基于單片機的脈搏波采集系統(tǒng)的設計

1、 基于單片機的脈搏波采集系統(tǒng)的設計 張心歌摘 要 脈搏波信號當中包含著人體最重要、最基本的生理參數(shù)，對診斷心臟及心血管疾病具有重要的臨床診斷價值。本設計以STC89C52單片機為控制核心，利用壓電脈搏傳感器采集脈搏波，經信號放大、濾波、A/D轉換后送入單片機處理，顯示脈搏測量結果，并通過串口電路送上位機顯示波形。Key STC89C52；脈搏信號；信號調理電路；HK-2000B：TP274 ：A ：1671-7597（2014）05-0031-02當前社會已經把追求自身和家人的健康作為一種時尚。但是由于人們的飲食結構和生活起居習慣的不合理，導致心血管疾病等慢性病成為威脅人類健康的高發(fā)病，如何監(jiān)

2、測和預防心血管疾病已成為日常保健不可缺少的重要部分。傳統(tǒng)中醫(yī)的脈搏診斷主要依賴于醫(yī)生各自的經驗和主觀判斷，使得醫(yī)生對脈象的辨識缺乏客觀、統(tǒng)一、精確的標準。因此，采集脈搏波并在PC機上對脈搏波進行客觀處理對更好的診斷和預防心腦血管疾病有著很強的社會意義和研究價值。1 系統(tǒng)體系結構本系統(tǒng)由單片機、脈搏傳感器、信號調理電路、A/D轉換器和串口通信電路等主要模塊組成。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)結構框圖脈搏傳感器對人體脈搏波信號進行采集，并將采集到的信號通過信號調理電路進行放大、濾波等預處理，再將預處理后的模擬信號經過A/D轉換變?yōu)閿?shù)字信號，送入單片機進行計算并顯示，最后由串行通信電路傳至上位機

3、，為更加詳盡的病理分析做準備。2 硬件電路設計2.1 傳感器的選取本設計所選取的脈搏傳感器是華科電子生產的HK-2000B型壓電脈搏傳感器。其內部將力敏元件（PVDF壓電膜）、靈敏度溫度補償元件、溫感元件、簡單信號調理電路通過高度集成化工藝集成在傳感器里，是一種軟接觸式的無創(chuàng)傷脈搏傳感器，能將脈搏的壓力轉換為和脈壓對應模擬電壓信號。另外，傳感器的采樣頻率為200 Hz，完全能滿足脈搏信號采集需要。2.2 信號調理電路由脈搏傳感器所提取的脈壓信號幅值微小、頻率低、隨機性強。另外，采集過程不可避免地要引入一些干擾信號，如：檢測現(xiàn)場很多電氣設備運行時的干擾噪聲、電子線路固有的熱噪聲和散粒噪聲等，這些

4、噪聲會疊加在微弱的脈搏信號上，削弱和影響了脈搏信號的真實性，因此在數(shù)據(jù)正式使用之前要對其進行預處理。本設計主要通過信號放大、濾波等方式對信號進行預處理，以達到提高有效信號幅值，濾除干擾信號的目的。1）放大電路的設計。因為傳感器采樣輸出電壓是-0.1 V0.6 V，幅值微小且有負電壓存在，而A/D轉換器MAX1240定義的最低轉換極限為0V。因此需要放大電路提升信號幅值。本設計選用LM358構成放大電路如圖2所示。滿足A/D轉換采樣電壓要求。圖2 放大電路2）濾波電路的設計。根據(jù)臨床經驗，人體脈搏通常在40180次/min，其頻率約為0.6 Hz3 Hz，脈搏波的絕大部分能量集中在30 Hz以下

5、，另外，為了避免工頻50 Hz的干擾。LPF的轉折頻率取40 Hz，HPF的轉折頻率取0.1 Hz。則HPF的通帶頻率范圍為0.1 Hz40 Hz。濾波電路如圖3所示。圖3 濾波電路2.3 A/D轉換電路本設計要求所采集的信號具有較高的分辨率，選用MAXIM公司生產的單通道12位逐次逼近型串行A/D轉換器。它外圍電路簡單，共有8個管腳，模擬信號由AIN管腳輸入，DOUT、CS、SOLK管腳分別與單片機P1.2、P1.1、P1.0相連。經使用，其轉換速度快，工作可靠，適用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。2.4 主控芯片本設計選用單片機STC89C52作為主控芯片，主要完成信號的A/D轉換、測量數(shù)據(jù)顯示及與上位

6、機的串口通信功能。STC89C52系列單片機是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，使用經典的MCS-51內核，指令代碼與傳統(tǒng)8051單片機完全兼容但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。滿足本設計需要和日后擴展的需求。2.5串口與上位機連接電路串口通信的由于其線路簡單、設計成本較低，在速度要求不高的近距離數(shù)據(jù)傳送中應用廣泛。單片機將從MAX1240采集到的12位數(shù)據(jù)經處理分成兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，再經過串口通信電路發(fā)送到COM，可以連接電腦等常規(guī)D型串行接口。MAX232是美信公司為RS232標準串口設計的接口電路，TXD與RXD分別與單片機的RXD與TXD相連

7、，右下角的DB9 插頭連接計算機的串行口。本設計采用此連接方式，除作串口通信外，本電路也是ISP程序下載電路。3 軟件設計本設計中單片機對數(shù)據(jù)所進行的處理相對簡單，程序設計流程如圖4所示。4 結束語本文通過對脈搏波采集系統(tǒng)硬件和軟件詳細的介紹，完成了系統(tǒng)的設計過程。經實驗調試，采集到的信號清晰平穩(wěn)，噪聲基本濾除，整個系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性，并能在PC機上顯示波形?？蓱糜谥欣夏耆嘶蛐哪X血管疾病患者的監(jiān)護以及日常的健康檢測。圖4 程序設計總流程圖Reference1景軍，牛英勃，景桂芳，等.基于無線傳輸技術的人體脈搏采集分析系統(tǒng)J.微處理機，2009，30（6）.2張洪潤，張亞凡.傳感器技術與應用

8、教程M.北京：清華大學出版社，2005.3劉濤，趙艷飛，劉志剛，等.基于STC89C52的多通道脈搏采集系統(tǒng)設計J.現(xiàn)代電子技術，2011，34（15）.4蔣超，金陶威，李世嬌，等.高精度無線脈搏波采集系統(tǒng)J.電子測量技術，2013，39（7）.endprint摘 要 脈搏波信號當中包含著人體最重要、最基本的生理參數(shù)，對診斷心臟及心血管疾病具有重要的臨床診斷價值。本設計以STC89C52單片機為控制核心，利用壓電脈搏傳感器采集脈搏波，經信號放大、濾波、A/D轉換后送入單片機處理，顯示脈搏測量結果，并通過串口電路送上位機顯示波形。Key STC89C52；脈搏信號；信號調理電路；HK-2000B

9、：TP274 ：A ：1671-7597（2014）05-0031-02當前社會已經把追求自身和家人的健康作為一種時尚。但是由于人們的飲食結構和生活起居習慣的不合理，導致心血管疾病等慢性病成為威脅人類健康的高發(fā)病，如何監(jiān)測和預防心血管疾病已成為日常保健不可缺少的重要部分。傳統(tǒng)中醫(yī)的脈搏診斷主要依賴于醫(yī)生各自的經驗和主觀判斷，使得醫(yī)生對脈象的辨識缺乏客觀、統(tǒng)一、精確的標準。因此，采集脈搏波并在PC機上對脈搏波進行客觀處理對更好的診斷和預防心腦血管疾病有著很強的社會意義和研究價值。1 系統(tǒng)體系結構本系統(tǒng)由單片機、脈搏傳感器、信號調理電路、A/D轉換器和串口通信電路等主要模塊組成。系統(tǒng)結構框圖如圖1

10、所示。圖1 系統(tǒng)結構框圖脈搏傳感器對人體脈搏波信號進行采集，并將采集到的信號通過信號調理電路進行放大、濾波等預處理，再將預處理后的模擬信號經過A/D轉換變?yōu)閿?shù)字信號，送入單片機進行計算并顯示，最后由串行通信電路傳至上位機，為更加詳盡的病理分析做準備。2 硬件電路設計2.1 傳感器的選取本設計所選取的脈搏傳感器是華科電子生產的HK-2000B型壓電脈搏傳感器。其內部將力敏元件（PVDF壓電膜）、靈敏度溫度補償元件、溫感元件、簡單信號調理電路通過高度集成化工藝集成在傳感器里，是一種軟接觸式的無創(chuàng)傷脈搏傳感器，能將脈搏的壓力轉換為和脈壓對應模擬電壓信號。另外，傳感器的采樣頻率為200 Hz，完全能滿

11、足脈搏信號采集需要。2.2 信號調理電路由脈搏傳感器所提取的脈壓信號幅值微小、頻率低、隨機性強。另外，采集過程不可避免地要引入一些干擾信號，如：檢測現(xiàn)場很多電氣設備運行時的干擾噪聲、電子線路固有的熱噪聲和散粒噪聲等，這些噪聲會疊加在微弱的脈搏信號上，削弱和影響了脈搏信號的真實性，因此在數(shù)據(jù)正式使用之前要對其進行預處理。本設計主要通過信號放大、濾波等方式對信號進行預處理，以達到提高有效信號幅值，濾除干擾信號的目的。1）放大電路的設計。因為傳感器采樣輸出電壓是-0.1 V0.6 V，幅值微小且有負電壓存在，而A/D轉換器MAX1240定義的最低轉換極限為0V。因此需要放大電路提升信號幅值。本設計選

12、用LM358構成放大電路如圖2所示。滿足A/D轉換采樣電壓要求。圖2 放大電路2）濾波電路的設計。根據(jù)臨床經驗，人體脈搏通常在40180次/min，其頻率約為0.6 Hz3 Hz，脈搏波的絕大部分能量集中在30 Hz以下，另外，為了避免工頻50 Hz的干擾。LPF的轉折頻率取40 Hz，HPF的轉折頻率取0.1 Hz。則HPF的通帶頻率范圍為0.1 Hz40 Hz。濾波電路如圖3所示。圖3 濾波電路2.3 A/D轉換電路本設計要求所采集的信號具有較高的分辨率，選用MAXIM公司生產的單通道12位逐次逼近型串行A/D轉換器。它外圍電路簡單，共有8個管腳，模擬信號由AIN管腳輸入，DOUT、CS、

13、SOLK管腳分別與單片機P1.2、P1.1、P1.0相連。經使用，其轉換速度快，工作可靠，適用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。2.4 主控芯片本設計選用單片機STC89C52作為主控芯片，主要完成信號的A/D轉換、測量數(shù)據(jù)顯示及與上位機的串口通信功能。STC89C52系列單片機是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，使用經典的MCS-51內核，指令代碼與傳統(tǒng)8051單片機完全兼容但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。滿足本設計需要和日后擴展的需求。2.5串口與上位機連接電路串口通信的由于其線路簡單、設計成本較低，在速度要求不高的近距離數(shù)據(jù)傳送中應用廣泛。單片機將從MAX1

14、240采集到的12位數(shù)據(jù)經處理分成兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，再經過串口通信電路發(fā)送到COM，可以連接電腦等常規(guī)D型串行接口。MAX232是美信公司為RS232標準串口設計的接口電路，TXD與RXD分別與單片機的RXD與TXD相連，右下角的DB9 插頭連接計算機的串行口。本設計采用此連接方式，除作串口通信外，本電路也是ISP程序下載電路。3 軟件設計本設計中單片機對數(shù)據(jù)所進行的處理相對簡單，程序設計流程如圖4所示。4 結束語本文通過對脈搏波采集系統(tǒng)硬件和軟件詳細的介紹，完成了系統(tǒng)的設計過程。經實驗調試，采集到的信號清晰平穩(wěn)，噪聲基本濾除，整個系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性，并能在PC機上顯示波形?？蓱糜谥欣夏耆?/p>

15、或心腦血管疾病患者的監(jiān)護以及日常的健康檢測。圖4 程序設計總流程圖Reference1景軍，牛英勃，景桂芳，等.基于無線傳輸技術的人體脈搏采集分析系統(tǒng)J.微處理機，2009，30（6）.2張洪潤，張亞凡.傳感器技術與應用教程M.北京：清華大學出版社，2005.3劉濤，趙艷飛，劉志剛，等.基于STC89C52的多通道脈搏采集系統(tǒng)設計J.現(xiàn)代電子技術，2011，34（15）.4蔣超，金陶威，李世嬌，等.高精度無線脈搏波采集系統(tǒng)J.電子測量技術，2013，39（7）.endprint摘 要 脈搏波信號當中包含著人體最重要、最基本的生理參數(shù)，對診斷心臟及心血管疾病具有重要的臨床診斷價值。本設計以STC

16、89C52單片機為控制核心，利用壓電脈搏傳感器采集脈搏波，經信號放大、濾波、A/D轉換后送入單片機處理，顯示脈搏測量結果，并通過串口電路送上位機顯示波形。Key STC89C52；脈搏信號；信號調理電路；HK-2000B：TP274 ：A ：1671-7597（2014）05-0031-02當前社會已經把追求自身和家人的健康作為一種時尚。但是由于人們的飲食結構和生活起居習慣的不合理，導致心血管疾病等慢性病成為威脅人類健康的高發(fā)病，如何監(jiān)測和預防心血管疾病已成為日常保健不可缺少的重要部分。傳統(tǒng)中醫(yī)的脈搏診斷主要依賴于醫(yī)生各自的經驗和主觀判斷，使得醫(yī)生對脈象的辨識缺乏客觀、統(tǒng)一、精確的標準。因此，

17、采集脈搏波并在PC機上對脈搏波進行客觀處理對更好的診斷和預防心腦血管疾病有著很強的社會意義和研究價值。1 系統(tǒng)體系結構本系統(tǒng)由單片機、脈搏傳感器、信號調理電路、A/D轉換器和串口通信電路等主要模塊組成。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)結構框圖脈搏傳感器對人體脈搏波信號進行采集，并將采集到的信號通過信號調理電路進行放大、濾波等預處理，再將預處理后的模擬信號經過A/D轉換變?yōu)閿?shù)字信號，送入單片機進行計算并顯示，最后由串行通信電路傳至上位機，為更加詳盡的病理分析做準備。2 硬件電路設計2.1 傳感器的選取本設計所選取的脈搏傳感器是華科電子生產的HK-2000B型壓電脈搏傳感器。其內部將力敏元件（P

18、VDF壓電膜）、靈敏度溫度補償元件、溫感元件、簡單信號調理電路通過高度集成化工藝集成在傳感器里，是一種軟接觸式的無創(chuàng)傷脈搏傳感器，能將脈搏的壓力轉換為和脈壓對應模擬電壓信號。另外，傳感器的采樣頻率為200 Hz，完全能滿足脈搏信號采集需要。2.2 信號調理電路由脈搏傳感器所提取的脈壓信號幅值微小、頻率低、隨機性強。另外，采集過程不可避免地要引入一些干擾信號，如：檢測現(xiàn)場很多電氣設備運行時的干擾噪聲、電子線路固有的熱噪聲和散粒噪聲等，這些噪聲會疊加在微弱的脈搏信號上，削弱和影響了脈搏信號的真實性，因此在數(shù)據(jù)正式使用之前要對其進行預處理。本設計主要通過信號放大、濾波等方式對信號進行預處理，以達到提

19、高有效信號幅值，濾除干擾信號的目的。1）放大電路的設計。因為傳感器采樣輸出電壓是-0.1 V0.6 V，幅值微小且有負電壓存在，而A/D轉換器MAX1240定義的最低轉換極限為0V。因此需要放大電路提升信號幅值。本設計選用LM358構成放大電路如圖2所示。滿足A/D轉換采樣電壓要求。圖2 放大電路2）濾波電路的設計。根據(jù)臨床經驗，人體脈搏通常在40180次/min，其頻率約為0.6 Hz3 Hz，脈搏波的絕大部分能量集中在30 Hz以下，另外，為了避免工頻50 Hz的干擾。LPF的轉折頻率取40 Hz，HPF的轉折頻率取0.1 Hz。則HPF的通帶頻率范圍為0.1 Hz40 Hz。濾波電路如圖3所示。圖3 濾波電路2.3 A/D轉換電路本設計要求所采集的信號具有較高的分辨率，選用MAXIM公司生產的單通道12位逐次逼近型串行A/D轉換器。它外圍電路簡單，共有8個管腳，模擬信號由AIN管腳輸入，DOUT、CS、SOLK管腳分別與單片機P1.2、P1.1、P1.0相連。經使用，其轉換速度快，工作可靠，適用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。2.4 主控芯片本設計選用單片機STC89C52作為主控芯片，主要完成信號的A/D轉換、測量數(shù)據(jù)顯示及與上位機的串口通信功能。STC89C52系列單片機是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，使用經典的MCS-51內核，指令代碼與傳統(tǒng)