【正文】 .............................................................. 24 電磁干擾對(duì)脈搏傳感器的影響 .................................................................. 24 測(cè)量過(guò)程中運(yùn)動(dòng)噪聲的影響 ..................................................................... 25 測(cè)量?jī)x使用方法 ............................................................................................. 25 第 六章 系統(tǒng)調(diào)試 32 附 錄 B 38 I 基于單片機(jī)的脈搏測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì) 摘要 ： 脈搏測(cè)量?jī)x在我們的日常生活中已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用。系統(tǒng)以 AT89S52單片機(jī)為核心，以紅外發(fā)光二極管和光敏三極管為傳感器，并利用單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部定時(shí)器來(lái)計(jì)算時(shí)間，由光敏三極管 感應(yīng)產(chǎn)生脈沖，單片機(jī)通過(guò)對(duì)脈沖累加得到脈搏跳動(dòng)次數(shù)，時(shí)間由定時(shí)器定時(shí)而得。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)工作正常，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 MSC。起初用于體育測(cè)量的脈搏測(cè)試集中在對(duì)接觸式傳感器的研究，利用此類(lèi)傳感器所研制的指 脈、耳脈等測(cè)量?jī)x各有其優(yōu)缺點(diǎn)。但因耳脈較弱，尤其是當(dāng)季節(jié)變化時(shí)，所測(cè)信號(hào)受環(huán)境溫度影響明顯，造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確 [3]。 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)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)損傷、精度高、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。 2 第一章 概述 選題的背景和意義 論得到不斷的發(fā)展和提高。脈診是我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中最具特色的一項(xiàng)診斷方法，其歷史悠久，內(nèi)容豐富，是中醫(yī)“整體觀(guān)念”、“辨證論證”的基本精神的體現(xiàn)與應(yīng)用。但由于中醫(yī)是靠手 指獲取脈搏信息，雖然脈診具有簡(jiǎn)便、無(wú)創(chuàng)、無(wú)痛的特點(diǎn)易為患者接受，然而在長(zhǎng)期的醫(yī)療實(shí)踐中也暴露出一些缺陷。脈診的這種定性化和主觀(guān)性，大大影響了其精度與可行性，成為中醫(yī)脈診應(yīng)用、發(fā)展和交流中的制約因素。 醫(yī)院的護(hù)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(dòng)脈上，根據(jù)脈搏的跳動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)。為了提高脈搏測(cè)量的精確與速度，多種脈搏測(cè)量?jī)x被運(yùn)用到醫(yī)學(xué)上來(lái)，從而開(kāi)辟了一條全新的醫(yī)學(xué)診斷方法。此后隨著機(jī)械及電子 技術(shù)的發(fā)展，國(guó)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(guó)內(nèi)天津、上海、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。 目前脈搏測(cè)量?jī)x在多個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，除了應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如無(wú)創(chuàng)心血管功能檢測(cè)、妊高癥檢測(cè)、中醫(yī)脈象、脈率檢測(cè)等等，商業(yè)應(yīng)用也不斷拓展，如運(yùn)動(dòng)、健身器材中的心率測(cè)試都用到了技術(shù)先進(jìn)的脈搏測(cè)量?jī)x。起初用于體育測(cè)量的脈搏測(cè)試集中在對(duì)接觸式傳感器的研究，利用此類(lèi)傳感器所研制的指脈、耳脈等測(cè)量?jī)x各有其優(yōu)缺點(diǎn)。但因耳脈較弱，尤其是當(dāng)季節(jié)變化時(shí)，所測(cè)信號(hào)受環(huán)境溫度影響明顯，造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確 [3]。 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)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)損傷、精度高、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。 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，是血流壓力以波的形式從主動(dòng)脈根部開(kāi)始沿著整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)傳播，這種波成為脈搏波 [4]。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài) (波形 )、強(qiáng)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 4 征 ,因此對(duì)脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景 [5]。 5 第二章 脈搏測(cè)量?jī)x系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 脈搏測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)，必須是通過(guò)采集人體脈搏變化引起的一些生物信號(hào)，然后把生物信號(hào)轉(zhuǎn)化 為物理信號(hào)，使得這些變化的物理信號(hào)能夠表達(dá)人體的脈搏變化，最后要得出每分鐘的脈搏次數(shù)。 光電脈搏測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu) 光電脈搏測(cè)量?jī)x是利用光電傳感器作為變換原件，把采集到的用于檢測(cè)脈搏跳動(dòng)的紅外光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，用電子儀表進(jìn)行測(cè)量和顯示的裝置。 1．光電傳感器 即將非電量 (紅外光 )轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它由紅外發(fā)射二極管和接收三極管組成，它可以將接收到的 紅外光按一定的函數(shù)關(guān)系 (通常是線(xiàn)性關(guān)系 )轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的物理量 (如電壓、電流或頻率等 )輸出。 3. 單片機(jī)電路 即利用單片機(jī)自身的定時(shí)中斷計(jì)數(shù)功能對(duì)輸入的脈沖電平進(jìn)行運(yùn)算得出心率（包括 AT89S5外部晶振、外部中斷等）。 5. 電源 即向光電傳感器、信號(hào)處理、單片機(jī)提供的電源，可以是 5V的直流的穩(wěn)壓電源。脈搏測(cè)量?jī)x硬件框圖如下圖 所示： 6 圖 脈搏測(cè)量?jī)x的工作原理 當(dāng)手指放在紅外線(xiàn)發(fā)射二極管和接收三極管中間，隨著心臟的跳動(dòng)，血管中血液的流量將發(fā)生變換。該信號(hào)經(jīng)放大、濾波、整形后輸出，輸出的脈沖信號(hào)作為單片機(jī)的 外部中斷信號(hào)。 光電脈搏測(cè)量?jī)x的特點(diǎn) 與傳統(tǒng)的脈搏測(cè)量?jī)x相比，光電式脈搏測(cè)量?jī)x具有以下特點(diǎn)： 1. 測(cè)量的探測(cè)部分不侵入機(jī)體，不造成機(jī)體創(chuàng)傷，通常在體外。 3. 測(cè)試的適用電壓為 5V直流電壓。 5. 由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此體積小、重量輕、性?xún)r(jià)比優(yōu)越。 外部中斷信號(hào) 光電傳感器 放大器 比較器 單片機(jī) AT89S52 液晶顯示電路 外部晶振 7 第三章 硬件系統(tǒng) 控制器 本系統(tǒng)基于 51 系列單片 機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橄到y(tǒng)沒(méi)有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們最終選擇了 AT89S52 通用的比較普通單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 AT89S52 的特點(diǎn) 4k 字節(jié)可重擦寫(xiě) Flash 閃速存儲(chǔ)器 全靜態(tài)操作： OHz24MHz 128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM 2 個(gè) 16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器 可編程串行 UART 通道 如圖 所示。Vcc：電源電壓 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開(kāi)路型雙向 I／ 0 口，也即地址／數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用口。 對(duì)端口寫(xiě) “1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。 對(duì)端口寫(xiě) “1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。P3口： ：①可以作為輸入 /輸出口，外接輸入 /輸出設(shè)備。 9 表 P3 口的第二功能 端口引腳 第二功能 RXD(串行輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) INTO(外中斷 0) INT1(外中斷 1) TO(定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0) T1(定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1) WR(外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器 寫(xiě)選通 ) RD(外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器 讀選 通 ) 當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG：當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE(地址鎖存允許 )輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。 在此期間，當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器，這兩次有效的 PSEN 信號(hào)不出現(xiàn)。EA／ VPP： EA ＝ 0，單片機(jī)只訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。 ． XTALI：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 10 電源 電路 電源電路如圖 所示。晶振的頻率可在~12MHZ 之間任選，電容 C7 和 C10 的典型值在 20pf~100pf 之間選擇，由于本系統(tǒng)用到定時(shí)器，為了方便計(jì)算，采用了 12M 的晶振，采用電容選擇 30pf，時(shí)鐘電路如圖 所示。復(fù)位電路如圖 所示。近年來(lái) , 光電檢測(cè)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(kāi)強(qiáng)烈的電磁干擾 , 具有很高的絕緣性 , 且可非侵入地檢測(cè)病人各種癥狀信息 ,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)損傷、精度高、可重復(fù)好等優(yōu)點(diǎn) [6]。 光電傳感器的原理 根據(jù)朗伯 比爾 (LamberBeer)定律， 物質(zhì)在一定波長(zhǎng)處的吸光度和他的濃度成正比。 脈搏主要由人體動(dòng)脈舒張和收縮產(chǎn)生的 ，在人體指尖組織中的動(dòng)脈成分含量高，而且指尖厚度相對(duì)其他人體組織而言比較薄，透過(guò)手指后檢測(cè)到的光強(qiáng)相對(duì)較大，因此光電式脈搏傳感器的測(cè)量部位通常在人體指尖。因此可以認(rèn)為光透過(guò)手指后的變化僅由動(dòng)脈血的充盈而引起的，那么在恒定波長(zhǎng)的光源照射下，通過(guò)檢測(cè)透過(guò)手指的光強(qiáng)將可以間接測(cè)量到人體的脈搏信號(hào) [7]。采用 GaAs 紅外發(fā)光二極管作為光源時(shí)，可基本抑制由呼吸運(yùn)動(dòng)造成的脈搏波曲線(xiàn)的漂移。在本設(shè)計(jì)中，紅外接收三極管和紅外發(fā)射二極管相對(duì)擺放以獲得最佳的指向特性。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]。因此本系統(tǒng)采用了 指套式的透射型光電傳感器 , 實(shí)現(xiàn)了光電隔離 ,減少了對(duì)后級(jí)模擬電路的干擾。 圖 透射式光電傳感器 光電傳感器檢測(cè)原理 檢測(cè)原理是 : 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 [5]。由于手指動(dòng)脈血在血 液循環(huán)過(guò)程中呈周期性的脈動(dòng)變化，所以它對(duì)光的反射和衰減也是周期性脈動(dòng)的 , 于是紅外接收三極管輸出信號(hào)的變化也就反映了動(dòng)脈血的脈動(dòng)變化。 信號(hào)采集電路 圖 是脈搏信號(hào)的采集電路， L2， L3 分別是紅外發(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(qiáng)度就越大，所以對(duì)R6 阻值的選取要求較高。 R6 過(guò)大，通過(guò)紅外發(fā)射二極管的電流偏小， 紅外接收三極管無(wú)法區(qū)別有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)的信號(hào)。當(dāng)手指離開(kāi)傳感器或檢測(cè)到較強(qiáng)的干擾光線(xiàn)時(shí)，輸入端的直流電壓會(huì)出現(xiàn)很大變化，為了使它不致泄露到U2B 輸入端而造成錯(cuò)誤指示，用 C2 耦合電容把它隔斷 [10]。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(huì)造成輸出電壓略低。當(dāng)有跳動(dòng)的脈搏時(shí)，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。 14 圖 信號(hào)采集電路 信號(hào)放大 由于人體的脈搏通常為 50~200 次 /分鐘，對(duì) 應(yīng)的頻率范圍在 ~之間，因此經(jīng)紅外檢測(cè)采集到并轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)頻率就非常低。而且脈搏儀所使用的地點(diǎn)不能保證是陰暗的室內(nèi)，所以要考慮到強(qiáng)光對(duì)其測(cè)量的干擾。 信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊會(huì)使用到 LM358 運(yùn)算放大器。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。 ——177。 RW C2， C3,C4 組成低通濾波器以進(jìn)一步濾除殘留的干擾，截止頻率由 R C2， C3,C4 決定，運(yùn)放 U2A 將信號(hào)放大，放大倍數(shù)由 R4 和 RW1的比值 決定。波形如圖 所示。電路如圖所示： 圖 波形整形電 經(jīng)過(guò)比較器 U3B 的輸出波形如圖 所示。 來(lái)自傳感和整形輸出電路 的脈沖電平輸入單片機(jī) AT89S52 的 /INTO 腳，單片機(jī)設(shè)為負(fù)跳變中斷觸發(fā)模式，對(duì)脈沖進(jìn)行技術(shù)，然后 P0 口控制液晶顯示 圖 單片機(jī)處理電路 顯示電路 1602 字符型液晶顯示模塊是工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示 16x02 即 32 個(gè)字符，專(zhuān)門(mén)用于顯示字母、數(shù)