電子與通信工程學(xué)院201408403117韋彩蓮_基于labVIEW的脈搏檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)_甘永進(jìn) (2)

1、玉林師范學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)基于LabVIEW的脈搏檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)Design of pulse rate detection system based on LabVIEW院 系電子與通信工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器班 級(jí)測(cè)控2014班姓 名韋彩蓮學(xué) 號(hào)201408403117指導(dǎo)教師單位電子與通信工程學(xué)院指導(dǎo)教師姓名甘永進(jìn)指導(dǎo)教師職稱(chēng)助教基于LabVIEW的脈搏檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)控技術(shù)與儀器 測(cè)控2014班 韋彩蓮指導(dǎo)教師 甘永進(jìn)摘要本課題以STC15單片機(jī)作為控制系統(tǒng)核心的心率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)語(yǔ)病，先采用紅外對(duì)管采集脈搏的信號(hào)，然后將LM328當(dāng)做運(yùn)放設(shè)計(jì)？ 調(diào)理電路而處理所采集的信號(hào)，在其處理之后

2、，將其送至單片機(jī)實(shí)施A/D采樣與算法處理，其后在液晶屏上顯示出脈率與脈搏波形。此外，應(yīng)用LabVIEW進(jìn)行上位機(jī)的設(shè)計(jì)而取得和MCU之間的通信。語(yǔ)病基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體脈搏的測(cè)量，以及對(duì)脈搏波形的實(shí)時(shí)監(jiān)控。此次脈率測(cè)量的設(shè)計(jì)方式較為簡(jiǎn)捷，并且具有精準(zhǔn)的測(cè)試結(jié)果與整齊大方的顯示界面，因此其發(fā)展前景是光明的。關(guān)鍵詞：脈搏檢測(cè)系統(tǒng)，STC15W408AS，紅外光電傳感器，串口，LabVIEWDesign of pulse rate detection systemBased on LabVIEWMeasurement and Control Technology and Instrument,Measu

3、ring 2014 class Wei Cai LianSupervisor GanYong-jing？AbstractThis topic to STC15 single-chip microcomputer as core control system of the heart rate meter design, by using infrared tube to pulse signal, the amplification filter circuit for filter and amplification processing, the pulse signals using L

4、M328 as op-amp design control circuit to realize the collection of signal processing, the processing of signal into the MCU A/D sampling and processing algorithm, the final realization of pulse waveform on the LCD panel and pulse frequency display. In addition, LabVIEW is used to design the upper ma

5、chine to communicate with MCU. The measurement of human pulse and the real-time monitoring of pulse waveform are realized. The design measuring pulse rate method is simple, the test result is accurate, the display interface is friendly, has the relatively good development prospect.Keywords:Pulse det

6、ection system, STC15W408AS,infrared emission receiving sensor, serial port, LabVIEW玉林師范學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)目錄1 引言11.1 脈搏的研究背景11.2 選題意義12 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案12.1 設(shè)計(jì)要求12.2 單片機(jī)選擇22.3 傳感器的選擇22.4 上位機(jī)顯示的選擇43 硬件電路設(shè)計(jì)43.1 系統(tǒng)總框架43.2 STC15W408AS單片機(jī)電路53.3單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊63.3.1 電源電路63.3.2復(fù)位電路73.4 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)73.5 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)83.5.1低通濾波放大電路83.5.2 電壓比較

7、器93.6 液晶顯示模塊113.7 USB串口通信模塊124 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)124.1測(cè)量計(jì)算原理124.2主程序流程介紹124.3顯示程序流程134.4 ADC 采用程序流程介紹144.5 LabVIEW上位機(jī)程序設(shè)計(jì)154.5.1 LabVTEW串口通信配置164.5.2 LabVIEW 脈搏波形顯示以及脈率計(jì)算175 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析195.1測(cè)試方法和儀器196 誤差分析與修正22總結(jié)23致謝24參考文獻(xiàn)25附錄26附錄A硬件原理圖26附錄B PCB圖27C 硬件外觀圖28附錄D LabVIEW程序及前面板：29附錄F 部分程序30目錄很亂，有些地方有空格有些沒(méi)有1 引言1.1 脈搏的

8、研究背景每分鐘脈搏跳動(dòng)次數(shù)這一物理量在生產(chǎn)加工，人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面都是一個(gè)最基本也是非常重要的一個(gè)物理量，在很多應(yīng)用條件下，需要對(duì)脈搏跳動(dòng)這個(gè)量進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控。近幾年來(lái)，伴隨現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)現(xiàn)代設(shè)備的精度的要求也越來(lái)越高，信息技術(shù)領(lǐng)域的前沿尖端技術(shù)包括了傳感器技術(shù)，通訊技術(shù)、以及計(jì)算機(jī)技術(shù)。在了解人體脈搏跳動(dòng)的狀況之后，便能夠推斷出心臟的狀況，進(jìn)而了解到我們身體的健康水平。但是，對(duì)于診斷看病來(lái)講，此項(xiàng)工作存在著一定的難度，因此掌握診脈方式是相對(duì)困難的。1.2 選題意義由心臟搏動(dòng)而引起的脈搏,格式我們可以根據(jù)這個(gè)線索去找反映身體的重要標(biāo)志。針對(duì)脈搏的跳動(dòng),我們都知道在中醫(yī)上有一種非

9、常重要的診斷方式，那就是診脈。中醫(yī)的醫(yī)生一直是用手來(lái)號(hào)脈,進(jìn)而得到脈搏的信息。通過(guò)手號(hào)脈是一種很難掌握的技巧,因此人們十分的迫切有一種儀器可以快速準(zhǔn)確的得到脈搏跳動(dòng)的次數(shù)這個(gè)信息。作為工業(yè)管制系統(tǒng)中必不可少的組成部分，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，是進(jìn)行工業(yè)分析，進(jìn)行工業(yè)處理以及控制的根據(jù)。將單片機(jī)采集到的脈搏每分鐘跳動(dòng)次數(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)窗口傳輸給上位機(jī)，達(dá)到了進(jìn)行了實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，以保證平常醫(yī)療安全檢測(cè)。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1 設(shè)計(jì)要求(1)運(yùn)用光電傳感器原理采集到人體的指尖輸出的脈搏信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換、MCU處理及設(shè)計(jì)的算法得到脈率；(2)通過(guò)上位機(jī)(LabVIEW)及液晶屏實(shí)時(shí)顯示波形及脈率值，實(shí)現(xiàn)人體脈率的

10、現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；(3)所采集的波形具有噪聲低以及完整干凈的特征；(4)應(yīng)當(dāng)將測(cè)量結(jié)果的誤差范圍控制在6%以下；(5)上位機(jī)的富有人性化，以方便專(zhuān)業(yè)人士進(jìn)行分析以及觀察；(6)價(jià)格合理，性價(jià)比較高。2.2 單片機(jī)選擇方案一：利用STC15W408AS單片機(jī)完成對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行控制。方案二：利用單片機(jī)STC89C51作為控制部分。方案論證：對(duì)于方案一所運(yùn)用到的單片機(jī)來(lái)講，其是由STC公司所制造的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T)單片機(jī)，其具有抗干擾能力超強(qiáng)、功耗低、可靠性高、以及高速等特點(diǎn)，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換。方案二中STC89C51單片機(jī)雖然簡(jiǎn)單易懂，但功耗相對(duì)較大，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾时容^低，要實(shí)現(xiàn)較

11、復(fù)雜的控制功能還存在一定的難度。綜合以上所述，本設(shè)計(jì)采用方案一，用STC15W408AS作為芯片控制部分。對(duì)于系統(tǒng)所采用的STC15W408AS來(lái)講口語(yǔ)化，其是由STC公司所制造的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)單片機(jī)，其具有抗干擾能力超強(qiáng)、功耗低、以及高速等特征，其指令代碼與傳統(tǒng)的8051完全兼容。MAX810存在著數(shù)量眾多的內(nèi)部集成專(zhuān)用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換。此外，STC15W408AS還帶有豐富多樣以及功能靈活齊全的片內(nèi)外設(shè)，為用戶提供了豐富的選擇空間，同時(shí)，也為設(shè)計(jì)人員們的設(shè)計(jì)、創(chuàng)新、以及創(chuàng)造提供了更大的空間。2.3 傳感器的選擇對(duì)于脈搏跳動(dòng)的測(cè)量來(lái)講，口語(yǔ)化主要存在著

12、兩種傳統(tǒng)的測(cè)量方式：其一，利用壓力傳感器測(cè)量血液中壓力的變化進(jìn)而計(jì)算出脈搏的跳動(dòng)；其二，光電容積法。目前，由于第二種方式測(cè)量的準(zhǔn)確性以及便利性，是應(yīng)用最為普遍的監(jiān)測(cè)測(cè)量方案之一。光電容積法的基本理論是，由于血管正常的搏動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致人體組織不同的透光率，就是利用這種不同，來(lái)達(dá)到測(cè)量的目的。光源與光電變化器這兩個(gè)部分組成了這種傳感器，一般貼著人的耳垂或是手指。光源所運(yùn)用到的發(fā)光二極管的波長(zhǎng)范圍在五百納米至七百納米之間，該波長(zhǎng)范圍的光，對(duì)動(dòng)脈中氧和血紅蛋白具有選擇吸收的特性。當(dāng)一束光照射人體表皮血管時(shí)，由于動(dòng)脈的搏動(dòng)會(huì)改變血液容積的變化，這種變化會(huì)造成此束光的透光率產(chǎn)生一定的變化。光線經(jīng)由人體組織反

13、射之后被光電變換器所接收，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后再將這個(gè)電信號(hào)輸出。由于心臟是周期性搏動(dòng)的，動(dòng)脈中的血管容積也會(huì)跟著周期性變化。因此，有光電變化得到的電信號(hào)也會(huì)跟著周期性變化。它們的變化基本上都可以看成是同步的。這樣通過(guò)電信號(hào)周期性的變化，我們就可以得到脈搏跳動(dòng)的信息，進(jìn)而的到心？率這一指標(biāo)?，F(xiàn)如今，我國(guó)市場(chǎng)上主要有兩種常用的光電容積脈搏探測(cè)器：其一，反射式光電容積探測(cè)器；其二，透射式光電容積探測(cè)器。圖2.1為其結(jié)構(gòu)。圖 2.1 反射式與透射式對(duì)比Fig 2.1 Comparison of reflection and transmission（1）對(duì)于反射式來(lái)講，其是通過(guò)組織以及血液所反射的

14、光強(qiáng)來(lái)對(duì)人體脈搏的信號(hào)進(jìn)行間接性地測(cè)量，其具有更廣范圍的探測(cè)。然而，它所提取到的脈搏信號(hào)要弱于透射式，對(duì)于調(diào)理電路存在著更高的要求。（2）對(duì)于透射式來(lái)講，其是專(zhuān)門(mén)為身體某些較為薄弱的部位而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，例如：耳朵或手指，由探測(cè)器一側(cè)所發(fā)射的近紅外光可以將組織以及血液穿透，而被另一側(cè)的光電探測(cè)器接收到，那么便可以將脈搏的信號(hào)再次顯現(xiàn)出來(lái)。由上述克制？，透射式紅外光電傳感器能很好地與本設(shè)計(jì)契合，故將其運(yùn)用到本設(shè)計(jì)當(dāng)中。當(dāng)手指?jìng)?cè)方在紅外對(duì)管中間的時(shí)候，由于心臟跳動(dòng)，使得血管中血流量發(fā)生了一定的改變，紅外發(fā)光二極管所發(fā)出的紅外線對(duì)手指進(jìn)行照射，通過(guò)手指中非血液組織的反射以及衰減，然后經(jīng)由對(duì)面紅外接收二極

15、管來(lái)進(jìn)行其透射光的接受，然后將所透射的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成為脈沖，從而將其擴(kuò)大、濾波之后傳至單片機(jī)外部計(jì)數(shù)口，其后由單片機(jī)計(jì)算以及處理所輸進(jìn)的信號(hào)脈沖，那么就能夠?qū)γ}搏次數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)地測(cè)算，圖2.2圖的名字是個(gè)截圖？是其工作流程圖。2.4 上位機(jī)顯示的選擇上位機(jī)和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)是通過(guò)串口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)自帶串口，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常方便。在本設(shè)計(jì)中，通信協(xié)議采用自定義的。上位機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案有很多種，目前主流的面向?qū)ο缶幊誊浖蠽isual Basic .NET、C#、Java、LabVIEW等。在本次設(shè)計(jì)中，LabVIEW是上位機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案。對(duì)于編程軟件LabVIEW來(lái)講，其是一種由NI公司所研制的虛擬儀器。借助于

16、此軟件便能夠采集數(shù)據(jù)、控制儀器、分析數(shù)據(jù)、以及表達(dá)數(shù)據(jù)。其便于使用者建立適合自身所需的儀器系統(tǒng)。比較于傳統(tǒng)儀器，其具有多變性、以及靈活性的特點(diǎn)，擁有非常廣闊的發(fā)展空間。與傳統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)方式相比較，LabVIEW存在著諸多無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于開(kāi)發(fā)者來(lái)講，僅需要連接起邏輯框就能夠形成程序。LabVIEW在進(jìn)行圖形編程時(shí)，其表現(xiàn)出了簡(jiǎn)便清晰的特點(diǎn)，并且也存在著數(shù)量眾多相對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，并且也進(jìn)行了眾多表達(dá)模塊以及分析模塊的配置。3 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)總框架此次設(shè)計(jì)以STC15W408AS單片機(jī)為處理控制核心，通過(guò)51單片機(jī)的ADC功能，本設(shè)計(jì)主要包括了STC15最小系統(tǒng)、LCD12864顯示模

17、塊、信號(hào)采集電路、放大電路、比較電路、以及液晶顯示電路。與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了將脈搏傳感器采集上來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃abVIEW上位機(jī)上，顯示被測(cè)者心率值以及波形。系統(tǒng)的總框架如圖3.1所示。圖3.1 系統(tǒng)總框架雙向箭頭和單向箭頭怎么用？Fig 3.1 Overall framework of the system3.2 STC15W408AS字體單片機(jī)電路 （1）STC15W408AS單片機(jī)引腳分布如圖3.2所示。圖3.2 STC15W408AS引腳圖Fig 3.2 STC15W408AS pin drawing（2）下面將對(duì)STC15W408AS芯片部分引腳的功能及特性進(jìn)行說(shuō)明：1）

18、RST：表示異步復(fù)位引腳。當(dāng)RST為低電平狀態(tài)時(shí)，MCU為復(fù)位狀態(tài)，重設(shè)內(nèi)部寄存器，及片內(nèi)SRAM；當(dāng)RST從低電平變?yōu)楦唠娖降臅r(shí)候，PC指針從0地址開(kāi)始。STM15中的RST具有施密特功能，在輸入電壓不達(dá)1.9V時(shí)芯片會(huì)自動(dòng)復(fù)位。2）SCK、SDA、RS、CS:連接對(duì)應(yīng)的液晶顯示屏的接口，SCK是I2C的時(shí)鐘控制線，SDA是I2C的數(shù)據(jù)傳輸線,RS為RD是讀數(shù)據(jù)的控制信號(hào)。3）P1.0/ADC0：ADC的輸入通道在由調(diào)理電路擴(kuò)大之后的脈搏信號(hào)，其峰值大約是0.5V，而對(duì)于STC15W408AS系列單片機(jī)來(lái)講，在其片內(nèi)集成有12位轉(zhuǎn)換精度的ADC模塊，其分辨率最小是，可以適應(yīng)于精度所需，其采樣

19、頻率高至200ksps,但是信號(hào)頻率僅為010赫茲，因此，采樣頻率也同要求相一致。此外，運(yùn)用片內(nèi)集成的ADC12也能夠促使開(kāi)發(fā)成本得以降低以及系統(tǒng)穩(wěn)定性得以提升。4）P3.3/INT1:外部中斷1，不僅能夠下降沿中斷，同時(shí)能夠上升沿中斷，假使INT1管腳只是下降沿中斷。假使INT1在清0之后，INT1管腳不僅支持上升沿支持下降沿中斷。作為輸出信號(hào)接口。5）TXD和RXD：分別為串口發(fā)送和接受引腳。3.3單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊對(duì)于單片機(jī)最小系統(tǒng)來(lái)講，其指的是單片機(jī)最小的應(yīng)用系統(tǒng)，通過(guò)最少的元器件而構(gòu)成的單片機(jī)正常運(yùn)作的系統(tǒng)，由復(fù)位電路、電源電路、以及單片機(jī)所構(gòu)成。3.3.1 電源電路本設(shè)計(jì)需要5V電

20、源供電，調(diào)理電路中的LM324、LCD顯示、單片機(jī)供電以及紅外發(fā)射傳感器都需5V電源供電。因?yàn)殡娫醇y波會(huì)極易干擾到微弱的脈搏信號(hào)，因此為確保采集到的脈搏信號(hào)較為干凈，那么設(shè)計(jì)電源同樣十分關(guān)鍵。此處所選取的電壓轉(zhuǎn)換器具有低功耗的特點(diǎn)，它的輸出電流能夠達(dá)到800毫安。此芯片應(yīng)用在電池供電場(chǎng)合是十分適合的。此外，穩(wěn)壓芯片的兩側(cè)均增加了一個(gè)100NF的極性電容，其目的是將電源中的低頻信號(hào)過(guò)濾掉，同時(shí)增加了一個(gè)10uF的非極性電容，其目的是將電路中的高頻信號(hào)過(guò)濾掉。在某種程度上，此設(shè)計(jì)可以降低電源紋波所產(chǎn)生的干擾，有效地保障了可靠脈搏信號(hào)的提取。如圖3.3所示。圖3.3 電源電路Fig 3.3 Powe

21、r circuit3.3.2復(fù)位電路對(duì)于單片機(jī)復(fù)位來(lái)講，其指的是把所有系統(tǒng)進(jìn)行初始化，以利于系統(tǒng)可以返回至原始的狀態(tài)而再次進(jìn)行運(yùn)行。復(fù)位條件是：輸進(jìn)連續(xù)2個(gè)周期以上的高電平在RST引腳，其后復(fù)位操作由單片機(jī)開(kāi)始實(shí)施。圖3.4為此次所設(shè)計(jì)的復(fù)位電路原理圖。3.4 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)圖3.5為信號(hào)采集電路圖。D1是紅外發(fā)射二極管,D2是紅外接收二極管，紅外傳感器由D1以及D2所構(gòu)成。VCC是電源輸入。在人體手指插到紅外對(duì)管中間且心臟收縮的時(shí)候，也就是脈搏跳的瞬間。指尖的血液流過(guò)的時(shí)候，紅外光的透過(guò)率下降，經(jīng)過(guò)R3的電流低；在心臟處于舒張狀態(tài)時(shí)，人體血液開(kāi)始回流，也就是脈搏不跳的瞬間，指尖所含有的血液

22、較少，具有較高的透過(guò)率，經(jīng)過(guò)R3的電流便會(huì)增大。3.5 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)3.5.1低通濾波放大電路對(duì)于傳感器所直接采集的脈搏信號(hào)來(lái)講，其是十分微弱的，因此不可以讓單片機(jī)對(duì)其實(shí)施直接的分析。其必須要先將信號(hào)擴(kuò)大以及濾波，將信號(hào)擴(kuò)大至V的數(shù)量級(jí)。由于脈搏信號(hào)具有相對(duì)較低的頻率，因此，此處信號(hào)的處理選擇了低通濾波電路。如圖3.6所示，此電路是同相比例運(yùn)算電路以及RC濾波電路兩者所組成，電解電容C4是用來(lái)隔直流，C4和R4構(gòu)成RC濾波。信號(hào)輸入時(shí)要經(jīng)過(guò)R4和C4共用組成低通濾波電路，目的是將輸入的信號(hào)進(jìn)行頻率截止和清除干擾，以提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度。而LM358的作用就是將濾波后得到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，

23、以便于被單片機(jī)采集到，放大倍數(shù)則按照單片機(jī)采集信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)R5和R6的阻值比例來(lái)調(diào)整。能夠借助于電位器的調(diào)節(jié)來(lái)進(jìn)行電壓放大倍數(shù)的變化，最小的電壓放大倍數(shù)是： （3.1）截止頻率是： （3.2）假如以每秒200次的心率進(jìn)行計(jì)算，那么其頻率大約是3.33赫茲，因此濾波的特性還是相對(duì)較好的。圖3.6 信號(hào)放大電路Fig 3.6 Signal amplifier circuit3.5.2 電壓比較器？信號(hào)在經(jīng)濾波以及擴(kuò)大之后，其依舊是模擬信號(hào)，目前要將此信號(hào)送至電壓比較器，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為低電平或是高電平狀態(tài)的數(shù)字信號(hào)。圖3.7為電壓比較器。此為單限比較器，同相輸入端射極跟隨器正向輸入是接上圖的一級(jí)

24、放的輸出的，因此此處稱(chēng)之為二級(jí)。三級(jí)即為比較器可以將整形之后的脈搏方波輸出，將一LED燈連接在輸出處，此時(shí)人體脈搏的跳動(dòng)便能夠直觀地顯示出來(lái)，當(dāng)高電平來(lái)一次，那么燈便亮一次。3.5.3 運(yùn)算放大器LM358在處理信號(hào)時(shí)所運(yùn)用到的運(yùn)放為L(zhǎng)M358.LM358 ，其具有2個(gè)內(nèi)部頻率補(bǔ)償、高增益、獨(dú)立的雙運(yùn)放。其不僅能夠工作于單電源模式下，雙電源工作模式同樣適用。下圖3.8是LM358引腳圖。兩個(gè)運(yùn)放的信號(hào)輸出端口依次是OUT1以及OUT2；GND接地，VCC接電源電壓；IN1（+）為兩個(gè)運(yùn)放的同相輸入端，IN2（-）為兩個(gè)運(yùn)放反相輸出端。當(dāng)輸入1（+）大于輸入1（-），輸入2（+）大于2（-）是，

25、輸入1和輸出2輸出高電平；當(dāng)輸入1（+）小于輸入1（-），輸入2（+）小于2（-）是，輸入1和輸出2輸出低電平；圖3.8 LM358的引腳結(jié)構(gòu)Fig 3.8 LM358 pin structure？圖亂跑3.6 液晶顯示模塊在數(shù)字信號(hào)被ADC轉(zhuǎn)換之后，則需在液晶屏予以顯示，因?yàn)樾鑼⒚}搏波形顯示出來(lái)，因此應(yīng)當(dāng)選取一種具有較高分辨率的液晶屏，此外，為了使液晶屏便于攜帶，那么其要具備體積小以及功耗低的特點(diǎn)。綜合考慮了之后，便選取了LCD12864顯示屏。對(duì)于液晶顯示屏來(lái)講，其使用引腳僅為12個(gè)，但是在去掉背光引腳以及電源引腳后，僅需5個(gè)引腳與單片機(jī)的I/O口相連接，因此十分便利。以更好地促使單片機(jī)靈

26、活地控制液晶屏的背光與電源光，此處選取除GND之外其它5個(gè)引腳均受單片機(jī)I/O口的控制。依次連接至P1.3到P1.7七個(gè)I/O口中。具體引腳如圖3.10所示：圖3.10 LCD1602顯示模塊原理圖Fig 3.9 LCD1602 display module schematic diagram3.7 US字體B串口通信模塊在此次的設(shè)計(jì)中，應(yīng)用了USB串口來(lái)實(shí)現(xiàn)LabVIEW上位機(jī)與單片機(jī)之間的通信，在傳輸?shù)倪^(guò)程中，USB所運(yùn)用的為差分信號(hào)。對(duì)于單片機(jī)串口來(lái)講，其能夠?qū)崿F(xiàn)TTL，卻只能間接地應(yīng)用在USB通信中，此外USB協(xié)議十分復(fù)雜，通過(guò)單片機(jī)難以實(shí)現(xiàn)。因此，我們能夠把單片機(jī)串口所輸出的電平借助

27、于CH340G轉(zhuǎn)接芯片而轉(zhuǎn)變?yōu)樯衔粰C(jī)USB接口能夠辨認(rèn)的差分信號(hào)以及USB通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)后，便能夠把相關(guān)的數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)。在運(yùn)用此項(xiàng)目之后，可以明顯地感受到其所具有的各種優(yōu)點(diǎn)，那么對(duì)于應(yīng)用上位機(jī)的有關(guān)儀器設(shè)備具有重要的參考價(jià)值。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1測(cè)量計(jì)算原理在單片機(jī)中，主要運(yùn)用測(cè)量的計(jì)算，這個(gè)測(cè)量的原理是，在t秒時(shí)間內(nèi)，有連續(xù)的K個(gè)脈搏跳動(dòng)，則在t時(shí)間內(nèi)，脈搏跳動(dòng)頻率的平均值n（次/min）為：n=60K/t (4-1)我們通過(guò)使用脈動(dòng)信號(hào)去控制單片機(jī)上的定時(shí)器T0，中斷計(jì)數(shù)使用的是工作寄存器，假定該值為N，于是得到：t=0.001N (4-2)由前面兩個(gè)式子可以得到：n=60K/t=60K

28、/0.001n=60000K/N (4-3)字體上式的數(shù)據(jù)模型，就是使用單片機(jī)計(jì)算脈動(dòng)跳動(dòng)頻率的公式原型。4.2 主程序流程介紹 一般來(lái)說(shuō)，程序的設(shè)計(jì)方式大多都是采用模塊化模式。將一個(gè)完整的程序設(shè)計(jì)成幾個(gè)相互獨(dú)立的模塊，每個(gè)模塊間互不影響。這樣不僅可以讓模塊的功能更為完整，而且還可以明確設(shè)計(jì)思路，增強(qiáng)程序的可讀性。同時(shí)也方便整個(gè)程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試，方便管理。圖4.1為主程序流程設(shè)計(jì)圖。圖4.1 主程序設(shè)計(jì)Fig 4.1 Main program design4.3 顯示程序流程顯示程序的功能主要是將AD轉(zhuǎn)化后的波形以及單片機(jī)計(jì)算得到的心率在顯示器上進(jìn)行顯示。如圖，在整個(gè)設(shè)計(jì)中，最為關(guān)鍵的是10毫

29、秒定時(shí)設(shè)計(jì)，是脈搏采樣2次的基本條件。本設(shè)計(jì)中，10毫秒定時(shí)是通過(guò)T1定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每10毫秒等待定時(shí)的檢測(cè)時(shí)間t是用XinTiao_Jishu表示，那么就可以由公式n=6000/t來(lái)獲得每分鐘脈搏次數(shù)，本設(shè)計(jì)的2次脈搏采樣即顯示脈搏次數(shù)，因此當(dāng)M為2 的時(shí)候，t為T(mén)O計(jì)數(shù)器記錄的兩個(gè)脈搏時(shí)間，將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制運(yùn)算，在液晶顯示器上顯示出來(lái)。圖4.2 顯示程序流程Fig 4.2 Display program flow4.4 ADC 采用程序流程介紹（1） ADC 初始化。1）P1端口設(shè)置成ADC功能2）ADC存放的10bit數(shù)字信號(hào)，清零3）禁止ADC中斷（2）ADC 轉(zhuǎn)換1）ADC上

30、電，確定轉(zhuǎn)換速率和通道，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換2）延時(shí)3）等待轉(zhuǎn)換完畢，否則一直等待4）清標(biāo)志位（3）讀取10bit的轉(zhuǎn)換值。4.5 LabVIEW上位機(jī)程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)通過(guò)RS232串口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與中下位機(jī)的通訊。通過(guò)串口協(xié)議，單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，前提為設(shè)置好串口的波特率以及工作方式，本系統(tǒng)串口的工作方式選用1，設(shè)定波特率為9600bps。當(dāng)定時(shí)器1運(yùn)行到8的位置時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟重載模式，此刻的波特率為9600bps。下位機(jī)主程序如圖4.3所示。圖4.3 上位機(jī)程序的流程框圖Figure 4.3 flow block diagram for LabVIEW program4.5.1 LaBVTEW串口通信

31、配置本系統(tǒng)采用RS232串口實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的通訊，將下位機(jī)的定時(shí)器波特率設(shè)定為9600bps。LabVIEW提供VISA(virtual instrument software architecture)驅(qū)動(dòng)和函數(shù)接口，可以方便的實(shí)現(xiàn)串口儀器設(shè)備的控制。我們將VXI plug&play聯(lián)盟制定的I/O軟件規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)之為VISA，其內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)庫(kù)，可以用于儀器的編程，由于其獨(dú)立于硬件設(shè)備、操作系統(tǒng)、總線和編程環(huán)境，使開(kāi)發(fā)人員可以用同一API（application programming interface）控制GPIB、串口、USB、以太網(wǎng)、PXI或VXI儀器。在VIS

32、A基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)串口的通訊，其流程包括：先對(duì)串口采用VISA ConfigureSerial Port VI進(jìn)行配置，采用VISA Resource Name來(lái)配置串口號(hào)，Baud rate Data Bits來(lái)配置波特率、Parity來(lái)配置數(shù)位以及奇偶校驗(yàn)位。再通過(guò)VISA Write VI在While循環(huán)的串口中輸入數(shù)據(jù)，通過(guò)VISA Read VI來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。最后對(duì)VISA串口資源調(diào)用VISA Close VI來(lái)完成釋放。下圖4.4為VISA串口的配置函數(shù)。圖 4.4 VISA串口配置Figure 4.4 VISA serial port configuration為

33、了保持與單片機(jī)串口協(xié)議的同步性，這里仍然需要設(shè)定波特率為9600bps，同樣將數(shù)據(jù)比特選定在8位，并將流控制以及奇偶校驗(yàn)缺省。讀取VISA緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)使用如圖4.5所示的函數(shù)，進(jìn)行VISA讀取的時(shí)候，要將單次讀取的字節(jié)數(shù)量提前設(shè)定好，因?yàn)榇趩未伟l(fā)送數(shù)據(jù)為5，因此需要在此設(shè)定為5位。讀取得到的數(shù)據(jù)是字符串的類(lèi)型，還需要轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)字的數(shù)據(jù)類(lèi)型。圖4.5 VISA串口讀取Figure 4.5 Read by VISA serial port4.5.2 LabVIEW 脈搏波形顯示以及脈率計(jì)算為了實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)交互，將脈搏電壓可視化地顯示成時(shí)域波形，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的脈率，方便了解這一重要生理參數(shù)。如

34、圖4.6所示，VISA串口配置初始化之后，進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的讀取，獲取單片機(jī)端采集到的脈搏電壓隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。在VISA讀取之前增加屬性節(jié)點(diǎn)以查詢VISA的I/O緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)（字節(jié)數(shù)），可以方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理。當(dāng)字節(jié)數(shù)為零或者讀取字符串為空時(shí)不執(zhí)行數(shù)據(jù)處理，否則將接收到的十六進(jìn)制字符串轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)用波形圖顯示出來(lái)（如圖4.7所示）；另一方面也直接顯示接收到的十六進(jìn)制字符串。對(duì)于脈率（通常情況下等于心率）計(jì)算，有兩種方式：其一是下位機(jī)直接計(jì)算好后將脈率值插入脈搏電壓數(shù)據(jù)中，并加上特定標(biāo)識(shí)符，以一定頻率發(fā)送至上位機(jī)，后者直接讀??；其二是通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行計(jì)算。這里采用第二種方法。如圖4.8所示，

35、VISA串口每次讀取到一定字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)，經(jīng)由循環(huán)結(jié)構(gòu)與移位寄存器轉(zhuǎn)換成數(shù)組，再通過(guò)LabVIEW的峰值檢測(cè)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)峰值個(gè)數(shù)的檢測(cè)。為摒除脈搏電壓中各種小起伏的干擾，應(yīng)該設(shè)定合適的峰值檢測(cè)閾值，經(jīng)調(diào)試采用該段數(shù)據(jù)（確保數(shù)據(jù)長(zhǎng)度足夠，至少能包含一個(gè)脈博峰）中最大值的90%作為閾值。由此獲得的峰值個(gè)數(shù)再比上該數(shù)據(jù)段對(duì)應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度，即獲得脈率。圖4.6 脈搏數(shù)據(jù)讀取和顯示的程序框圖Figure 4.6 block diagram for reading and display of the pulse data圖4.7 脈搏數(shù)據(jù)讀取和顯示的前面板Figure 4.7 front panel for

36、 reading and display of the pulse data圖4.8 脈率計(jì)算的程序框圖Figure 4.8 block diagram for calculation of the pulse rate5 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析5.1測(cè)試方法和儀器（1）示波器觀察脈搏波形并分析調(diào)試調(diào)理電路部分，上電之后，在調(diào)理電路的輸出口用杜邦線引出，通過(guò)接到示波器，觀察到較為干凈完整的脈搏波形為止。示波器顯示采集到未經(jīng)處理的光電容積脈搏波信號(hào),這種波形是不規(guī)則的，因此很難測(cè)量其頻率。但可以對(duì)波形進(jìn)行整形，將其轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，然后就能采用定時(shí)器來(lái)統(tǒng)計(jì)其中相鄰的兩個(gè)方波上升或者下降沿的時(shí)間。我們可

37、以采用電壓比較器進(jìn)行整形，上文已經(jīng)完成采樣工作，因此這里不再需要整形，其中閾值可以采用多次測(cè)量獲得的AD值，就可以轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)。圖5.1為整形后的脈搏方波信號(hào)。圖5.1 整形后脈搏信號(hào)Fig 5.2 Pulse signal after plastic surgery可以看出，波形相對(duì)干凈，波幅從哪里看可以達(dá)到500mV，與單片機(jī)A/D的需求相適應(yīng)，由此證明本次設(shè)計(jì)中的運(yùn)放芯片采用LM324是合理的，基本達(dá)到預(yù)期目的。示波器顯示直流檔波形,如5.2圖所示。圖5.2 放大后的波形Figure 5.2 amplifies the waveform（2） 實(shí)測(cè)：采用手機(jī)應(yīng)用軟件和下位機(jī)同時(shí)對(duì)四位不

38、同的對(duì)象進(jìn)行測(cè)量。手機(jī)應(yīng)用軟件的測(cè)量原理是根據(jù)人體中含氧量的變化會(huì)導(dǎo)致血液的顏色發(fā)生周期性變化。通過(guò)手機(jī)上的LED高頻度閃光燈，將指尖皮膚下的毛細(xì)血管照亮，當(dāng)血液受心臟作用而涌入時(shí)，回答導(dǎo)致皮下血液的顏色發(fā)生輕度改變，通?？梢杂扇庋塾^察到，而攝像頭對(duì)這種變化更為敏感，因此可以計(jì)算心跳次數(shù)。在這里以手機(jī)軟件測(cè)得數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量正常狀態(tài)下的10名被測(cè)者，然后采用誤差分析法進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5.1所示。（3） 通過(guò)下表我們可以看出，雖然存在誤差，但是誤差值保持在10以內(nèi)，數(shù)據(jù)可采信，但是有時(shí)候因?yàn)闀r(shí)間掌握誤差較大，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度嚴(yán)重失準(zhǔn)。實(shí)物圖如圖5.3所示。 表5.1 下位機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值

39、比較Table 5.1 Comparison of the measurement data with the standard value第1次測(cè)試測(cè)試者1測(cè)試者2測(cè)試者3測(cè)試者4測(cè)試者5標(biāo)準(zhǔn)值6779808288測(cè)量值6877787887誤差1.5%2.5%2.5%4.8%1.3%第2次測(cè)試測(cè)試者1測(cè)試者2測(cè)試者3測(cè)試者4測(cè)試者5標(biāo)準(zhǔn)值6977908898測(cè)量值7370888189誤差5.7%9.1%2.2%8%9.2%第3次測(cè)試測(cè)試者1測(cè)試者2測(cè)試者3測(cè)試者4測(cè)試者5標(biāo)準(zhǔn)值6089858798測(cè)量值6578797787誤差8.3%12.4%7.1%11.5%11.2%第4次測(cè)試測(cè)試者1測(cè)

40、試者2測(cè)試者3測(cè)試者4測(cè)試者5標(biāo)準(zhǔn)值6179858289測(cè)量值6877787887誤差11.5%2.5%8.2%4.9%2.2% 圖 5.3 實(shí)物顯示Fig 5.3 Physical display6 誤差分析與修正(1) 傳感器靈敏度如果傳感器靈敏度出現(xiàn)異常會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確，靈敏度過(guò)低，傳感器會(huì)失效，靈敏度太高，傳感器會(huì)過(guò)于敏感，手指輕微抖動(dòng)都可能會(huì)誤判，另外，光軸精確度、工頻信號(hào)以及電磁波都會(huì)影響脈搏采集結(jié)果。(2) 手指抖動(dòng)。紅外傳感器在對(duì)人體信號(hào)檢測(cè)的時(shí)候非常敏感，即使手指輕微抖動(dòng)都能導(dǎo)致傳感器的相應(yīng)。因此，設(shè)計(jì)時(shí)，將紅外對(duì)管在可以放進(jìn)手指的距離上進(jìn)行固定，測(cè)量時(shí)，需要保持手指盡量不抖

41、動(dòng)，可以將測(cè)試結(jié)果的誤差減小到最低，也就是只要被測(cè)者的手指抖動(dòng)幅度不要太大，測(cè)量結(jié)果基本是準(zhǔn)確的。(3)呼吸不平穩(wěn)在通過(guò)紅外傳感器進(jìn)行脈搏測(cè)量的時(shí)候，是根據(jù)血液的透光率發(fā)生變化從而將血液流動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。但是血液的透光率會(huì)因血液中含氧量的變化而出現(xiàn)波動(dòng)。人體進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)后，呼吸速度會(huì)加快，脈搏的變化就會(huì)很大。因此，我們所測(cè)量的脈搏是人體呼吸平穩(wěn)的時(shí)候測(cè)得的脈搏數(shù)。（4）情緒波動(dòng)人體情緒波動(dòng)會(huì)脈搏測(cè)量的結(jié)果有很大的影響。因此，要想獲得準(zhǔn)確的脈搏數(shù)，應(yīng)當(dāng)在人情緒穩(wěn)定的時(shí)候進(jìn)行。總結(jié)本文設(shè)計(jì)的內(nèi)容是基于LabVIEW的脈搏檢測(cè)分析系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括下位機(jī)的信號(hào)采集模塊、處理模塊以及單片機(jī)和顯示

42、器、通信接口、上位機(jī)等。而信號(hào)的采集和處理是系統(tǒng)中最為關(guān)鍵，也是最為困難的部分。系統(tǒng)需要從人體采集脈搏信號(hào)，因此，傳感器必須采用醫(yī)用等級(jí)的材料，防止損害到人體。此外，人體的脈搏信號(hào)非常微弱，因此要通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏信號(hào)的分析，首先要結(jié)合測(cè)控電和模電的相關(guān)理論。在進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)最終確定對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的時(shí)候使用低通濾波器，信號(hào)放大后在通過(guò)比較器實(shí)現(xiàn)對(duì)比，最后將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)分析出結(jié)果。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電池供電以及充電的功能，而且可以將脈搏波形在顯示器上直接顯示出來(lái)，一方面方便設(shè)備的攜帶，另一方面也方便測(cè)量使用。本設(shè)計(jì)可以測(cè)得較為準(zhǔn)確的脈搏頻率，實(shí)踐誤差小于4%.，并且可

43、以對(duì)脈搏的狀況進(jìn)行初步判定。設(shè)備具有功耗低，待機(jī)實(shí)踐長(zhǎng)的特點(diǎn)。此外，設(shè)備還可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可以通過(guò)PC機(jī)對(duì)脈搏頻率和波形進(jìn)行觀察。不足之處在于采用紅外反射傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，一般只能通過(guò)手指部位進(jìn)行測(cè)量，而且測(cè)量時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。另外，測(cè)量結(jié)果的精確度還有待提高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有待提高，人體在劇烈運(yùn)動(dòng)后或者情緒波動(dòng)時(shí)很難獲得準(zhǔn)確的采集結(jié)果。 致謝在本文即將結(jié)束之際，我要由衷地感謝我的導(dǎo)師，在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的制作過(guò)程對(duì)我的幫助、指導(dǎo)和監(jiān)督，感謝您在我遇到問(wèn)題時(shí)總能及時(shí)的給我提點(diǎn)，幫助我一起解決問(wèn)題，誠(chéng)摯的感謝學(xué)校給予的機(jī)會(huì)，以及導(dǎo)師的耐心教導(dǎo)，同學(xué)的熱心幫助，在此表示衷心的感謝，此外通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)

44、，還認(rèn)識(shí)到了我們學(xué)校導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、豐富淵博的知識(shí)、敏銳的學(xué)術(shù)思維、精益求精的工作態(tài)度以及誨人不倦的師者風(fēng)范這些都將是我需終身學(xué)習(xí)的。并且在制作過(guò)程中，努力查找資料以及在師長(zhǎng)同學(xué)的幫助下，自身獨(dú)立思考動(dòng)手去制作出成功的作品，讓我學(xué)到了在今后的學(xué)習(xí)生活過(guò)程中，要不氣不餒，細(xì)心耐心，學(xué)以致用，腳踏實(shí)地的完成每一件事情，也讓我深刻感受到自身學(xué)識(shí)的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，更讓我明白要更加努力的去學(xué)習(xí)豐富自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和動(dòng)手能力與理論知識(shí)的相結(jié)合。最后，再次誠(chéng)摯的感謝學(xué)校和我的導(dǎo)師！參考文獻(xiàn)1陳志旺.STM32嵌入式微控制器快速上手M.-2版.北京電子工業(yè)出版社2014,22-23.2陳志旺.STM32嵌入式微控制器快速上手M.-2版.北京:電子工業(yè)出版社，2014,82-82.3陳鐵軍,余旺新,莫燕斌.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)講義M.成都:西南交通大學(xué)出版社,2014,170-171.4彭震.從51菜鳥(niǎo)到ARM(STM32)高手進(jìn)階之旅M.北京:北京航空航天出版社，2014,154-154