單片機簡易脈搏測量器(共23頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目 錄摘要1一、概述21.1 設(shè)計背景21.2 脈搏測量儀的發(fā)展與應(yīng)用2二、設(shè)計任務(wù)與要求42.1方案設(shè)計要求42.2方案設(shè)計4三、硬件電路設(shè)計53.1主控制電路53.2信號提取電路83.3信號處理電路93.4數(shù)碼顯示電路123.5按鍵電路133.6電源電路13四、軟件設(shè)計144.1 程序流程144.2程序源代碼14五、總結(jié)19參考獻(xiàn)文20附錄21專心-專注-專業(yè)簡易脈搏測量器吳帥 11應(yīng)電11摘 要隨著人們生活的水平的不斷提高，生活方式、飲食結(jié)構(gòu)不斷改變，習(xí)慣的變化和高節(jié)奏的生活導(dǎo)致了高血壓、冠心病等心血管疾病成為常見病與多發(fā)病。要避免和減少高血壓、冠心病這類心血管

2、疾病給人類健康帶來的嚴(yán)重危害，有效的早期診斷治療方法和設(shè)備，快速的發(fā)病后的救治手段都是非常重要的，這些也正當(dāng)前廣人醫(yī)學(xué)界專家正在共同努力研究的重點。而脈搏是人體活動最重要、最靈敏和最可靠的信息源，是反映人體健康狀況的重要窗口，而對脈搏的提取速度又快，因此利用脈搏信號快速的發(fā)現(xiàn)病因也是一個有效的方法。本文論述了課題研究的現(xiàn)狀和意義；介紹了數(shù)字式脈搏測量器的具體實現(xiàn)方案；介紹了使用的芯片和他們的使用方法；闡述了硬件設(shè)計與軟件設(shè)計方案；說明了相應(yīng)軟件的流程和方法，并解說了相應(yīng)硬件與軟件的調(diào)試。最后對所做的工作進(jìn)行了分析和總結(jié)，指出了系統(tǒng)涵待改進(jìn)和提高的地方，展望了系統(tǒng)今后的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：51單片

3、機 脈搏信號 光電傳感器 定時計數(shù)一、概述1.1在我國傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)的診斷中，“望、聞、問、切”是最基本的四個方面。而在其中“切”也就是脈診，占有非常重要的地位。通過脈診，醫(yī)生可以對患者的身體狀況有一個大概的了解，進(jìn)而對癥下藥。脈搏信號可以直接反應(yīng)出患者心臟的部分狀況，我國傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)認(rèn)為，通過脈診可以了解到患者臟腑氣血的盛衰，可以探測到病因，病位，預(yù)測療效等。 從近代醫(yī)學(xué)的角度來看，人體循環(huán)系統(tǒng)承擔(dān)著協(xié)調(diào)全身各組織的能量代謝，輸送氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)，運走代謝廢物等重要的工作，還承擔(dān)運送抗體、激素等物質(zhì)以協(xié)調(diào)整體的動態(tài)平衡。從整體的角度對疾病進(jìn)行綜合分析，顯然循環(huán)系統(tǒng)的信息將占很重要的比重；從

4、整個循環(huán)系統(tǒng)來看橈動脈介于大動脈與小動脈之間，由于心臟的舒縮、內(nèi)臟血容量的變化、血管端點阻抗、管道內(nèi)脈波的反射、血液的粘滯性、血管壁的粘彈性等因素使脈象攜帶著有關(guān)心臟運動、內(nèi)臟循環(huán)、外周循環(huán)等豐富的心血管系統(tǒng)及整體的動態(tài)信息。因此脈診的臨床意義很大，它的機理是急待于我們進(jìn)行研究的。鑒于脈診的重要性，人們對于脈搏測量一直非常關(guān)注，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。此后隨著機械及電子技術(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、廣州、江西等地相繼成立了跨學(xué)科的脈象研究協(xié)

5、作組，多學(xué)科共同合作促使中醫(yī)脈象研究工作進(jìn)入了一個新的境界。1.2 脈搏測量儀的發(fā)展與應(yīng)用脈搏測量儀的發(fā)展主要向以下幾個趨勢發(fā)展： (1) 自動測量脈搏并且對所得到的脈搏進(jìn)行自動分析。 (2) 數(shù)字化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用。 (3）多功能化越來越明顯。 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(jìn)行分析后才能確認(rèn)結(jié)果，浪費大量的人力，且由人為引入的誤差較大。因此，未來脈搏自動檢測的內(nèi)容將更加詳細(xì)，自動分析診斷功能也更強大。 隨著數(shù)字科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量儀集成度將更高

6、，更便于攜帶。數(shù)字信號處理的運用將使干擾更小，測量更為準(zhǔn)確。 目前的脈搏測量儀，一般都具有測試血氧，心電圖等等功能，單純的脈搏測量儀已經(jīng)很少見。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量儀必然可以實現(xiàn)更多的功能。    目前脈搏測量儀在多個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，除了應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如無創(chuàng)心血管功能檢測、妊娠癥檢測、中醫(yī)脈象、脈率檢測等等，商業(yè)應(yīng)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(shù)先進(jìn)的脈搏測量儀。二、設(shè)計任務(wù)與要求2.1方案設(shè)計要求正常人的脈搏次數(shù)是每分鐘6080次（嬰兒為90140次,老年人則為100150次), 這種頻率信號屬于低頻范疇。因此

7、,脈搏計的用來測量低頻信號的裝置,它的基本功能要求應(yīng)該是:（1）要把人體的脈搏數(shù)(振動)轉(zhuǎn)換成電信號,這就需要借助傳感器。（2）對轉(zhuǎn)換后的電信號要進(jìn)行放大和整形處理，以保證其它電路能正常加工和處理。（3）在一分時間內(nèi)，測出經(jīng)放大整形后的電信號周期個數(shù)?？傊?，脈搏計的核心是要對低頻信號在固定的短時間計數(shù)，最后以數(shù)字形式顯示出來?？梢?，脈搏計的主要組成部分是計數(shù)器和數(shù)字顯示器。2.2方案設(shè)計設(shè)計了一種基于51單片機的脈搏測量儀。系統(tǒng)以51單片機為核心，用紅外發(fā)射管和接收管對人體的脈搏心率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集信號經(jīng)過放大、濾波、整形電路后輸出的高低電平脈沖信號輸入到單片機中，并利用單片機系統(tǒng)內(nèi)部定時

8、器來計算時間，計脈沖個數(shù)，最后將計數(shù)結(jié)果顯示在數(shù)碼管上。這種設(shè)計方案的方框圖如下圖：圖2-1 設(shè)計方案方框圖本系統(tǒng)設(shè)計由8個單元電路組成：信號提取電路，信號處理電路，晶振電路，單片機復(fù)位電路，按鍵電路，單片機控制電路，數(shù)碼管顯示電路，電源電路組成。這樣的脈搏測量系統(tǒng)性能良好，結(jié)構(gòu)簡單，輸出顯示穩(wěn)定，容易操作，適合在家庭中使用。三、硬件電路設(shè)計3.1主控制電路主控制電路是51單片機最小系統(tǒng)，它由復(fù)位電路，時鐘震蕩電路，STC89C52單片機構(gòu)成，該電路的主要功能是控制顯示部分和按鍵部分。本系統(tǒng)采用STC89C52單片機來實現(xiàn)控制，它具有結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，易于開發(fā)的特點,而且本系統(tǒng)對單片機的要求

9、不是很高,它足以滿足設(shè)計需求，對51單片機，本人比較熟悉，所以，本設(shè)計中選擇STC89C52單片機作為控制中心。圖3-1單片機最小系統(tǒng)3.1.1 STC89C52STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，

10、全雙工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率35Mhz，6T/12T可選。圖3-2 STC89C52 的封裝形式引腳功能：Vcc：電源電壓GND：接地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I0口，也即地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。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。Pl口：P1是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向

11、IO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。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。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。P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO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。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(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流。P3口：可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備。作為第二功能使用。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周

12、期以上高電平將使單片機復(fù)位。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振器頻率的16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。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。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的PSEN信號不出現(xiàn)。EAVPP：EA0，單片機只訪問外部程序存儲器。EA1，單片機訪問內(nèi)部程序存儲器。XTALI：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生

13、器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。STC89C52單片機的特點：8K字節(jié)程序存儲空間； 512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間； 內(nèi)帶4K字節(jié)EEPROM存儲空間; 可直接使用串口下載； 3.1.2復(fù)位電路圖3-3復(fù)位電路單片機接通電源后，單片機自動上電復(fù)位。3.1.3振蕩電路圖3-4振蕩電路圖 本設(shè)計晶振選擇頻率為12MHz，電容選擇30pF所以單片機工作機器周期為：1us。 3.2信號提取電路脈搏信號提取電路的作用是將脈搏信號轉(zhuǎn)換為電信號。脈搏信號提取是人體脈象檢測系統(tǒng)中重要的組成部分，其性能的好壞直接影響到后置電路的處理和測量的正確性。目前典型的脈搏傳感器有以下三種：光電類、壓阻類和壓電

14、類。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。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學(xué)儀器工作的專家和學(xué)者的重視。本系統(tǒng)采用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，結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖3-5透射式光電傳感器圖信號提取電路由紅外發(fā)光二級管和光敏二極管組成,將變化的人體信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，電路如下圖所示。圖3-6信號轉(zhuǎn)換電路其工作原理是:發(fā)光二極管發(fā)出的光透射過手指,經(jīng)過手指組織的血液吸收和衰減，由光敏二極管接收。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

15、它對光的吸收和衰減也是周期性脈動的,于是光敏二極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化。 3.3信號處理電路信號處理電路中包括放大濾波電路、整形電路。3.3.1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。每一組運算放大器可用圖3.4所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。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

16、的信號與該輸入端的相位相同。LM324 的引腳排列見下圖 圖3-7 LM324符號圖 圖3-8 LM324 封裝圖由于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。 3.3.2放大電路圖3-9放大電路傳感器采集的變化的信號很小，電壓大概5mV左右，我們需要把信號放大為0V5V以內(nèi)來傳遞處理，因此需要對信號進(jìn)行放大才能進(jìn)行處理了，我采用兩級運算放大電路來處理放大動態(tài)信號。第一級放大電路放大倍數(shù)100，第二級放大電路放大倍數(shù)為9倍。參數(shù)計算3.3.3濾波電路由于來自傳感器的心率信號頻率很低（0.73Hz左右）,通過放大電路后,疊加了

17、各種頻率的干擾信號，應(yīng)設(shè)法對不必要的成份衰減到足夠小,將需要的信號提取出來,因此低通濾波器是解決前述問題的方法之一。我采用二階有源濾波電路。如圖3-10二階有源濾波電路。 按濾除交流電的頻率是50 Hz考慮，低通特性還是可以的。3.3.4波形整形電路波形整形電路如圖3-9所示，它是一個電壓比較器，R20、R19分壓。該比較器的閥值電壓為3伏，只要輸入是大于3V,就被整形為5伏，輸入小于3伏就被整形為0伏輸入給單片機，并由紅色發(fā)光二極管led4的閃亮指示出來。即發(fā)光二極管作脈搏測量狀態(tài)顯示，脈搏每跳動一次發(fā)光二極管就亮一次。同時，該脈沖電平送到單片機/INTO腳，進(jìn)行對心率的計算和顯示。圖3-1

18、1波形整形電路3.4數(shù)碼顯示電路 數(shù)碼管DS1DS3組成數(shù)碼顯示電路。本機采用動態(tài)掃描顯示的方式，使用共陽數(shù)碼管共陰極分別依次接P27,P26,P25。圖3-12數(shù)碼管電路3.5按鍵電路圖3-13按鍵電路采用獨立按鍵的方式，S1按鍵第一次按下后揚聲器發(fā)“滴”一聲后，開始計脈搏次數(shù)當(dāng)一分鐘到后，揚聲器發(fā)“滴”一聲，告訴人們時間已到一分鐘，這時，數(shù)碼管顯示的便是一分鐘脈搏次數(shù)，S2按鍵的作用是：使數(shù)碼管顯示清零，內(nèi)部定時器重新置零，以便供用戶重新測量一分鐘脈搏次數(shù)。3.6電源電路電源是由經(jīng)變壓器變壓和電橋整流電容濾波后再由三端穩(wěn)壓器7805轉(zhuǎn)換為+5V以及7905轉(zhuǎn)換為-5V的直流電源，為系統(tǒng)提供

19、電源。其原理圖如圖所示。圖3-14數(shù)字電源電路圖四、軟件設(shè)計4.1 程序流程程序用C語言編寫，由主程序、外部中斷服務(wù)程序、定時器T1中斷服務(wù)程序、延時子程序等模塊組成。主程序主要完成程序的初始化，動態(tài)掃描顯示。外部中斷0服務(wù)程序計數(shù)、。定時中斷T1計時。程序中用變量n對時間計數(shù)，用變量m對脈搏脈沖信號個數(shù)計數(shù)。 從P3.2口輸入的與脈搏相對應(yīng)的脈沖信號作為外部中斷0的請求中斷信號，外部中斷采用邊沿觸發(fā)的方式。用計數(shù)的方法進(jìn)行測量，從P3.2口每輸入一次脈沖信號就能顯示一次脈搏數(shù)。 定時時間為1分鐘，定時器T1的中斷時間為5ms，每中斷一次計時變量n加1，因此計200次。S2按下，顯示清零計數(shù)清

20、零外部中斷0關(guān)定時器關(guān)S1按下鍵盤掃描動態(tài)顯示外部中斷0，定時器T1初始化開始不是計脈沖個數(shù)，時間累加，外部中斷0開，定時器開，外部中斷0關(guān)定時器關(guān)判斷時間是否到達(dá)一分鐘是圖4-1程序示意框圖4.2程序源代碼 #include<reg52.h>  /52單片機頭文件 #include <intrins.h> /包含有左右循環(huán)移位子函數(shù)的庫#define uint unsigned int    /宏定義#define uchar u

21、nsigned char  /宏定義uchar code table10=0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f,0x66,0x6d,0x7d , 0x07, 0x7f , 0x6f ; sbit  Fmq=P21; sbit  Led=P22; sbit  S2=P23; sbit  S1=P24; /S1開始計脈搏次數(shù)uint  tt+,count=0;  void delay(uint z)   

22、;  /延時子函數(shù)    uint x,y;   for(x=z;x>0;x-)   for(y=110;y>0;y-); void display(uchar cishu) P0=tablecishu/100; /顯示百位 P2=P2&0x7f; /P2.7引腳輸出低電平， 點亮百位 delay(2); P2=P2 | 0xe0; /消影 P0=tablecishu%100/10; /顯示十位 P2=P2&0xbf; /P2.6引腳輸出低電平， 點亮十位

23、delay(2); P2=P2 | 0xe0; /消影 P0=tablecishu%10; /顯示個位 P2=P2&0xdf; /P2.5引腳輸出低電平， 點亮個位 delay(2); P2=P2 | 0xe0; /消影 void keyscan() if(!S1) /按下開始測脈搏數(shù)              delay(5);        if(!S1)  

24、60;/檢測按鍵確實按下                 Fmq=1;/“滴” delay(10);   Fmq=0;  TH0=0; TL0=0; TH1=(65536-5000)/256; TL1=(65536-5000)%256; count=0;  tt=0;   TR1=1;/啟動定時器1 TR0=1/啟動計數(shù)器1      &

25、#160;  while(!S1)/松手檢測 display(count);  if(!S2) /作用 顯示清零，計數(shù)定時器重新置零           delay(5);        if(!S2)   /檢測按鍵確實按下            

26、  TH0=0; TL0=0; TH1=(65536-5000)/256; TL1=(65536-5000)%256; tt=0;   TR1=0; TR0=0;    while(!S1)/松手檢測 display(count);   void main()      /主函數(shù)   TMOD=0x15; /設(shè)置T1工作方式1 計時 T0是工作在計數(shù)狀態(tài)下TH0=0;TL0=0;TH1=(65536-5000)/256; /定時器 定時5msTL1=(65536-5000)%256;EA=1;/開總中斷 ET1=1;/定時/計數(shù)器T1中斷允許位EX0=0;/ 外部中斷0允許位while(1) keyscan();/鍵盤掃描 count= 256*TH0+TH0