【正文】 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。 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。 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。 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。光電式脈搏測量儀的測量過程中，前端測量到的脈搏信號十分微弱，容易受到外界環(huán)境干擾，其中主要的干擾源有測量環(huán)境光干擾、電磁干擾、測量運動噪聲。 程序在執(zhí)行過程若發(fā)現(xiàn)有干擾則忽略該干擾而不顯示，進(jìn)一步減少讀入數(shù)據(jù) 的誤差。 圖 顯示程序流程圖 軟件說明 本程序采用 C語言，程序的可讀性非常好。從中斷程序中取得結(jié)果后，先顯示上次的脈搏次數(shù)，經(jīng)過 10ms的延時后再顯示測試中的脈搏次數(shù)，再經(jīng)過 10ms的延時顯示測試中的時間。流程如圖 。 22 圖 定時器中斷程序流程圖 INT 中斷程序流程： 外部中斷服務(wù)程序完成對外部信號的測量和計算。主要完成一分鐘的定時功能和保存測得的脈搏次數(shù)。當(dāng)定時器中斷開始執(zhí)行后，對一分鐘開始計時， 1s 計時到之后繼續(xù)檢測下 1s，直到60s 到了再停止并保存測得 的脈搏次數(shù)。流程如圖 。初始化程序主要完成對單片機內(nèi)專用寄存器、定時器工作方式及各端口的工作狀態(tài)的設(shè)定。 脈搏測量儀電路原理圖 圖 電路原理圖 第 4 章 軟件系統(tǒng) 21 主程序流程： 系統(tǒng)主程序控制單片機系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運行 , 它是單片機系統(tǒng)程序的框架。若顯示器的位數(shù)不大于 8 位，則顯示器的公共端只需一個 8 位 I/O 口進(jìn)行動態(tài)掃描（稱為掃描口），控制每位顯示器所顯示的字形也需一個 8 位口（稱為段碼輸出）。顯示器 的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。 20 動態(tài)顯示方式是指一位一位地輪流點亮每位顯示器（稱為掃描），即每個數(shù)碼管的位選被輪流選中，多個數(shù)碼管公用一組段選，段選數(shù)據(jù)僅對位選選中的數(shù)碼管有效。其不足之處是占用硬件資源較多，每個 LED 數(shù)碼管需要獨占 8 條輸出線。由于單片機本身提供的 I/O 口有限，實際使用中，通常通過擴(kuò)展 I/O 口的形式解決輸出口數(shù)量不足的問題 。 圖 4 位數(shù)碼管引腳分布圖 圖 4 位共陽極數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 LED 數(shù)碼管的顯示方法 靜態(tài)顯示方式是指當(dāng)顯示器顯示某一字符時，發(fā)光二極管的位選始終被選中。圖 中所示， 4 是位選端； a~g、 Dp 是字選端。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。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)字或字符， Dp 顯示小數(shù)點。 LED 的結(jié)構(gòu) LED 數(shù)碼管顯示器是由發(fā)光的二極管顯示字段組成的。 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。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， 都可以與微機配接。顯示電路如圖 。兩個 4位的共陽極 LED數(shù)碼管組成8位顯示，其中 0、 1兩位顯示測量中的時間， 4兩位顯示測量中的脈搏次數(shù)， 7兩位用來顯示上次測量的數(shù)據(jù)。 單片機對一分鐘內(nèi)的脈沖次數(shù)進(jìn)行累加，通過 P0、 P2 口把測量過程和結(jié)果送到數(shù)碼管顯示出來。 15 圖 波形整形電路 經(jīng)過比較器 U2C 的輸出波形： 圖 16 經(jīng)過微分器的輸出波形： 圖 單片機接收到的信號： 圖 17 單片機處理電路 如圖 所示， 本部分運用了 ATMEL 公司的 89C51 單片機作為核心元件，在這里運用單片機能更快更準(zhǔn)確地對數(shù)據(jù)進(jìn)行運算，而且可以根據(jù)實際情況進(jìn)行編程，所用外圍元件少，輕巧省電，故障率低。同時，該脈沖電平通過 R24 送到單片機 /INTO 腳，進(jìn)行對心 率的計算和顯示。這長的脈沖是與脈搏同步的，并由紅色發(fā)光二極管 DS3 的閃亮指示出來。 當(dāng)有輸入信號時， U2A 在比較器輸入信號的每個后沿到來時輸出高電平，使 C7通過 R32 充電。 圖 波形整形電路 波形整形電路如圖 所示， U2C 是一個電壓比較器， C1 R29 構(gòu)成一個微分器， U2A 和 C R32 組成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，其脈寬由 C R32 決定。 14 經(jīng)過低通放大后輸出的信號是疊加有噪聲的脈動正弦波。 R2 C6 組成低通濾波器以進(jìn)一步濾除殘留的干擾，截止頻率由 R2 C6 決定，運放 U2B 將信號放大，放大倍數(shù)由 R23 和 R27 的比值決定。 圖 圖 由于 LM324 四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用， 價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中 。兩個信號輸入端中， Vi（ ）為反相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相反； Vi+（ +）為同相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相同。 12 圖 信號采集電路 信號放大 放大器的介紹 LM324 是四運放集成電路，它采用 14 腳雙列直插塑料封裝 .它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。當(dāng)有跳動的脈搏時，血脈使手指透光性變差，紅外接收三極管中的暗電流減小，輸出 電壓上升。雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是由于紅外接收三極管中存在暗電流，會造成輸出電壓略低。當(dāng)手指離開傳感器或檢測到較強的干擾光線時，輸入端的直流電壓會出現(xiàn)很大變化，為了使它不致泄露到 U2B 輸入端而造成錯誤指示，用 CC9 串聯(lián)組成的雙極性耦合電容把它隔斷。R21 過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小，紅外接收三極管無法區(qū)別有 脈搏和無脈搏時的信號。 信號采集電路 圖 是脈搏信號的采集電路， U3 是紅外發(fā)射和接收裝置，由于紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強度就越大，所以對 R21 阻值的選取要求較高。由于手指動脈血在血液循環(huán)過程中呈 周期性的脈動變化，所以它對光的反射和衰減也是周期性脈動的 , 于是紅外接收三極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化。 圖 透射式光電傳感器 光電傳感器檢測原理 11 檢測原理是 : 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，組織的半透明度減小，當(dāng)血液流回心臟，組織半透明度則增大；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。因此 本系統(tǒng)采用了指套式的透 射型光電傳感器 , 實現(xiàn)了光電隔離 ,減少了對后級模擬電路的干擾。光電式脈搏傳感器按照光的接收方式可分為透射式和反射式 2種 [8]。在本設(shè)計中，紅外接收三極管和紅外發(fā)射二極管相對擺放以獲得最佳的指向特性。 采用 GaAs 紅外發(fā)光二極管作為光源時，可基本抑制由呼吸運動造成的脈搏波曲線的漂移。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的，那么在恒定波長的光源照射下，通過檢測透過手指的光強將可以間接測量到人體的脈搏信號。 脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生的，在 人體指尖組織中的動脈成分含量高，而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測到的光強相對較大，因此光電式脈搏傳感器的測量部位通常在人體指尖。 10 光電傳感器的原理 根據(jù)朗伯一比爾 (Lamber—Beer)定律，物質(zhì)在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比。近年來 , 光電檢測技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用 中發(fā)展很快 , 這主要是由于光能避開強烈的電磁干擾 , 具有很高的絕緣性 , 且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息 ,具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、精度高、可重復(fù)好等優(yōu)點 。 ． XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 EA ＝ 1，單片機訪問內(nèi)部程序存儲器。 PSEN：程序存儲允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng) AT89C51由外部 程序存儲器取指令 (或數(shù)據(jù) )時．每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。即使不訪問外部存儲器， ALE 仍以時鐘振器頻率的 1／ 6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。 RST：復(fù)位輸入。 ② 作為第二功能使用，每一位功能定義如表 所示。 P2 口： P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口， P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流 )4 個 TTL 邏輯門電路。作輸入口使用時，因內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電萌。Pl 口： P1是 —個帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I／ O口， P1的輸出緩沖級可驅(qū)動 (吸收或輸出電流 )4 個 TTL 邏輯門電路。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL邏輯門電路，對端口寫 “1”可作為高阻抗轉(zhuǎn)入端用。GND：接地 8 圖 AT89C51 的封裝形式 引腳功能： 低功耗空閑和掉電模式 AT89C51 的結(jié)構(gòu) 此次設(shè)計所使用的 AT89C51 的封裝形式是 DIP40。6 個中斷源 32 個可編程 I／ O 口線 三級加密程序存儲器 1000 次擦寫周期 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 AT89C51 簡介 AT89C5l 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器 (PEROM)和 128 bytes 的隨機存取 數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲單元，功能強大 AT89CSl 單片機可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 6. 測量的有效范圍為 50次 199次 /分鐘。 4. 穩(wěn)定性好、磨損小、壽命長、維修方便。 2. 傳感器可重復(fù)使用且速度快，精度高。單片機電路對輸入的脈沖信號進(jìn)行計算處理后把結(jié)果送到數(shù)碼管顯示。由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液飽和程度的變化將引起光的強度發(fā)生變化，因此和心跳的節(jié) 拍相對應(yīng)，紅外接收三極管的電流也跟著改變，這就導(dǎo)致紅外接收三極管輸出脈沖信號。 5 工作原理 本設(shè)計采用單片機 AT89C51為控制核心，實現(xiàn)脈搏測量儀的基本測量功能。 4．?dāng)?shù)碼顯示 即把單片機計算得出的結(jié)果用 8位 LED數(shù)碼管靜態(tài)掃描來顯示，便于直接準(zhǔn)確無誤 的讀出數(shù)據(jù)。 2．信號處理 即處理光電傳感器采集到的低頻信號的模擬電路 (包括放大、濾波、整形等 )。本系統(tǒng)的組成包括光電傳感器、信號處理、單片機電路、數(shù)碼顯示、電源等部分。在硬件設(shè)計中一般的物理信號就是電壓變化，有了這個系統(tǒng)的設(shè)計思路，本課題就此開始實施。但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號 , 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號 ,因此必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求。從脈搏波中提取人體的 心理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學(xué)界的 3 重視。通過光電式脈搏傳感器所研制的脈搏測量儀已經(jīng)應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)等各個方面并收到了理想效果。 其中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。過去在醫(yī)院臨床監(jiān)護(hù)和日常中老年保健中出現(xiàn)的日常監(jiān)護(hù)儀器，如便攜式電子血壓計，可以完成脈搏的測量 ,但是這種便攜式電子血壓計利用微型氣泵加壓橡膠氣囊，每次測量都需要一個加壓和減壓的過程，存在體積龐大、加減壓過程會有不適、脈搏檢測的精確度低等缺點。 指脈測量比較方便、簡單，但因為手指上的 汗腺較多，指夾常年使用，污染可能會使測量靈敏度下降：耳脈測量比較干凈，傳感器使用環(huán)境污染少，容易維護(hù)。 脈搏測量儀的發(fā)展與應(yīng)用 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量技術(shù)也越來越先進(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。脈象探頭式樣很多，有單部、三部、單點、多點、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 2 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，其中以單部單點應(yīng)變片式為最廣泛，不過近年來正在向三部多點式方向設(shè)計。 早在 1860年 Vierordt 創(chuàng)建了第一臺杠桿式脈搏描記儀，國內(nèi) 20世紀(jì) 50年代初朱顏將脈搏儀引用到中醫(yī)脈診的客觀化研究方面。為了節(jié)省時間，一般不會作 1 分鐘的測量，通常是測量 10 秒鐘時間內(nèi)心跳的數(shù)，再把結(jié)果乘以 6 即得到每分鐘的心跳數(shù)，即使這樣做還是比較費時，而且精度也不高。為了將傳統(tǒng)的中醫(yī)藥學(xué)發(fā)揚 光大，促進(jìn)脈診的應(yīng)用和發(fā)展，