而單片機(jī)進(jìn)行控制 進(jìn)行的。 本設(shè)計(jì) 的 設(shè)計(jì) 內(nèi)容安排如下： 第一章為 引言 。簡(jiǎn)要介紹了 心率測(cè)試儀設(shè)計(jì)的目的和意義，并對(duì)基于單機(jī)的便攜式心率測(cè)試儀的 現(xiàn)狀和應(yīng)用 以及未來(lái)的發(fā)轉(zhuǎn)走勢(shì)做了簡(jiǎn)單的闡述， 指出了本設(shè)計(jì) 的 主要技 術(shù) 內(nèi)容 ，即心率的測(cè)試。 第二章 為整體方案的分析。顧名思義第二章是對(duì)整個(gè)方案的詳細(xì)的對(duì)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(jì)的任務(wù)與要求，之后是各個(gè)部分的對(duì)比選擇。 第 三 章是本 設(shè)計(jì) 的核心。在這里 給出了整體的硬件電路設(shè)計(jì)思路，并且對(duì)電路的各個(gè)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(duì) 整個(gè)設(shè)計(jì) 進(jìn)行總結(jié)， 而且 對(duì)以后的 設(shè)計(jì) 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(jì) 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(cè)試儀的設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，由光電傳感器采集 脈搏信號(hào)。經(jīng)過(guò)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(hào)。該脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)交由單片機(jī)進(jìn)行脈長(zhǎng)周期的計(jì)算。然后得到每分鐘的脈搏搏動(dòng)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(dòng)范圍 時(shí) ，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警 。 要求 (1)通過(guò)脈搏傳感器采樣脈搏信號(hào)，設(shè)計(jì)脈搏波檢測(cè)電路，通過(guò)譯碼管來(lái)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(cè)儀，要求實(shí)現(xiàn)脈搏波次數(shù)超出設(shè)定時(shí)限時(shí)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。 系統(tǒng) 的整體方案 本設(shè)計(jì)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(bào)警電路部分。 本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的便攜式脈搏測(cè)量?jī)x 將 利用脈搏檢測(cè)傳感器采集脈搏信號(hào)，再對(duì)其 進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)脈搏次數(shù)的目的 ，再通過(guò)報(bào)警電路可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。 本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 硬件框圖 如圖 所示 。 脈 搏 檢 測(cè) 傳 感 器 低 通 放 大 器 整 形 電 路單 片 機(jī)數(shù) 碼 顯 示 電 路 報(bào) 警 電 路 圖 硬件框圖 方案的對(duì)比和論證 脈搏 檢測(cè) 傳感器的選擇 傳感器又稱(chēng)為換能器、變換器等。脈搏傳感器是脈搏檢測(cè)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(jì) 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(diǎn)，采用光電效應(yīng)手指脈搏傳感器來(lái)拾取脈搏信號(hào)。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(shí)，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(cè)脈搏的光電傳感器 一般是 紅外對(duì)管。 紅外對(duì)管將對(duì)管夾于手指端部，通過(guò)手指的血液濃度會(huì)隨著心臟的跳動(dòng)發(fā)生變化，紅外對(duì)管對(duì)應(yīng)的信 號(hào)便會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，采集此信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，濾波，比較等處理便可以得到理想的信號(hào) 。 紅外對(duì)管 對(duì)脈搏的 檢測(cè)的基本原理：隨著心臟的搏動(dòng)，人體組織半透明度隨之改變。當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明度減小；當(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(jiǎn)單 等優(yōu)點(diǎn) 。 雖然 外部光源的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響較大 ，但我們進(jìn)行測(cè)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(guò)程中只要稍微注意下光源的問(wèn)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾。電極的好壞對(duì)采集到的心電信號(hào)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(diǎn)。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) 。 臨床上為了統(tǒng)一和便于比較所獲得的脈搏信號(hào) ， 在檢測(cè)脈搏信號(hào)時(shí) ， 對(duì)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(chǎng)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(jiǎn)單 ， 便于使用 。 當(dāng)手指前端受到輕微的壓力時(shí) ，可以感覺(jué)到手指前端在血壓的作用下有一張一弛的感覺(jué) ， 將這個(gè)信號(hào)用傳感器提取出來(lái) ， 轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)指脈的波形檢測(cè)，就可以獲得人體的脈搏信號(hào)。 壓電式傳感器有著 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，工作頻帶寬，應(yīng)用電路簡(jiǎn)單 等諸多優(yōu)點(diǎn) ， 并 且價(jià)格低廉。 但壓電式傳感器 直接與人體相接觸，容易因?yàn)槿梭w肌肉的顫動(dòng)等而產(chǎn)生干擾。 而肌肉的顫動(dòng)不是人能主動(dòng)控制的，所以說(shuō)這部分的誤差很黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 難控制。 并且 使用壓電式傳感器測(cè)脈搏還 容易受到外界其他信號(hào)的干擾。 集成傳感器 當(dāng)前 ， 市面上有很多類(lèi)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(guò)放大可以直接處理使用 。 缺點(diǎn)是價(jià)格非常昂貴 ， 一般均在五百元以上 ， 就本次設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，考慮到經(jīng)費(fèi)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(jì)要求以及經(jīng)費(fèi)的考慮 ，本設(shè)計(jì) 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(chǔ)器。使用 Atmel 公司的高密度非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器 和 128B 的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 ，器件采用 Atmel公司的高密度非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)單元 ， AT89C2051 在電子類(lèi)產(chǎn)品中有廣泛的應(yīng)用。 經(jīng)過(guò)比較，本設(shè)計(jì)采用 AT89S52 單片機(jī)。 顯示部分 的選擇 根據(jù)題目要求，設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)是可以設(shè)定報(bào)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(yùn)行情況，常常需要用顯示器顯示運(yùn)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(lèi)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(jiǎn)稱(chēng) LED 顯示器。 LED 顯示器具有耗電省、成本低廉、配置簡(jiǎn)單靈活、安裝方便、耐振動(dòng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 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(yáng)極兩種。七段 LED 數(shù)碼管顯示器有 8 個(gè)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(jì) 7 或字符， Dp 顯示小數(shù)點(diǎn)。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(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。共陽(yáng)極的 LED數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管的陽(yáng)極，通常接 +5V 電源，當(dāng)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。 通過(guò)比較，我們可以發(fā)現(xiàn) LED 動(dòng)態(tài)顯示更加適合本設(shè)計(jì)，所以就采用此方法。 設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的問(wèn)題 環(huán)境光對(duì)脈搏傳感器測(cè)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(hào)不僅包含脈搏信息的透射光的信號(hào)，而且包含測(cè)量環(huán)境下的背景光信號(hào)，由于動(dòng)脈波動(dòng)引起的光強(qiáng)變化比背景光的變化微弱得多，因此在測(cè)量過(guò)程當(dāng)中要保持測(cè)量背景光的恒定，減少 背景光的干擾。 測(cè)量環(huán)境下的背景光包含環(huán)境光和在測(cè)量過(guò)程中引起的二次反射光。為了減少環(huán)境光對(duì)脈搏信號(hào)測(cè)量的影響 ， 同時(shí)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(gè)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(cè)量過(guò)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(cè)量到的脈搏波形比較平滑。這是因?yàn)榧又柑资降拿}搏傳感器中環(huán)境光在測(cè)量過(guò)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(zhǎng)單一，所以得到的脈搏信號(hào)較為穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的重疊雜波信號(hào)，能夠很好的體現(xiàn)出脈搏波形的特征。 電磁干擾對(duì)脈搏傳感器的影響 通過(guò)光電轉(zhuǎn)換得到的包含脈搏信息的電信號(hào)一般比較微弱，容易受到外界電磁信號(hào)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(hào)的傳遞過(guò)程就很容易受到外界電磁干擾，通常在一級(jí)放大電路采用電磁屏蔽的方式來(lái)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(jí)放大電路，有效地抑制了外界電磁信號(hào)對(duì)原始脈搏信號(hào)的干擾。 工頻干擾是電 路中最常見(jiàn)的干擾，脈搏信號(hào)變化緩慢，特別容易受到工頻信號(hào)的干擾，因此對(duì)工頻信號(hào)干擾的抑制是保證脈搏信號(hào)測(cè)量精度的主要措施之一。通常脈搏信號(hào)的頻率范圍在 ?30Hz 之間，小于工頻 50Hz，因此通過(guò)低通濾波器可以有效濾除工頻干擾，這在信號(hào)調(diào)理電路中容易實(shí)現(xiàn)；同時(shí)可以在控制電路中對(duì)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(jì) 8 度上減小外界的電磁干擾，在脈搏信號(hào)數(shù)據(jù)采集后，可以通過(guò)數(shù)據(jù)處理法方法進(jìn)一步濾除工頻信號(hào)的干擾。 測(cè)量過(guò)程中運(yùn)動(dòng)噪聲的影響 測(cè)量過(guò)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(duì)的運(yùn)動(dòng)，這樣會(huì)使脈搏的測(cè)量產(chǎn)生誤差，可以通過(guò)兩個(gè)方面減少運(yùn)動(dòng)噪聲誤差：一是改善指套式傳感器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)性，比如說(shuō)使指套能夠更緊的套在手指上，不易松動(dòng)；二是從脈搏處理的角度，通過(guò)算法來(lái)減少誤差。對(duì)于本設(shè)計(jì)的傳感器的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，采用的是第一個(gè)途徑。 本章小結(jié) 本章主要介紹了常見(jiàn)的用于脈搏檢測(cè)的三種傳感器，并對(duì)這三種感器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)芯片的型號(hào)是 AT89S52，在本章主要介紹了它的一些特點(diǎn)。最后，給出了最終的設(shè)計(jì)方案和硬件框圖 。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì)分析 控