【正文】 醫(yī)院的護士每天都要給住院的病人把脈記錄病人每分鐘脈搏數(shù)，方法是用手按在病人腕部的動脈上，根據(jù)脈搏的跳動進行計數(shù)。為了提高脈搏測量的精確與速度，多種脈搏測量儀被運用到醫(yī)學上來，從而開辟了一條全新的醫(yī)學診斷方法 [4]。此后隨著機械及電子技術的發(fā)展，國內(nèi)外在研制中醫(yī)脈象儀方面進展很快，尤其是 70年代中期，國內(nèi)天津、上海、江西等地相繼成立了跨學科的脈象研究協(xié)作組， 多學科共同合作促使中醫(yī)脈象研究工作進入了一個新的境界 [5]。 目前脈搏測量儀在多個領域被廣泛應用，除了應用于醫(yī)學領域，如無創(chuàng)心血管功能檢測、妊 高癥檢測、中醫(yī)脈象、脈率檢測等等，商業(yè)應用也不斷拓展，如運動、健身器材中的心率測試都用到了技術先進的脈搏測量儀 [7]。起初 用于體育測量的脈搏測試 集中在對接觸式傳感器的研究，利用此類傳感器所研制的指脈、耳脈等測量儀各有其優(yōu)缺點。但因耳脈較弱，尤其是當季節(jié)變化時，所測信號受環(huán)境溫度影響明顯，造成測量結(jié)果不準確 [8]。 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體 ，不造成機體創(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) [10]。具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、精度高、可重復使用等優(yōu)點。 人體心室周期性的收縮和舒張導致主動脈的收縮和舒張，是血流壓力以波的形式從主動脈根部開始沿著整個動脈系統(tǒng)傳播，這種波成為脈搏波 [12]。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài) (波形 )、強度 (波幅 )、速率 (波速 )和節(jié)律 (周期 )等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征 ,因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學價值和應用前景 [13]。 本文的研究內(nèi)容 本系統(tǒng)研發(fā)主要包括了系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件。軟件的設計主要包括主程序 ，脈沖檢測記數(shù) 與顯示 。本系統(tǒng)的組成包括脈搏 傳感器、信號處理、單片機電路、數(shù)碼顯示、電源等部分。 2．信號處理 即處理 脈搏 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 )。 4．數(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，便于直接準確無誤的讀出數(shù)據(jù)。 脈搏監(jiān)測系統(tǒng)工作原理 隨著電子測量技術的迅速發(fā)展，現(xiàn)代電子測量儀器以極快的速度向數(shù)字化、自動化的方向發(fā)展。而其中關鍵是對脈搏傳感器的研究。 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。過去 在醫(yī)院臨床監(jiān)護和日常中老年保健中出現(xiàn)的日常監(jiān)護儀器，如便攜式電子血壓計，可以完成脈搏的測量 ,中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 5頁 共 46頁 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。 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，進行分析后才能確認結(jié)果，浪費大量的人力，且由人為引入的誤差較大。 （ 2） 數(shù)字化技術等先進技術的應用。數(shù)字信號處理的運用將使干擾更小，測量更為準確。隨著電子技術的發(fā)展，脈搏測量儀必然可以實現(xiàn)更多的功能。 通過脈搏傳感器采集脈搏信號， 由脈搏信號（非電量）變成微弱的電信號，經(jīng)過放大電路、濾波電路和整形電路后，變成脈沖輸入單片機計數(shù)，算出脈率 并輸出到數(shù)碼管顯示。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。當選用電極傳感器時 ,需要 3個電極分別置于左右手和左腿 ,構(gòu)成標準導聯(lián)。 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。 （ 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，采用光電效應手指脈搏傳感器來拾取脈搏信號。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，并由此產(chǎn)生的光電流均隨之作相應變化。 采用紅外對管。 采用反射式的紅外管。 接收的是血液漫反射回來的光，此信號可以精確地測得血管內(nèi)容積變化。缺點是價格非常昂貴，一般均在五百元以上 。 檢測距離長，對檢測物體的限制少，響應時間短，可實現(xiàn)非接觸的檢測，可實現(xiàn)顏色判價格便宜，使用壽命長 。 缺點：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。 （ 3）集成式 : 優(yōu)點 :集成度高 ,包含了濾波 ,放大電路 ,可以直接輸出信號 ,便于操作 ,有效的減少了各種干擾。 考慮到種種情況，結(jié)合本系統(tǒng)的設計要求以及經(jīng)費的考慮，最終選擇 光電式 傳感器。 單片機的選擇 本設計作為一個簡單脈搏測量儀，最后需給出脈搏波動頻率。 （ 1） AVR 單片機 AVR 單片機是 ATMEL 公司生產(chǎn)的單片機。相對于出現(xiàn)較早也較為成熟的 51系列單片機， AVR 系列單片機片內(nèi)資源更為豐富，接口也更為強大，同時由于其價格低等優(yōu)勢，在很多場合可以替代 51系列單片機。AVR單片機如 LPC2131 等。micro。圍繞 micro。micro。采用的是模塊式集成結(jié)構(gòu)，它以 amp?！痭SP 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部件。micro。除此之外的其它功能模塊均為可選結(jié)構(gòu)。 amp?！痭SP 家族有有以下特點：體積小 ，集成度高，可靠性好易于擴展。micro。內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，因為減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)易于系列的擴展，以適應不同用戶的需求。μ’nSPTM 家族的中斷系統(tǒng)支持 10 個中斷向量及 10 余個中斷源，適合實時應用領域。 如 SPCE061 等。該系列單片機的始祖是 Intel 的 8031 單片機，后來隨著 Flash rom 技術的發(fā)展， 8031 單片機取得了長足的進展，成為目前應 用最廣泛的 8 位單片機之一，其代表型號是 ATMEL 公司 的 AT89系列，它廣泛應用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。 51單片機是基礎入門的一個單片機，還是應用最廣泛的一種。它具有結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，易于開發(fā)的特點。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。而對 51單片機，本人比較熟悉，所以，本設計中選擇 51 單片機作為信息處理中心。 AT89S51 就是其中一款，它可以完全滿足本設計的設計要求，而且， AT89S51 的價格較低。由于傳感器輸出的電壓比較小，在幾毫伏左右，且頻率較低，需要低噪聲，低漂移，高輸入阻抗的放大器，所以選擇使用儀表放大器。因此還需要另一個放大器。 系統(tǒng)軟件設計方案 脈搏波動頻率測量方案的選擇 脈沖信號的頻率是指在單位時間內(nèi)由信號所產(chǎn)生的交變次數(shù)或脈沖個數(shù)，即/fx N t? 。對于不同的頻率范圍，有三種不同的測量方法。采用單片機內(nèi)的一個定時 /計數(shù)器，以單片機內(nèi)的標準機器周期作為標準時基信號 Ts。 （ 2）多周期同步法：適用于中頻信號。 （ 3）頻率測量法：適用于高頻信號。 人體脈搏波動頻率一般為 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。 單片機工作方式的選擇 單片機數(shù)據(jù)傳送方式一般有以下幾種： （ 1）查詢方式：由于 CPU 與外設之間存在時序、速度等差異，在數(shù)據(jù)傳送前必須檢測接口狀態(tài)，探查外設是否數(shù)據(jù)準備就緒。 （ 2）中斷方式： CPU 無需檢測外設是否數(shù)據(jù)準備就緒，不占據(jù) CPU 時間，因此 CPU與外設并行工作，提高了 CPU 的工作效率，還滿足了外設的實時要求。 顯示電路方案選擇 脈搏信號經(jīng)過單片機處理，得到脈搏波動頻率之后，需要在顯示電路中直觀地顯示出來。 人體脈搏信號從時域上看，是一個周期性較強的準周期信號。本設計中，顯示位數(shù)較多。它具有： 電參數(shù) (VDD= 10%,VSS=0V,Ta=25 ) 顯示內(nèi)容： 16 字符 x 2 行 字符點陣： 5 x 8 點 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 12頁 共 46頁 驅(qū)動方式： 1/16D 可供型號： TN STN(黃綠?；夷：诎?模 ) 反射型帶 EL或 LCD 背光源 LCD 常用顯示方法有兩種：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。這樣單片機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，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機中 CPU 的開銷小，較小的電流能得到較高的亮度且字符不閃爍。 （ 2）動態(tài)掃描顯示：所謂動態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點亮顯示器各個位（掃描），對于顯示器的每一位來說，每隔一段時間點亮一次。當顯示位數(shù)較多時，用靜態(tài)顯示所需的 I/O太多，一般采用動態(tài)顯示的方法。 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 13頁 共 46頁 4 基本 元器件介紹 AT89C51 介紹 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、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 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用場合，可靈活應用于各種控制領域。和 MCS51產(chǎn)品的兼容 耐久性： 1,000 寫／擦除周期 全靜態(tài)操作： 0Hz～ 24MHz 128 8 位內(nèi)部 RAM 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 可編程串行 UART 通道 片內(nèi)模擬比較器 如圖 所示。通過在單塊芯片上組合通用的 CPL1 和閃速存儲器 ,ATMEL AT89C2051 是一強勁的微型計算機 ,它對許多嵌入式控制應用提供一高度靈活和成本低的解決辦法。 圖 AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 15頁 共 46頁 AT89C51 的引腳說明 AT89C2051是一個有 20個引腳的芯片 ,與 8051內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行對比可發(fā)現(xiàn) ,AT89C2051減少了兩個對外端口（即 P0、 P2 口） ,使它最大可能地減少了對外引腳 ,因而芯片尺寸有所減少。 2. GND：地?？谝_ ～ 提供內(nèi)部上拉電阻。 和 還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入(AIN0)和反相輸入（ AIN1)。當 P1 口引腳寫入“ 1”時 ,其可用作輸入端。 P1 口還在閃速編程和程序校驗期間接收代碼數(shù)據(jù)。 用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號并且它作為一通用 I/O 引腳而不可訪問。當 P3 口引腳寫入“ 1”時 ,它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。 P3 口還用于實現(xiàn) AT89C2051 的各種功能 ,如下表 101所示。 5. RST：復位輸入。當振蕩器正在運行時 ,持續(xù)給出 RST 引腳兩個機器周期的高電平便可完成復位。 6. XTAL1：作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入。 端口引腳 功能 RXD(串行輸入端口 ) TXD(串行輸出端口 ) 中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 16頁 共 46頁 INT0(外中斷 0) INT1(外中斷 1) TO(定時器 0外部輸入 ) T1(定時器 1外部輸入 ) 表 P3口的功能 從上述引腳說明可看出， AT89C2051 沒有提供外部擴展存儲器與 I/O 設備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號 ,因此利用 AT89C2051 構(gòu)成的單片機應用系統(tǒng)不能在 AT89C2051 之外擴展存儲器或 I/O 設備，也即 AT89C2051 本身即構(gòu)成了最小單片機系統(tǒng)。經(jīng)計算得單片機工作胡機器周期為： 12（ 1247。 圖 復位電路圖 C30 .4 7 u fR11kG NDV C CSs w P B中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 17頁 共 46頁 光電傳感器簡介 光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此 ,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。 光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用。 在此次設計中我們采用的是光電傳感器中最常見普遍的光敏二極管做 紅外接收二極管和光面三極管做紅外發(fā)送三極管。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只圖 振蕩電路圖 C13 0 p FC23 0 p FX T A LX T A L21X L A L 1X T A L 2中 北大學 2021 屆本科畢業(yè)設計說明書 第 18頁 共 46頁 是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積， PN結(jié)的面積做得較大，光敏二