数字式人体脉搏器的设计xiugaiban.docx
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数字式人体脉搏器的设计xiugaiban
基于单片机的心率监测仪设计
学院机电工程学院
专业农业电气化与自动化
学生姓名王金龙赵媛媛
日期20131.2
摘要
脉搏波所呈现出来的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，能反映出人体心血管系统中许多生理疾病的血流特征。
根据人体脉搏信号特征，本文设计了一种脉搏波动频率测量系统。
本系统通过脉搏传感器采集脉搏信息输出电压信号，经信号放大电路对其进行放大。
然后，将放大后的脉搏信号通过A/D转换器转换为单片机易于处理的脉冲信号。
通过单片机编程对脉冲信号进行处理，实现对脉搏波动频率的测量和计算，最终在LCD中直观地显示出来。
通过调试，表明本系统可以实现对脉搏波动频率的测量，为医生的诊断提供客观依据，具有一定的临床应用价值。
本文首先描述本设计的整体思路，然后介绍各个部分设计中的细节问题，最后提出一些完善本设计的改进意见。
关键词：
脉搏单片机传感器
第1章绪论
1.1脉搏测量的研究概况及意义
随着科学技术的发展，人类进入了信息化电子时代，传感器技术作为现代技术的主要内容将有较大的发展。
信息技术包括技术、通信技术和传感器技术。
现代人类社会已经进入信息时代，因而信息技术对社会发展，科学进步将起到决定性作用。
现代信息技术的基础是信息采集、信息传输与信息处理，他们就是传感器技术、通信技术和计算机技术。
传统的脉搏测量用手工测量，通常将指尖轻压动脉向较坚实的面，以使脉搏的感觉传到指尖，如果将动脉压上软的组织，则脉动波会被吸收或抵消，使指尖不易触觉脉动；指尖压在动脉上的力量要适中，用力太重将阻断血流，反而无脉搏产生。
这种手工方法虽然简单易行，但容易产生误差，特别是临床住院病人常规的监测上，这种手工测脉搏的方法不仅影响工作效率，并且不能连续监测，无法实时观察。
1.2主要完成的任务及设计思想
本设计完成对脉搏信号的采集及对脉搏波波形的显示。
但由于本人能力有限，本设计中主要完成脉搏波动频率，即每分钟脉搏跳动次数的测量及显示，为脉诊的客观化打下基础。
将脉搏信号通过脉搏传感器采集、信号放大电路、A/D转换，单片机系统处理得到每分钟脉搏跳动次数，最后在显示电路中直观地显示出来。
本设计主要完成的内容有：
（1）脉搏传感器的选型。
脉搏传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式决定了脉搏测量精度，因此其选型对整个设计具有非常重要的作用。
（2）系统硬件设计。
脉搏传感器出来的信号幅值较低，所以，脉搏传感器出来的信号首先应进行放大。
然后，将脉搏信号通过差动式放大电路放大脉冲信号，经A/D转换后，还需要设计单片机微处理系统及显示部分硬件电路。
（3）系统软件设计。
本设计需给出脉搏波动频率，所以需要对单片机进行编程，以实现对脉搏波动频率的测量、计算及显示。
（4）系统软硬件调试。
系统硬件电路及软件编程完成之后，需要把程序装载到单片机内，进行调试，以便检查系统设计的正确性和最终显示脉搏波动频率。
1.3论文的结构组成
本论文分为五部分:
绪论：
主要阐述数字式脉搏器的设计背景及意义，说明主要完成的任务及设计思想，介绍本论文的组成。
第二章：
主要介绍脉搏波动频率测量系统硬件原理框图及软件实现方案。
第三章：
介绍以单片机AT89C51为信息处理核心的脉搏波动频率测量的硬件设计电路，详细分析各单元的硬件电路，并给出相关电路原理图。
第四章：
根据仪器的硬件构成和功能要求，给出相应的软件设计及主要程序流程图。
第五章：
系统调试过程及得到的结论。
第2章数字式脉搏器测量系统总体方案设计
2.1系统硬件电路设计方案
数字式脉搏器[2]是通过脉搏传感器采集脉搏信息输出电压信号，经信号放大电路对其进行放大。
然后，将放大后的脉搏信号通过A/D转换模块转换为单片机易于处理的脉冲信号。
通过对单片机进行编程来实现对脉搏波动频率的测量和计算，最终在显示电路中直观的显示出来。
硬件原理框图如图2.1所示：
图2.1数字式脉搏器测量系统硬件原理框图
由图可知，本系统硬件部分主要由以下部分构成：
脉搏传感器部分、信号放大电路部分、A/D转换电路部分、单片机处理电路部分及显示电路部分。
其中各部分实现功能如下：
（1）脉搏传感器部分。
选用合适的脉搏传感器，将脉搏信号转换成电信号输出。
脉搏传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式决定了脉搏测量精度，因此其选型对整个设计具有决定性的作用。
（2）信号放大电路部分。
脉搏传感器出来的电压信号较弱，一般在毫伏级，需要进行放大。
所以，设计信号放大电路，将脉搏传感器出来的信号进行放大，使之成为一个幅值适当的信号，便于后续电路的处理。
（3）A/D转换电路部分。
单片机是数字信号处理工具，输入单片机的信号必须是离散的数字信号或者是脉冲信号，经A/D转化，便于单片机处理。
（4）单片机处理电路部分。
本设计作为一个简单脉搏测量仪，最后需给出脉搏波动频率，以单片机作为信息处理中心，通过对单片机进行编程，完成信号输入检测、信息分析处理及信息显示。
（5）显示电路部分。
单片机处理得到的脉搏波动频率信息，最后在显示电路中直观地显示出来。
所以，需要选用合适的显示设备及显示电路，来实现对脉搏波动频率信息的显示。
2.1.1脉搏传感器的选择
传感器又称为换能器、变换器等。
脉搏传感器是脉搏检测系统中重要的组成部分，其基本功能是将切脉压力和桡动脉搏动压力这样一些物理量（非电量）转换成为便于测量的电量。
脉搏传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式决定了脉搏测量精度，因此其选型对整个设计具有决定性的作用。
目前，脉搏信号的测量方式主要有：
（1）光电脉搏波传感器。
血管不受压力时，血流均匀，反射光也比较均匀，故传感器无脉搏信号输出；当血管受压血液不流动时，传感器也无输出信号；只有当血管受到挤压，血管中的血液断续流动时，反射光也随之变化，这时传感器输出脉搏信号，达到了测量脉搏的作用。
这种传感器的特点是结构简单、可靠性高、抗干扰能力强，主要用于测量脉搏的跳动次数。
人体不同部位的脉搏波波形存在差异，光电脉搏波传感器不适合用于提取不同部位的脉搏波信号。
（2）压力传感器测量。
压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。
压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。
它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。
压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。
压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。
也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。
它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
图2.2信号发生部分
其测量原理是，将测力传感器的受力端压在人体桡动脉处，模仿人的指头。
这种方式通常采用压阻式传感器，它具有抗干扰能力强的特点，但由于动脉血管产生的力很小，故量程小，抗冲击力不强。
脉搏信号还表现为皮肤振动，因此可以用加速度传感器进行检测，其特点是结构简单、体积小、波形测量精度较高。
本设计中的脉搏传感器用MPX4115压力传感器[3]，如图2.2所示。
表2.1表明了引脚连接，脚1接运算放大电路输入端，脚2接地，脚3接+5V电源等。
表2.2，2.3分别为传感器的一些参数。
表2.1MPX4115
引脚功能
１
２
３
４
５
６
Vout
地
Vs
N/C
N/C
N/C
表2.2最大额定值（Tc=25℃）
参数
符号
数值
单位
最大压力（P1>P2）
Pmax
400
KPa
存贮温度
Tstg
-40～+125
℃
操作温度
TA
-40～+125
℃
表2.3传感器工作特性参数（VS=5.1Vdc,TＡ=25℃）
参数
符号
最小
典型
最大
单位
压力范围
Pop
15
-
115
KPa
供电电压
Vs
4.85
5.1
5.35
Vdc
供电电流
Lo
-
7.0
10
mAdc
最大压力偏置（0℃～85℃）
@Vs=5.0V
Vpss
0.135
0.204
0.273
Vdc
满量程输出（0℃～85℃）
@Vs=5.0V
Voff
4.725
4.794
4.863
Vdc
满量程比例（0℃～85℃）
@Vs=5.0V
VFSS
4.521
4.590
4.695
Vdc
精度（0℃～85℃）
-
-
-
±1.5
%VPSS
灵敏度
V/P
-
45.9
-
mV/KPa
响应时间（10%～90%）
tR
-
1.0
-
ms
上升报警时间
-
-
20
-
ms
偏置稳定性
-
-
±0.5
-
%VFSS
2.1.2信号放大电路的选择
脉搏传感器出来的电压信号较弱，一般在毫伏级，需要对其进行放大。
所以，设计信号放大电路，将脉搏传感器出来的信号进行放大，使之成为一个幅值适当的信号，便于后续电路的处理。
MPX4115型压电式脉搏传感器输出电压大约为-10mv～40mv，在后续电路中需要将其通过差动式放大电路，将信号放大，然后通过A/D转换电路转换为数字脉冲信号。
差动放大电路广泛地应用于模拟集成电路中，它具有很高的共模抑制比。
诸如由电源波动、温度变化等外界干扰都会引起工作点不稳定，它们都可以看作是一种共模信号。
差动放大电路能抑制共模信号的放大，对上述变化有良好的适应性，使放大器有较高的稳定度。
所以本设计选择了差动放大电路。
2.1.3单片机的选择
本设计作为一个简单脉搏测量仪，最后需给出脉搏波动频率。
以单片机作为信息处理中心，通过对单片机进行编程，完成信号输入检测、信息分析处理及信息显示。
（1）AVR单片机
AVR单片机[4]是ATMEL公司生产的单片机。
1997年,由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术,共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。
相对于出现较早也较为成熟的51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代51系列单片机。
其特点是高速度（50ns）、低功耗,硬件应用Harward结构，具有预取指令功能，使得指令可以在一个时钟周期内执行，而MSC-51要12个时钟周期执行一条指令。
AVR单片机如LPC2131等。
（2）凌阳单片机
凌阳是台湾凌阳公司推出的单片机，具有高速度、低价、可靠、实用、体积小、功耗低和简单易学等特点，它的CPU内核采用凌阳推出的MicrocontrollerandSignalProcessor16位微机处理器芯片，以下简称µ’nSP。
围绕micro;’nSP所形成的16位u’nSP系列单片机，以下简称µ’nSP家族。
采用的是模块式集成结构，它以µ’nSP内核为中心集成不同规模的ROMPAM和功能丰富的各种外设部件。
µ’nSP内核是一个通用的和结构。
除此之外的其它功能模块均为可选结构。
以及这种结构可大可小可有可无，借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可成为各种系列的派生产品，以适合不同场合，这样做无疑会使每种派生产品具有更强的功能和更低的成本。
µ’nSP家族有有以下特点：
体积小，集成度高，可靠性好易于扩展。
µ’nSP家族把各功能把各功能部件模块化地集成在一个芯片里。
内部采用总线结构，因为减少了各功能部件之间的连接，
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