基于單片機(jī)的智能脈搏測試儀設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的智能脈搏測試儀設(shè)計(jì)摘要脈搏測量儀在我們的日常生活中已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用。為了提高脈搏測量儀的簡便性和精確度，本課題設(shè)計(jì)了一種基于51單片機(jī)的脈搏測量儀。系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心，利用光電傳感器采集信號(hào)，通過硬件電路整形放大后，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對脈搏的累加計(jì)數(shù)。系統(tǒng)運(yùn)行中能顯示脈搏次數(shù)，系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，能夠顯示總的脈搏次數(shù)。經(jīng)測試，系統(tǒng)工作正常，能準(zhǔn)確達(dá)到設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：脈搏計(jì)數(shù) AT89C51單片機(jī)光電傳感器AbstractPulse measuring instrument has been widely used in our daily life. In order

2、to increase its simplicity and accuracy,this subject designs one system based on single-chip microcomputer . The system takes the AT89C51 microcontroller as the core, uses the optical sensor to collect signals.After shaping and enlarging by hardware circuits, the microcontroller can make the pulse a

3、ccumulated counting. The system can display the time of the pulse during operation. It can also show the total number when it stops. After testing, the system works well and meets the design requirementsaccurately. Keywords：Pulse countingAT89C51 single-chip microcomputerPhotoelectric sensor1概述1.1 選題

4、的背景和意義脈搏攜帶有豐富的人體健康狀況的信息，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)。為了節(jié)省時(shí)間，一般不會(huì)作1分鐘的測量，通常是測量10秒鐘時(shí)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(fèi)時(shí)，而且精度也不高。為了提高脈搏測量的精確與速度，多種脈搏測量儀被運(yùn)用到醫(yī)學(xué)上來，從而開辟了一條全新的醫(yī)學(xué)診斷方法。1.2 應(yīng)用現(xiàn)狀目前脈搏測量儀在多個(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(yīng)用也不斷拓展，如運(yùn)動(dòng)、健身器材中的心率測試都用到了技術(shù)先進(jìn)的

5、脈搏測量儀。2脈搏測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1 光電脈搏測量儀的結(jié)構(gòu)組成光電脈搏測量儀是利用光電傳感器作為變換原件，把采集到的用于檢測脈搏跳動(dòng)的紅外光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，用電子儀表進(jìn)行測量和顯示的裝置。本系統(tǒng)的組成包括光電傳感器、信號(hào)處理、單片機(jī)電路、數(shù)碼顯示、電源等部分。（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(通常是線性關(guān)系)轉(zhuǎn)換成便于測量的物理量(如電壓、電流或頻率等)輸出。（2）信號(hào)處理 即處理光電傳感器采集到的低頻信號(hào)的模擬電路(包括放大、整形等)。（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)功能對輸入的脈

6、沖電平進(jìn)行運(yùn)算得出心率（包括AT89C51、外部晶振、外部中斷等）。（4）數(shù)碼顯示即把單片機(jī)計(jì)算得出的結(jié)果用8位LED數(shù)碼管顯示，便于直接準(zhǔn)確無誤的讀出數(shù)據(jù)。（5）電源即向光電傳感器、信號(hào)處理、單片機(jī)供電的電源，可以是5V的交流或直流的穩(wěn)壓電源。2.2工作原理本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)AT89C51為控制核心，實(shí)現(xiàn)脈搏測量儀的基本測量功能。脈搏測量儀硬件框圖如下圖2.2所示：外部中斷信號(hào)光電傳感器低通放大器比較和整形單片機(jī)AT89C51數(shù)碼顯示電路外部晶振圖2.2 脈搏測量儀的工作原理當(dāng)手指放在紅外線發(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。由于手指放在光的傳遞路徑中，血管

7、中血液飽和程度的變化將引起光的強(qiáng)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(hào)。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)。單片機(jī)電路對輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理后把結(jié)果送到數(shù)碼管顯示。2.3光電脈搏測量儀的特點(diǎn)與傳統(tǒng)的脈搏測量儀相比，光電式脈搏測量儀具有以下特點(diǎn)：（1） 測量的探測部分不侵入機(jī)體，不造成機(jī)體創(chuàng)傷，通常在體外。（2） 傳感器可重復(fù)使用且速度快，精度高。（3） 測試的適用電壓為5V的直流電壓。（4） 穩(wěn)定性好、磨損小、壽命長、維修方便。（5） 由于結(jié)構(gòu)簡單，因此體積小、重量輕、性價(jià)比優(yōu)越。3硬件系

8、統(tǒng)3.1 單片機(jī)控制器本系統(tǒng)基于51系列單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橄到y(tǒng)沒有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們最終選擇了AT89C51這種通用的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3.1.1AT89C51 的特點(diǎn)（1）與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容（2）4k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器（3）1000次擦寫周期（4）全靜態(tài)操作：OHz-24MHz（5）三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器（6）128*8字節(jié)內(nèi)部RAM（7）32個(gè)可編程IO口線（8）2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器（9）6個(gè)中斷源（10）可編程串行UART通道（11）低功耗空閑和掉電模式3.1.2 AT89C51 的結(jié)構(gòu)此次設(shè)計(jì)所使用的AT89C51 的封裝形式是DIP40。如圖3.1.

9、2 所示。圖3.1.2 AT89C51 的封裝形式3.2脈搏信號(hào)采集目前脈搏波檢測系統(tǒng)有以下幾種檢測方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應(yīng)變式脈搏傳感器。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(qiáng)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(diǎn)。光電傳感器的原理根據(jù)朗伯一比爾(LamberBeer)定律，物質(zhì)在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比。當(dāng)恒定波長的光照射到人體組織上時(shí)，通過人體組織吸收、反射衰減后，測量到的光強(qiáng)將在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。脈搏

10、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，而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測到的光強(qiáng)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。手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織，其中非血液組織的光吸收量是恒定的，而在血液中，靜脈血的搏動(dòng)相對于動(dòng)脈血是十分微弱的，可以忽略。因此可以認(rèn)為光透過手指后的變化僅由動(dòng)脈血的充盈而引起的，那么在恒定波長的光源照射下，通過檢測透過手指的光強(qiáng)將可以間接測量到人體的脈搏信號(hào)。光電傳感器的結(jié)構(gòu)傳感器由紅外發(fā)光二級(jí)管和紅外接收三極管組成。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

11、波曲線的漂移。紅外接收三極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能，它的特性是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，紅外接收三極管和紅外發(fā)射二極管相對擺放以獲得最佳的指向特性。從光源發(fā)出的光除被手指組織吸收以外，一部分由血液漫反射返回，其余部分透射出來。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。其中透射式的發(fā)射光源與光敏接收器件的距離相等并且對稱布置，接收的是透射光，這種方法可較好地反映出心律的時(shí)間關(guān)系。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,減少了對后級(jí)模擬電路的干擾。結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。圖3.2.2 透射式光電傳感器 光電傳感器檢測原理檢測原理是: 隨著心臟的搏動(dòng)，人體

12、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。因此本設(shè)計(jì)將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的手指部位，經(jīng)過手指組織的反射和衰減由裝在該部位旁邊的光敏三管來接收其透射光并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于手指動(dòng)脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動(dòng)變化，所以它對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。故只要把此電信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，即可實(shí)時(shí)的測出脈搏的次數(shù)。信號(hào)采集電路圖是脈搏信號(hào)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

13、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R21阻值的選取要求較高。R21選擇270同時(shí)也是基于紅外接收三極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。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(shí)的信號(hào)。反之，R21過小,通過的電流偏大，紅外接收三極管也不能準(zhǔn)確地辨別有脈搏和無脈搏時(shí)的信號(hào)。當(dāng)手指離開傳感器或檢測到較強(qiáng)的干擾光線時(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輸入端而造成錯(cuò)誤指示，用C8、C9串聯(lián)組成的雙極性耦合電容把它隔斷。但該傳感器輸出信號(hào)的頻率很低，如當(dāng)脈搏只有為50次/分鐘時(shí)，只有0.78Hz，200次/分鐘時(shí)也只有3.33Hz

14、，因此信號(hào)首先經(jīng)R22、C10濾波以濾除高頻干擾，再由耦合電容C8、C9加到線性放大輸入端。圖3.2.4 信號(hào)采集電路3.3信號(hào)放大整形脈搏信號(hào)介紹由于光電傳感器所輸出的信號(hào)波源強(qiáng)度比較弱，且為類似于正弦波波形，如圖3.3.1所示，所以對信號(hào)進(jìn)行放大整形處理，使其以較強(qiáng)方波形式輸出。圖3.3.1 脈搏仿真信號(hào)正弦波 放大整形電路圖3.3.2 放大整形電路圖3.3.3為正弦信號(hào)通過放大整形電路之后得到的方型波。圖3.3.3整形后的方波圖3.3.4為脈搏信號(hào)在放大整形前后的對比。圖3.3.4 脈搏信號(hào)對比3.4單片機(jī)處理電路如圖3.4所示，本部分運(yùn)用了ATMEL公司的89C51單片機(jī)作為核心元件，

15、在這里運(yùn)用單片機(jī)能更快更準(zhǔn)確地對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，而且可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行編程，所用外圍元件少，輕巧省電，故障率低。來自傳感和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機(jī)89C51的P3.5/T1引腳，單片機(jī)設(shè)為下降沿中斷觸發(fā)模式，故每次脈沖下降沿到達(dá)時(shí)觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行計(jì)數(shù)，來一個(gè)脈沖脈搏次數(shù)就加一；定時(shí)器中斷主要完成十秒鐘的定時(shí)功能。單片機(jī)對十秒鐘內(nèi)的脈沖次數(shù)進(jìn)行累加并進(jìn)行計(jì)算得出所測人一分鐘的脈搏次數(shù)，通過P0、P2口把測量過程和結(jié)果送到數(shù)碼管顯示出來。圖3.4 單片機(jī)處理電路3.5 顯示電路 LED 的使用由于靜態(tài)顯示占用資源較多，而動(dòng)態(tài)顯示方式是指一位一位地輪流點(diǎn)亮每位顯示器（稱為掃描），即每

16、個(gè)數(shù)碼管的位選被輪流選中，多個(gè)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。對于每一位顯示器來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。通過調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可以既保證亮度，又保證顯示。故LED動(dòng)態(tài)顯示更加適合本設(shè)計(jì)，所以就采用此方法。圖3.10 數(shù)碼管顯示電路3.5.2 脈搏測量儀電路原理圖圖 電路原理圖4軟件系統(tǒng)4.1 主程序流程系統(tǒng)主程序控制單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運(yùn)行, 它是單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)上電后,對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化程序主要完成對單片機(jī)內(nèi)專用寄存器、定時(shí)器工作方式及各端口的工作狀態(tài)的設(shè)定。系統(tǒng)初始化之后, 進(jìn)行

17、定時(shí)器中斷、外部中斷、顯示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序。流程如圖4.1所示。圖 4.1 主程序流程圖4.2 定時(shí)器中斷程序流程定時(shí)器中斷服務(wù)程序由十秒鐘計(jì)時(shí)、按鍵檢測等部分組成。當(dāng)定時(shí)器中斷開始執(zhí)行后，對十秒鐘開始計(jì)時(shí)，50ms計(jì)時(shí)到之后繼續(xù)檢測下50ms，直到10s到了再停止并保存測得的脈搏次數(shù)。同時(shí)可以對按鍵進(jìn)行檢測，只要復(fù)位測試值就可以重新開始測試。主要完成一分鐘的定時(shí)功能和保存測得的脈搏次數(shù)。流程如圖4.2所示。圖 4.2 定時(shí)器中斷程序流程圖定時(shí)器中斷子程序：IE=0x8A;TMOD=0x51;TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%

18、256;while (1)if(K1=0)Delay(10);if (K1=0)TR1=TR0=1;elsefor(i=0;i<5;i+)P2=DSY_BITi;P0=DSY_CODEDisp_Bufferi;Delay(2);4.3 INT中斷程序流程外部中斷服務(wù)程序完成對外部信號(hào)的測量和計(jì)算。外部中斷采用邊沿觸發(fā)的方式，當(dāng)處于測量狀態(tài)的時(shí)候，來一個(gè)脈沖脈搏次數(shù)就加一，由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器控制十秒鐘，并通過計(jì)算得出一分鐘內(nèi)的脈搏次數(shù)。流程如圖4.3所示。圖 4.3 INT中斷程序流程圖外部下降沿觸發(fā)子程序：IE=0x8A;TMOD=0x51;TH0=(65536-50000)/256;T

19、L0=(65536-50000)%256;while (1)if(K1=0)Delay(10);if (K1=0)TR1=TR0=1;Tmp=TH1*256+TL1;4.4 顯示程序流程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(shí)后再返回。流程如圖4.4所示。圖 4.4 顯示程序流程圖顯示子程序：Tmp=TH1*256+TL1;Disp_Buffer4=Tmp*6/10000;Disp_Buffer3=Tmp*6/1000%10;Disp_Buffer2=Tmp*6/100%10;Disp_Buffer1=Tmp*6%100/10;Disp_Buffer0=Tmp*6%10

20、;TH1=TL1=0;4.5 軟件說明本程序采用C語言，程序的可讀性非常好。程序中對前一次測量的脈搏數(shù)據(jù)進(jìn)行了自動(dòng)保存，并且用數(shù)碼顯示。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。4.6測量儀使用方法測量儀通電后，數(shù)碼管全部顯示0。把手輕輕置于右下角的傳感器中，以稍微有壓迫感為宜，這時(shí)很快就可以看到紅色發(fā)光二極管會(huì)伴隨你的脈搏而閃爍，讓你直觀的看到自己脈搏跳動(dòng)的速度，按下復(fù)位鍵后單片機(jī)和顯示部分開始工作，單片機(jī)立刻開始計(jì)數(shù)，同時(shí)數(shù)碼管顯示出你的心率，非常方便。如果偶爾出現(xiàn)不穩(wěn)的情況，可按復(fù)位鍵對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。5總結(jié)與展望本設(shè)計(jì)主要是51單片機(jī)在脈搏測試系統(tǒng)中的應(yīng)用

21、。重點(diǎn)介紹了單片機(jī)的最小系統(tǒng)，通過單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了脈搏的測量系統(tǒng)，由光電傳感器采集到脈沖信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)的放大、濾波和整形電路將輸出的信號(hào)通過單片機(jī)的外部中斷獲取并最終在數(shù)碼管上顯示。利用單片機(jī)自身的定時(shí)中斷、外部中斷、計(jì)數(shù)等功能，不僅能顯示出此次脈搏測量的次數(shù)，還能自動(dòng)儲(chǔ)存這個(gè)數(shù)據(jù)。本次所設(shè)計(jì)的測量儀系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單、功能穩(wěn)定、使用方便，應(yīng)用廣泛，具有實(shí)際意義。希望通過將來的學(xué)習(xí)可以設(shè)計(jì)出功能更優(yōu)越、抗干擾能力更強(qiáng)大的脈搏測量儀器以及更有助于人類健康的醫(yī)療儀器。6致謝 感謝老師一直以來的辛勤授課，使我們能了解智能醫(yī)學(xué)儀器的相關(guān)知識(shí)。希望今后會(huì)有充裕的時(shí)間來更全面的學(xué)習(xí)此課程。參考文獻(xiàn)1 歐陽俊

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