【正文】 掃描顯示：所謂動(dòng)態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點(diǎn)亮顯示器各個(gè)位（掃描），對(duì)于顯示器的每一位來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管 它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí)，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機(jī)中 CPU 的開銷小，較小的電流能得到較高的亮度且字符不閃爍。它具有： 電參數(shù) (VDD= 10%,VSS=0V,Ta=25 ) 顯示內(nèi)容： 16 字符 x 2 行 字符點(diǎn)陣： 5 x 8 點(diǎn) 驅(qū)動(dòng)方式： 1/16D 可供型號(hào)： TN STN(黃綠?；夷：诎啄?) 反射型帶 EL 或 LCD 背光源 LCD 常用顯示方法有兩種：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。本 設(shè)計(jì)中，顯示位數(shù)較多。 人體脈搏信號(hào)從時(shí)域上看，是一個(gè)周期性較強(qiáng)的準(zhǔn)周期信號(hào)。 顯示電路方案的選擇 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。 （ 2）中斷方式： CPU 無需檢測外設(shè)是否數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，不占據(jù) CPU 時(shí)間，因此CPU 與外設(shè)并行工作，提高了 CPU 的工作效率，還滿足了外設(shè)的實(shí)時(shí)要求。 單片機(jī)工作方式的選擇 單片機(jī)數(shù)據(jù)傳送方式 [19]一般有以下幾種： （ 1）查詢方式：由于 CPU 與外設(shè)之間存在時(shí)序、速度等差異，在數(shù)據(jù)傳送前必須檢測接口狀態(tài)，探查外設(shè)是否數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。 人體脈搏波動(dòng)頻率一般為 60～ 80 次 /min，其頻率成分主要分布在 0～ 20Hz 之間，屬于次聲，最高頻率不超過 40Hz，一般情況下為 1Hz 左右，屬于低頻信號(hào)。 （ 3）頻率測量法：適用于高頻信號(hào)。 （ 2）多周期同步法：適用于中頻信號(hào)。采用單片機(jī)內(nèi)的一個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器，以單片機(jī)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器周期作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào) Ts。對(duì)于不同的頻率范圍，有三種不同的測量方法。 圖 信號(hào)調(diào)理單元框圖 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案 脈搏波動(dòng)頻率測量方案的選擇 脈沖信號(hào)的頻率是指在單位時(shí)間內(nèi)由信號(hào)所產(chǎn)生的交變次數(shù)或脈沖個(gè)數(shù)，即/fx N t? 。此外，為了濾去高頻信號(hào)和市電的干擾，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器。肌電干擾可能會(huì)導(dǎo)致放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)偏移，甚至使放大器達(dá)到飽和，所以第一級(jí)放大 器的放大倍數(shù)不能太高。 信號(hào)調(diào)理電路的選擇 信號(hào)調(diào)理電路包括對(duì)信號(hào)的放大和濾波兩個(gè)部分 [17][18]。 在 51 系列單片機(jī)中， AT89 系列單片機(jī)是美國 ATMEL 公司推出的一種新型高性能低價(jià)位、低電壓低功耗的 8 位 CMOS 微型計(jì)算機(jī)。 本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)只需要對(duì)脈搏信號(hào)的波動(dòng)頻率進(jìn)行測量、計(jì)算和顯示，對(duì)單片機(jī)的要求不是很高。通用型，有總線擴(kuò)展，有較強(qiáng)的位處理功能，有全雙工異步串行通信口。 51 單片機(jī)是 INTEL 公司生產(chǎn)的。目前很多公司都有 51 系列的兼容機(jī)型推出，在目前乃至今后很長的一段時(shí)間內(nèi)將占有大量市場。 （ 3） 51 單片機(jī) 51 單片機(jī)是對(duì)目前所有兼容 Intel 8031 指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。高性能價(jià)格比： μ’nSPTM家族片內(nèi)帶有高尋址能力的 ROM，靜態(tài) RAM 和多功能的 I/O 口，另外μ’nSPTM的指令系統(tǒng)提供出具有較高運(yùn)算速度的 16 位， 16 位的乘法運(yùn)算指令和內(nèi)積運(yùn)算指令，為其應(yīng)用添加了 DSP 功能，使得 μ’nSPTM家族運(yùn)用在復(fù)雜 的數(shù)字信號(hào)處理方面既很便利又比專用的 DSP 芯片廉價(jià)。具有較強(qiáng)的中斷處理能力?！痭SP 家族把各功能把各功能部 件模塊化地集成在一個(gè)芯片里。amp。micro。以及 第 9 頁 共 40 頁 這種結(jié)構(gòu)可大可小可有可無，借助這種通用結(jié)構(gòu)附加可選結(jié)構(gòu)的積木式的構(gòu)成，便可成為各種系列的派生產(chǎn)品，以適合不同場合，這樣做無疑會(huì)使每種派生產(chǎn)品具有更強(qiáng)的功能和更低的成本?！痭SP 內(nèi)核是一個(gè)通用的和結(jié)構(gòu)。amp。micro。’nSP 家族。’nSP 所形成的 16位 u’nSP 系列單片機(jī)，以下簡稱 amp?！痭SP 。 （ 2）凌陽單片機(jī) 凌陽是臺(tái)灣凌陽公司推出的單片機(jī)，具有高速度、低價(jià)、可靠、實(shí)用、體積小、功耗低和簡單易學(xué)等特點(diǎn)， 它的 CPU 內(nèi)核采用凌陽推出的 Microcontroller and Signal Processor 16 位微機(jī)處理器芯片，以下簡稱 amp。其特點(diǎn)是 高速度 (50ns)、低功耗 ,硬件應(yīng) 用 Harward 結(jié)構(gòu)，具有預(yù)取指令功能，使得指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行，而 MSC51 要 12 個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令。 1997 年 ,由 ATMEL 公司 挪威 設(shè)計(jì)中心的 A 先生與 V先生利用 ATMEL 公司的 Flash 新技術(shù) , 共同研發(fā)出 RISC 精簡指令集的高速 8 位單片機(jī)，簡稱 AVR。以單 片機(jī)作為信息處理中心，通過對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，完成信號(hào)輸入檢測、信息分析處理及信息顯示。由本次試驗(yàn)，可以得知壓電陶瓷片可以實(shí)現(xiàn)我們所要達(dá)到的目標(biāo)。 使用實(shí)驗(yàn)室 砝碼來測試，其結(jié)果如下表表 21 所示。在使用時(shí)， 壓電陶瓷片要通過導(dǎo)線與電路板連接 ,注意在焊接壓電陶瓷片時(shí) ,時(shí)間不能太長以免燙壞壓電陶瓷片的鍍銀層 。壓電片包括三個(gè)部分，鍍銀層，壓電陶瓷，以及銅片。該傳感器價(jià)格較低，而且輸出電壓變化較為明顯，可以 實(shí)現(xiàn)我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 缺點(diǎn) :降低了本任務(wù)的難度 ,如果采用該傳感器，只需將其直接接上單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)功能，且價(jià)格非常昂貴。并且容易受到外界其他信號(hào)的干擾。 （ 2）壓電式： 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)時(shí)性好，工作頻帶寬，應(yīng)用電路簡單，且價(jià)格低廉。 三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較 （ 1）光電式： 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，易于操作 ,響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單。 （ 3）集成傳感器 當(dāng)前 ,市面上有很多類型的集成心電傳感器 [11],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?，F(xiàn)在市場上的心率計(jì)普遍采用這種傳感器來采集信號(hào)，因?yàn)榇思t外管接收和發(fā)射都在手指的同一側(cè)，因此便不用考慮每個(gè)人手指情況不同所造成的麻煩。將對(duì)管夾于手指端部，通過手指的血液濃度會(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)過放大，濾波，比較等處理便可以得到理想的信號(hào)。常用檢測脈搏的光電傳感器 [10]分為紅外對(duì)管和紅外放射管。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。當(dāng)手指前端受到輕微的壓力時(shí)，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(gè)信號(hào)用傳感器提取出來，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過指脈的波形檢測，就可以獲得人體的脈搏信號(hào)。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。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)。 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)（分）發(fā)生 器 計(jì)數(shù)器 放大整形 脈搏檢 測 人體 譯碼器 LCD 顯示 （ 3 位） 信號(hào)調(diào)理 脈搏檢測 人體 單片機(jī)電路 顯示 第 6 頁 共 40 頁 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案 傳感器的選擇 （ 1）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。但是功能有限，靈活度較低，也不能很好的實(shí)現(xiàn)鍛煉自己的目的。 圖 單片機(jī)脈搏測量儀框圖 通過比較以上兩種方案。通過信號(hào)調(diào) 理電路，將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后利用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)脈搏測量功能。 方案一：使用純硬件電路來實(shí)現(xiàn)。 第 5 頁 共 40 頁 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 脈搏測量儀要實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏信號(hào)的檢測，并且能夠?qū)γ}搏信號(hào)進(jìn)行處理，并進(jìn)而求得脈搏數(shù)來顯示。 這兩種方案比較起來，第一種更直觀，所需的電路結(jié)構(gòu)更簡單些；第二種方案的測量誤差比較小，但實(shí)現(xiàn)起來電路要復(fù)雜些。 脈搏測量儀的上述功能要求，可采用兩個(gè)不同的方案來實(shí)現(xiàn)： （ 1）把轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的脈搏信號(hào)，在單位時(shí)間內(nèi)（一分鐘或半分鐘）進(jìn)行計(jì)數(shù)，并用數(shù)字顯示其計(jì)數(shù)值，從而直接得到每分鐘的脈搏數(shù)。 總之，脈搏測量儀的核心是要對(duì)低頻信號(hào)在固定的短時(shí)間計(jì)數(shù)，最后以數(shù)字形式顯示出來。 （ 2）對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)要進(jìn)行放大和整形處理，以保證其它電路能正常加工和處理。所以放大器應(yīng)選用低漂移，高輸入阻抗并且具有高共模抑制比的集成運(yùn)放電路。另外， 溫度變化會(huì)造成零點(diǎn)漂移，漂移現(xiàn)象限制了放大器的輸入范圍，使得 第 4 頁 共 40 頁 微弱的緩變信號(hào)無法被放大。脈搏信號(hào)放大器運(yùn)行過程中的噪聲主要表現(xiàn)為電子線路的固有熱噪聲和散粒噪聲，這些都屬于白噪聲，其幅值為正態(tài)分布?；€漂移的頻率是從 ～ 。 （ 3） 由于呼 吸引起的基線漂移和 ECG 幅度變化 呼吸引起的基線漂移可以看成是一個(gè)以呼吸的頻率加入 ECG 信號(hào)的竇性成分（正弦曲線），這個(gè)正弦成分的幅度和頻率是變化的。選擇放大器時(shí)需要從增益、頻率響應(yīng)，輸入阻抗，共模抑制比，噪聲，漂移等幾個(gè)方面加以綜合考慮 [6]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量儀必然可以實(shí)現(xiàn)更多的功能。數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)用將使干擾更小，測量更為準(zhǔn)確。 (2) 數(shù)字化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用。 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(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 第 3 頁 共 40 頁 引入的誤差較 大。 表 11 脈象儀的研制情況 研制者 探頭形式（單部） 探頭形勢（三部） 北京醫(yī)療器械廠 MX1 型（應(yīng)變片） BYS14 型（應(yīng)變片） 上海醫(yī)療儀器研究所 MX3 型， MX 型（ 7 點(diǎn)式） 3MX1 型（應(yīng)變片） 天津醫(yī)療儀器研究所 MTYA（寸部 7 點(diǎn)，應(yīng)變片） 上海中醫(yī)學(xué)院 ZM1 型（子母式，應(yīng)變片） 九路型（徑向 7 點(diǎn)，軸向 3組） 貴州省脈象協(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。此后隨著機(jī)械及電子技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外在研制中醫(yī)脈象儀方面進(jìn)展很快，尤其是 70 年代中期，國內(nèi)天津、上海、貴州、江西等地相繼成立了跨學(xué)科的脈象研究協(xié)作組，多學(xué)科共同合作促使中醫(yī)脈象研究工作進(jìn)入了一個(gè)新的境界。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。 本設(shè)計(jì)所使用的系統(tǒng)利用壓電陶瓷片將脈博轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后利用AT89S51 單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)采集和處理，在短時(shí)間內(nèi)，測量出人體一分鐘的脈搏數(shù)，并將心率進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，便于攜帶。 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。 [2]近年來出現(xiàn)的日常監(jiān)護(hù)儀器，如便攜式電子血壓計(jì)，可以完成脈搏的測量。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)。人體內(nèi)各器官的健康狀態(tài)、病變等信息將以某種方式顯現(xiàn)在脈搏中即在脈象中。 LCD。 關(guān)鍵字 ： 脈搏測量；壓電陶瓷片；液晶顯示屏；單片機(jī) 第 2 頁 共 2 頁 THE DESIGN OF HUMAN PLUSE DETECTION SYSTEM BASED ON MCU ABSTRACT The shape, intensity, speed, and rhythm of pulse signals mostly reflect the physical and pathological characters of heartblood system in human bodies. This topic is a design of body pulse measuring instrument. Because of the specificity of the pulse signal, the design must pay attention to