1、- i -本科毕业论文（20 届）基于单片机的脉搏测量仪的设计与实现所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期- ii -基于单片机的脉搏测量仪目 录前言 .2第 1 章 概述 .3第 1.1 节 选题的背景和意义 .3第 1.2 节 脉搏测量仪的发展与应用 .3第 2 章 硬件系统设计 .5第 2.1 节 控制器 .5第 2.2 节 脉搏信号采集 .6第 2.3 节 信号放大 .8第 2.4 节 波形整形电路 .9第 2.5 节 单片机处理电路 .10第 2.6 节 显示电路 .10第 3 章 软件系统设计 .11第 3.1 节 主程序流程 .11第 3.2 节 定时器中断程序流
2、程 .11第 3.3 节 INT 中断程序流程 .12第 3.4 节 显示程序流程 .12第 3.5 节 软件说明 .13第 4 章 系统测试 .14第 4.1 节 系统调试 .14第 4.2 节 系统检验 .14第 4.3 节 误差分析 .15结论 .17参考文献 .18致谢 .19附录 .20附录 1：原理图 .20附录 2：源程序 .20第 1 页基于单片机的脉搏测量仪【摘要】:脉搏测量仪在我们的日常生活中已经得到了非常广泛的应用。为了提高脉搏测量仪的简便性和精确度，本课题设计了一种基于 51 单片机的脉搏测量仪。系统以AT89S52 单片机为核心，以红外发光二极管和光敏三极管为传感器，
3、并利用单片机系统内部定时器来计算时间，由光敏三极管感应产生脉冲，单片机通过对脉冲累加得到脉搏跳动次数，时间由定时器定时而得。系统运行中能显示脉搏次数和时间，系统停止运行时，能够显示总的脉搏次数和时间。经测试，系统工作正常，达到设计要求。【关键词】：脉搏测量仪；AT89S52 单片机；光电传感器Abstract : Pulse measuring instrument has been widely used in our daily life. In order to increase its simplicity and accuracy, this subject designs one
4、system based on single-chip microcomputer and infrared light emitting diode and photo transistor as sensors, and calculates time with using of the inner timer. The sensor produces pulse and the single-chip microcomputer gets the frequency by accumulating the pulses, and the timer obtains the time. T
5、he system could display the frequency and time of the pulse during operation. It can also shows the total number when it stops. After testing, the system works well and meets the design requirements.Keywords：Pulse measurement; AT89S52 single-chip microcomputer; photoelectric sensor第 2 页前言脉搏测量属于检测有无脉
6、博的测量，有脉搏时遮挡光线，无脉搏时透光强，所采用的传感器是红外接收二极管和红外发射二极管。用于体育测量用的脉搏测量大致有指脉和耳脉二种方式。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。从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。几乎世界上所有的民族都用过“摸脉”作为诊断疾病的手段。脉搏波所呈现出的形态( 波形) 、强度 (波幅) 、速率(波速)和节律
7、 (周期)等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号, 脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号, 必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。第 3 页第 1 章 概述第 1.1 节 选题的背景和意义脉搏携带有丰富的人体健康状况的信息，自公元三世纪我国最早的脉学专著脉经问世以来，脉学理论得到不断的发展和提高。在中医四诊（望、闻、问、切）中，脉诊占有非常重要的位置。脉诊是我国传统医学中最具特色的一项诊断方法，其历史悠久，内容丰富，是中医“整体观念” 、 “辨证论证”的基
8、本精神的体现与应用。脉诊作为“绿色无创”诊断的手段和方法，得到了中外人士的关注。但由于中医是靠手指获取脉搏信息，虽然脉诊具有简便、无创、无痛的特点易为患者接受，然而在长期的医疗实践中也暴露出一些缺陷。首先，切脉单凭医生手指感觉辨别脉象的特征，受到感觉、经验和表述的限制，并且难免存在许多主观臆断因素，影响了对脉象判断的规范化；其次，这种用手指切脉的技巧很难掌握；再则，感知的脉象无法记录和保存影响了对脉象机理的研究。脉诊的这种定性化和主观性，大大影响了其精度与可行性，成为中医脉诊应用、发展和交流中的制约因素。为了将传统的中医药学发扬光大，促进脉诊的应用和发展，必须与现代科技相结合，实现更科学、客观
9、的诊断 1。医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。为了节省时间，一般不会作 1 分钟的测量，通常是测量 10 秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以 6 即得到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高。为了提高脉搏测量的精确与速度，多种脉搏测量仪被运用到医学上来，从而开辟了一条全新的医学诊断方法。国内 20 世纪 50 年代初朱颜将脉搏仪引用到中医脉诊的客观化研究方面。此后随着机械及电子技术的发展，国内外在研制中医脉象仪方面进展很快，尤其是 70 年代中期，国内天津、上海、江西等地相继成立了跨学科的脉象研究协作组
10、，多学科共同合作促使中医脉象研究工作进入了一个新的境界。脉象探头式样很多，有单部、三部、单点、多点、刚性接触式、软性接触式、气压式、硅杯式、液态汞、液态水、子母式等组成,脉象探头的主要原件有应变片、压电晶体、单晶硅、光敏元件、PVDF 压电薄膜等，其中以单部单点应变片式为最广泛，不过近年来正在向三部多点式方向设计 2。目前脉搏测量仪在多个领域被广泛应用，除了应用于医学领域，如无创心血管功能检测、妊高症检测、中医脉象、脉率检测等等，商业应用也不断拓展，如运动、健身器材中的心率测试都用到了技术先进的脉搏测量仪。第 1.2 节 脉搏测量仪的发展与应用第 4 页随着科学技术的发展，脉搏测量技术也越来越
11、先进，对脉搏的测量精度也越来越高，国内外先后研制了不同类型的脉搏测量仪，而其中关键是对脉搏传感器的研究。起初用于体育测量的脉搏测试集中在对接触式传感器的研究，利用此类传感器所研制的指脉、耳脉等测量仪各有其优缺点。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 3。过去在医院临床监护和日常中老年保健中出现的日常监护仪器，如便携式电子血压计，可以完成脉搏的测量,但是这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每次测量都需要一
12、个加压和减压的过程，存在体积庞大、加减压过程会有不适、脉搏检测的精确度低等缺点。近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器，这类传感器的重要特征是测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，能够自动消除仪表自身系统的误差，测量精度高，通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。其中光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器，通过对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号。具有结构简单、无损伤、精度高、可重复使用等优点。通过光电式脉搏传感器所研制的脉搏测量仪已经应用到临床医学等各个方面并收到了理想效果。人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，是血流压力以波的形式从主动脉根
13、部开始沿着整个动脉系统传播，这种波成为脉搏波 4。从脉搏波中提取人体的心理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。脉搏波所呈现出的形态( 波形 )、强度(波幅 )、速率(波速)和节律(周期 )等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景 5。但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号, 脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号,因此必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。第 5 页第 2 章 硬件系统设计第 2.1 节 控制器本系统基于 51 系列单片机来实现，因为系统没有其它高标准的要求
14、，我们最终选择了 AT89S52 通用的比较普通单片机来实现系统设计。2.1.1. AT89S52 简介AT89S52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能的 CMOS 8 位单片机，片内含4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM) 和 128 bytes 的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器(CPU)和 Flash 存储单元，功能强大 AT89S52 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。2.1.2. AT89S52 的结构
15、此次设计所使用的 AT89S52 的封装形式是 DIP40。如图 2-1 所示：图 2-1 AT89S52 的封装形式引脚功能：P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I0 口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗转入端用。Pl 口：P1 是个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口，P1 的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号第 6 页拉低时会输出一个电
16、萌。P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流)4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P3 口：可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备。 作为第二功能使用，每一位功能定义如表 2.1 所示。表 2-1 P3 口的第二功能端口引脚 第二功能P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输入口)P3.2 INT0(外中断 0)P3.3 INT1(外中断 1)P3.4 T0(定时/计数器 0)P
17、3.5 T1(定时/计数器 1)P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器写选通)RST：复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时， ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振器频率的 16输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。PSEN：程序存储允许（PSEN ）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52 由外部程序存储器取指令(或数据)时每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此
18、期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的 PSEN 信号不出现。EA VPP： EA 0，单片机只访问外部程序存储器。 EA 1，单片机访问内部程序存储器。XTALI：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。第 2.2 节 脉搏信号采集第 7 页目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：光电容积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。近年来, 光电检测技术在临床医学应用中发展很快, 这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰, 具有很高的绝缘性, 且可非侵入地检测病人各种症状信息,具有结构简单、无损伤、精度高、可重复好等优点 6。用光
19、电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生物医学仪器工作的专家和学者的重视。2.2.1. 光电传感器的原理根据朗伯一比尔(Lamber Beer)定律，物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织吸收、反射衰减后，测量到的光强将在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征 7。脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的，在人体指尖组织中的动脉成分含量高，而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄，透过手指后检测到的光强相对较大，因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织，其中非血液组织的光吸收量是恒定的，而在血液中
20、，静脉血的搏动相对于动脉血是十分微弱的，可以忽略。因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的，那么在恒定波长的光源照射下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号 7。2.2.2. 光电传感器的结构传感器由红外发光二级管和红外接收三极管组成。采用 GaAs 红外发光二极管作为光源时，可基本抑制由呼吸运动造成的脉搏波曲线的漂移。红外接收三极管在红外光的照射下能产生电能，它的特性是将光信号转换为电信号。在本设计中，红外接收三极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。从光源发出的光除被手指组织吸收以外，一部分由血液漫反射返回，其余部分透射出来。光电式脉搏传感器按照光的
21、接收方式可分为透射式和反射式 2 种8。其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置，接收的是透射光，这种方法可较好地反映出心律的时间关系。因此本系统采用了指套式的透射型光电传感器, 实现了光电隔离,减少了对后级模拟电路的干扰。结构如图 2-2 所示：图 2-2 透射式光电传感器2.2.3. 光电传感器检测原理第 8 页检测原理是: 随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变：当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小，当血液流回心脏，组织半透明度则增大；这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显 5。因此本设计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的手指部位，经过手指组织的反
22、射和衰减由装在该部位旁边的光敏三管来接收其透射光并把它转换成电信号。由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的反射和衰减也是周期性脉动的, 于是红外接收三极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。故只要把此电信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示 9，即可实时的测出脉搏的次数。2.2.4. 信号采集电路图 2-3 是脉搏信号的采集电路，L2，L3 分别是红外发射和接收装置，由于红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大，所以对 R21 阻值的选取要求较高。R21 选择 360 同时也是基于红外接收三极管感应红外光灵敏度考虑的。R21过大，通过红外发射二
23、极管的电流偏小，红外接收三极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R21 过小，通过的电流偏大，红外接收三极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当手指离开传感器或检测到较强的干扰光线时，输入端的直流电压会出现很大变化，为了使它不致泄露到 U2A 输入端而造成错误指示，用 C8 耦合电容把它隔断 10。当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期。虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是由于红外接收三极管中存在暗电流，会造成输出电压略低。二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收三极管中的暗电流减小，输出电压上升。但该传感器输出信号的频率很低，如当脉搏只有为 50 次/分钟时，只有 0.78Hz， 200 次/分钟时也只有 3.33Hz，信号首先经 R7 滤除高频干扰，再由耦合电容 C8 加到线性放大输入端。图 2-3 信号采集电路第 2.3 节 信号放大2.3.1. 放大器的介绍由于人体的脉搏通常为 50200 次/分钟，对应的频率范围在 0.83Hz3.33Hz 之间，因
