基于AVR及无线收发模块的脉搏监测系统设计.doc

1、 摘 要 随着人们生活的水平不断提高， 生活方式、饮食结构不断改变，习惯的变化和高节奏的生活导致了高血压、冠心病等心血管疾病成为常见病与多发病 。 要避免和减少高血压、冠心病这类心血管疾病给人类健康带来的严重危害，有效的旱期诊断治疗方法和设备，快速的发病后的救治手段都是非常重要的 ,这些也正是当前广大医学界专家正在共同努力研究的重点。而 脉搏是人体活动最重要、最灵敏和最可靠的信息源，是反映人体健康状况的重要窗口，而对脉搏的提取速度又快，因此利用脉搏信号快速的发现病因也是一个有效的方法。 本课题采用 嵌入式与无线通讯技术，提出处理脉信号的新方案 ,即采集及处理与无线发送部分（前端系统） +无线接

2、收与 PC 机显示部分（后端系统）。 前端系统主要负责脉搏信号的采集和初步处理并发送，能够单独工作；通过无线接收和串口接口连接到 PC 机上显示，后端系统主要负责跟踪显示由前端系统传递来的信号。正是有了无线接收模块的作用，使得系统具备了远程监测的能力。 本文论述了课题研究的现状和意义以及设计方案；介绍了主要的芯片的原理和他们的使用方法；阐述了硬件设计与软件设计方案；说明了相应软件的流程和方法，并解说了相应硬件与软件的 调试。最后对所做的工作进行了分析和总结，指出了系统涵待改进和提高的地方，展望了系统今后的发展方向。 关键词 : 嵌入式系统 ;无线收发模块 ;串口 ;传感器 Abstract W

3、ith peoples lives has improved continuously, lifestyle, the changing structure of diet, habits change and the high tempo of life has led to hypertension, coronary heart disease and other cardiovascular diseases became common diseases and frequently-occurring disease.To prevent and reduce hypertensio

4、n, coronary heart disease such cardiovascular disease to the serious human health hazards, effective diagnosis and treatment of the dry method and equipment, rapid onset of treatment methods are very important, these are precisely the current The broad masses of medical experts are working together

5、the focus of the study.The pulse of human activities is the most important and most sensitive and most reliable source of information, to reflect the health status of an important window on the pulse of the fast speed of extraction, use of rapid pulse signals that cause is also an effective method.

6、The issue with the use of embedded wireless technology, network signal processing by the new programme,acquisition and processing and wireless transmitter part (front-end systems) + wireless receiver and PC revealed that some of (back-end systems).Front-end system is mainly responsible for the signa

7、l pulse of the collection and initial processing and send to separate work and a wireless receiver connected to the serial interface on a PC, back-end system is mainly responsible for the tracking system shows that the front end to the transmission signal.It is precisely because of the role of the w

8、ireless receiver modules, making the remote monitoring system has the ability. This article discusses the issue of the status and significance of research and design programmes;On the main chip and the principle of the use of their methods on the design of hardware and software design; note the corr

9、esponding software processes and methodologies and explain the corresponding hardware and software debugging.Finally, the work done by an analysis and concluded that the culvert system to be improved and increased local and looking forward to the systems future development direction. Key words: Embe

10、dded systems; wireless transceiver module; Serial; sensor 目 录 引言 . 1 1 课题现状及研究意义 . 2 1.1 课题现状 . 2 1.2 研究意义 . 3 2 方案论证 . 4 2.1 方案选择 . 4 2.2 系统框图 . 5 3 主要芯片介绍 . 7 3.1 光电传感器 . 7 3.2 Atmega8515 . 7 3.3 无线收发模块 . 11 3.4 MAX232 芯片 . 14 4 硬件设计 . 16 4.1 采集部分 . 16 4.2 滤波部分 . 17 4.3 放大部分 . 18 4.4 555 施密特整形电路 .

11、 19 4.5 下位机处理部分 . 20 4.5.1 单片机复位电路 . 20 4.5.2 数码管显示部分电路 . 21 4.5.3 无线发送模块部分 . 21 4.5.4 单片机的晶振和中央处理部分 . 22 4.6 上位机部分 . 23 4.6.1 无线接收模块部分 . 23 4.6.2 接收数据处理部分 . 23 4.6.3 串口部分 . 24 5 软件设计 . 27 5.1 下位程序设计的流程图 . 27 5.2 无线模块部分 . 27 5.3 上位机部分流程图 . 28 5.4 VB 界面 . 28 6 系统调试与验证 . 30 6.1 硬件调试 . 30 6.1.1 采集部分 .

12、30 6.1.2 滤波部分 . 30 6.1.3 放大部分 . 31 6.1.4 555 整形部分的调试 . 31 6.1.5 下位机处理部分 . 31 6.1.6 上位机处理部分 . 32 6.2 软件调试 . 32 6.2.1 下位机处理部分 . 33 6.2.2 上位机部分 . 34 6.3 整体调试 . 36 6.4 抗干扰措施 . 37 6.4.1 硬件抗干扰措施 . 37 6.4.2 软件抗干扰措施 . 37 7 结果分析与展望 . 39 谢辞 . 40 参考文献 . 41 附录 . 42 附录一 . 42 附录二 . 43 引 言 当今 在医学领域中，生物医学参数的测试研究 是医

13、学界和工程技术界都很关心的新兴学科。运用近代传感器测试技术来解决临床诊断及实验室研究多种参数的计量检测，无论对于临床诊断与监护还是对于医学基础研究，都具有极其重要的价值和意义。用传感器测试技术来对脉搏信息进行定量分析，是目前国内外医学专家普遍关注的课题之一。 人体脉搏系统是心血管系统的重要组成部分，它是人体输送养料、传递能量和传播各种生理病理信息的重要途径，脉搏包含有丰富的人体健康状况信息。研究脉搏信息无论是在中医还是西医中都具有重要的临床诊断价值和实用意义。 计算机是现代先进的高速运算和控制工 具，因此计算机技术 在脉搏研究方面 有着其内在的必然性。利用计算机灵敏的反映、快速的计算、数据存储

14、 能力 、以及高分辨率的显示设备等功能和优势，使得 对脉搏的处理 更加准确和有效。 因为脉搏检测是带有我国中医特色和独有的生物信号检测技术，因此开发研制这样的 监测 仪器，可以同时满足医、患两方面的需求。根据对它的特点的分析，预计它的用途将是非常广泛的， 特别是如果加有其他的措施之后，如加上自我分析能力部分，它就 有着非常明显的社会效益与经济效益，主要体现在以下 几 个方面 :临床诊断、早期诊断、同步监 测 、指导用药、中医脉象原理的研究。 本 课题 结合理论研究和具体实践的基础上，对于嵌入式脉搏检测系统的硬、软件和算法作了一些有意义的研究和探讨，提出了一种新的脉搏检测和分析的系统方案 。 即

15、采用前端嵌入式 +后端系统的结构，前端嵌入式系统负责脉搏信号的采集与初步处理，后端系统进行 显示 。前端和后端系统通过 无线收发模块 CC1100 进行通讯。 整个 监控系统采用无线收发模块与最小系统 ， 这样 传递速度快，系统结构 也 简单。被监控点实时采集的 数据 通过 无线 网络通信及时地传输给 上位机的 PC 机 ，实时动态地 反映 被监测点的情 况。 1 课题现状及研究意义 1.1 课题现状 现代社会，人们生活水平不断提高，生活方式、饮食结构不断改变，习惯的变化和高节奏的生活导致了高血压、冠心病等心血管疾病成为常见病与多发病。据统计，目前我国城市人口中每 5 个成年人中就有 1 个不

16、同程度的患有心血管方面的疾病。源于心脏与循环系统的不健康而导致的心肌梗塞、脑卒中、碎死等恶性后果时有发生，而且发病率逐年提高，发病年龄也呈下降趋势。中国每年有 100 万人死于脑卒中，并且有更多的人致残。特别是在最近，中国、日本和新西兰研究人员发现高血压是东方人脑卒中的主要原因。要避免和减少高 血压、冠心病这类心血管疾病给人类健康带来的严重危害，有效的旱期诊断治疗方法和设备，快速的发病后的救治手段都是非常重要的，这些也正是当前广大医学界专家正在共同努力研究的重点。 医学领域中，生物医学参数的测试研究是医学界和工程技术界都很关心的新兴学科。运用近代传感器测试技术来解决临床诊断及实验室研究多种参数

17、的计量检测，无论对于临床诊断与监护还是对于医学基础研究，都具有极其重要的价值和意义。用传感器测试技术来对脉搏信息进行定量分析，是目前国内外医学专家普遍关注的课题之一。 近年来日本、美国等国家的医生、学者在医学 研究、针灸研究中设计了一些脉象客观描记仪器或装置，例。这些仪器的主要功能是描记脉象波形，是用作临床观察脉象变化的工具。但是这些仪器装置大多数没有形成产品，也没有见到广泛临床应用的报道。其中比较有代表性的仪器有美国医学博士 John.H.研制的一种针灸临床用的新型无创脉波记录仪，日本的田口贤辉发明的一种 “压力、脉搏测定装置”、日本的代田文彦设计了一种“局部加压型可偿还脉装置”、日本 Co

18、lin 公司研制的一种 CBM 一 3000/2000 型挠动脉脉波检测仪以及日本 Sony 公司曾经推出的一种利用三个驻体微音器作为脉波传感元件的脉波检测仪等等。 而虽然目前己有的心血管诊疗仪器设备多种多样，例如 :比较成熟的技术有心电图检测 .x 光透视、 CT 扫描检查、核磁共振、静脉数字减影造影等，还有目前临床应用较多的 :超声心动图、放射性核素心血管造影 (核素显像 )、心电机械图、阻抗心动图和阻抗微分波图等，但这些手段要么操作复杂、费用昂贵，不容易反复进行检查，要么获得的诊断指标过少，对确诊疾病作用有限，特别是当要全面了解对病人诊断治疗非常重要的心脏血流动力学情况时，大部分体外检测

19、仪器都无能为力了，目前临床只能采取体内插入式导管的检测方法 ，但这种方法对病人是有着非常大的创伤和风险的，而且要求实施的意愿有相当高的技术与设备条件等等问题。 桂 林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 3 页 共 51 页 1.2 研究意义 脉搏是常见的生理现象，是心脏和血管状态等重要生理信息的外在反映 ;因此，脉搏检测不仅为血压测量、血流测量及其他生理检测提供了生理参考信息，而且脉搏波本身也能给出许多有诊断价值的信息。中医脉象诊断技术就是脉搏测量技术在中医诊断上的卓有成效的应用。采用传感器检测脉搏，可较客观地得到尽可能多的信息，更因为此法对人体无创伤，且使用方便，易于被人们接受。 此外，

20、近百年来，现代医学科学充分利用基础学科及有 关技术的进步而发展迅速，形成了现代科学的一部分。而祖国医学由于历史的和社会的诸多原因，没有充分利用现代科学的种种条件，尽管有合理的内涵和丰富的经验却一直停留在古代的形势和方法上。整个祖国医学如此，脉学当然亦不例外，所以，利用现代最新科学手段进行有关现代化的脉诊研究探索是一项必须的工作。而脉诊的前提是能有效提出脉搏信号的情况下。所以对脉搏的提取医疗工作的前提。 本课题采用光电传感器提取脉搏信号，用嵌入式处理脉搏信号，通过无线收发模块（ CC1100）远距离传送 ,并在 PC 机上 显示 .这样就既能减少对人体的创伤的同时 ，也能远距离并可以在 PC 机

21、上监视，形成能远程监测人体脉搏的系统，为医生的研究提供一个有效的数据基础。 桂 林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 4 页 共 51 页 2 方案论证 2.1 方案选择 要选择合理的方案，之前就应该知道要测量这个物体的特点，这样才能有准确的处理方案。因此在选择方案之前就先来了解一下脉搏信号的特点。 脉搏信号具有如下具体特点 : 信号弱、干扰强 由于脉搏信号属于主动信号，其信号源不可触及，一般来说，信号幅度很小，大约是微伏到毫伏的数量级范围。因此，极容易引入干扰，这些干扰有来自 50Hz 的工频干扰，有来自肌体动作、精神紧张带来的假象信号等。因为生 物体的各部分是不可分割、相互影响的，因此

22、，研究一个系统时，来自另一个系统的信号有可能成为噪声，而且这种噪声有时可能比所需的信号强得多。 频率低 人体脉搏信号频率较低，属次声波，其频谱主要分布在 0-4Hz之间。 变异性 脉搏信号的变异性来自脉搏系统的变异性，这是由于人体生命过程具有一种借助自身内在的调节机制以适应环境变化的能力，因此，表现在不同的疾病会具有不同的脉搏信号 (即脉象 )，相同的疾病在不同人身上也会表现出不同的脉象，同一个人的同一疾病在不同时期也会出现不同的脉象，同类脉象在不同病症之间也略有差异。 对 于脉搏信号的特点，可以知道，选择测量传感器对脉搏信号的提取最为关键，以下是几种可测量脉搏信号的传感器： 1、压力传感器：

23、用压力传感器采集脉搏信号，原理是将脉搏跳动产生的力通过传感器转化为电信号。他的特点是跳动的脉搏信号要强，如果跳动信号弱，那么传感器可能不能有效的反映出脉搏信号。要么就提高传感器的精度，大家都知道提高一个器件的精度的代价是什么样，而且使用时要用东西把他固定住，这也使得使用起来比较麻烦。 2、光电传感器：用光电传感器采集脉搏信号，原理是吸收红外线穿透血管时血液浓度的改变而导致红 外线强度的改变使红外线吸收传感器产生电信号的变化来反映脉搏的变化。 无论要测量的部位是否有强度的脉搏信号的跳动，他基本都没受到干扰，只要有血液浓度的变化就能导致电信号的改变。在 体育方面测量，用的脉搏测量大致有指脉和耳脉二

24、种方式。这二种测量方式各有优缺点，指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降；耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确。对一般测量，本课题采用指脉的测量方式 ，第一，桂 林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 5 页 共 51 页 可以简便快速的测量；第二，考虑到性价比。 对指脉的测量有 两种方法 ;光电容积法和阻抗容积法。这两种方法都是采用光电传感器从人体指尖上获取脉搏波。光电传感器有两种类型，即透射型和反射型 。 透射型是指光源和光电接收器分别位于被测手

25、指的上下两侧，它是利用肌肉比较容易透射光线，而血液对光线有选择吸收作用的原理制成。光源用红色发光二极管置于指尖上方，光电接收器用光敏三极管 或者光敏二极管 置于指尖下方。发光二极管发出的光线透过指尖被光敏只极管接收，手指指尖血管血液容积在血液循环过程中呈现博动性变化，于是 光敏三极管 或者光敏二极管 获得的信号便反映了手指动脉血液容积搏动变化的情况，光敏三极管的输出信号呈现周期性变化，经放大后即得到周期性变化的指尖脉搏波信号。如图 2.1.1 所示 。 反射型是指光源和光电接收器同置于被测指尖的下方，并靠在一起，发光二极管发出光纤，光敏三极管对血压变化所引起的光线发射率变化做出响应，经过相似的处理后也可以得到周期性变化的指尖脉搏波信号。如图 2.1.2 所示。 本课题采用透射式探头。 2.2 系统框图 系统框图如下图 2.2.1 所示 桂 林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 6 页 共 51 页 图 2.2.1 系统整体框图 数码管显示 脉搏信号采集 信号的 滤波与放大 波形转换电路 前端 MCU 处理部分 无线发送部分 无线接收部分 后端 MCU 部分 数码管跟踪显示 串口部分 PC 机显示部分