基于单片机的脉搏心率测量仪的开发与设计.docx

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基于单片机的脉搏心率测量仪的开发与设计

哈尔滨工业大学

毕业设计（论文）

题目：

基于单片机的脉搏测量仪的研究与设计　

学院：

通信学院

专业班级：

通信工程092班

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成绩：

2013年07月01日

摘要

在传统的医疗检测中，脉象检测一直都起着非常重要的作用，人体的脉象包含着大量的人体的生理和病理方面的信息。

脉诊一直是医生诊断疾病的重要手段之一，但受人为因素的影响很大。

经医学观察研究表明，人体手指末端含有丰富的毛细血管和小动脉，这些动脉和人体其他地方的动脉一样，含有丰富的生理信息。

由于光电脉搏检测技术具有很高的绝缘性，且抗电磁等干扰能力强，可以对人体进行无损伤检测。

本文设计通过光电法对人体指尖的脉搏进行测量，并将测量信息送入单片机进行处理，最后通过数码管将测量结果显示出来。

将对脉搏信号的检测模块，脉搏信息的处理模块，单片机，数码管显示模块等电路集成在一块电路板上，形成一个简易的脉搏测量仪。

这种测量仪具有精确度高，体积小，价格便宜，易于操作等特点，特别适合于个人使用和家庭使用，给我们的生活带来极大方便，让我们第一时间对自己的身体状况有进一步的了解。

关键词：

脉搏；光电传感器；单片机；数码管

Abstract

Inthetraditionalmedicaltesting，thepulseconditiondetectionhasbeenplayingaveryimportantrole．Thepulseconditionofthehumanbodycontainsalargenumberofphysiologyinformationandpathologyinformation，thepulseexaminationhasbeenbeingoneoftheimportantmeansforthedoctortodiagnosistheillness．Buttheman-madefactorsinfluenceitverymuch，themedicalobservationresearchshows．Theendofthefingercontainsrichcapillariesandsmallarteries．Thesearteriesandtheotherarteriesofthebodyholdrichphysiologicinformation．ThePhotoelectricpulsedetectingtechnologycantestthebodywithoutdamageowingtoitshighinsulationandstrongabilitytoresisttheelectromagneticinterference．Thisdesigninthetextcansurveythepulseofthefingertipthroughphotoelectricmethodandtransporttheinformationtothemicrocontrollertodowithit．Atlast，theresultisshowedbythedigitaltube．Whentheelectriccircuitsuchasthedetectionmoduleofthepulsesignal，theprocessingmoduleofthepulseinformation，SCM，digitaltubeareintegratedintheboardofelectriccircuit，itformedansimplepulsemeasuringinstrument，thisinstrumenthashighaccuracy，small,cheap，andeasytooperate．Itisespeciallysuitableforpersonaluseandfamilyuse．Itbringsgreatconveniencetoourlife，sowecanhaveafurtherunderstandingofourbodycondition．

Keywords:

Pulse；Photoelectrictransducer；SCM；Digitaltube

第1章绪论

1.1研究的目的和意义

随着社会的不断发展，我们从工业化时代进入信息化时代，这种转变是社会发展的必然，在我们的现实生活中，随着人们生活水平的不断提高，健康饮食，健康生活越来越受到人们的重视。

在我们的日常生活中，为事业为生活我们四处奔波，紧张的工作，劳累一段时间之后，我们都会担心我们的身体会因为劳累过度等原因造成一定的损伤，这时候，我们会选择去医院做一个身体检查，到医院以后，医生或者护士都会通过把脉、做心电图、胸透等方法对我们的身体进行全面的检查，通过分析脉象和心电图来对我们的身体状况作出判断。

于是在节假日的时候，都会有很多人去医院检查身体，由于人很多，需要排很长的队，有时候都不一定能排上，加上昂贵的检查费用，以至于不是每个人都能到医院进行身体检查。

身体是革命的本钱，也是我们生存的根本，我们每个人都想对自己的身体健康状况有更加细微的了解，如何才能更加精确的检查我们的身体状况？

怎么样才能更加简单的对我们的身体进行检查？

什么样的检查能让我们花更少的钱？

这都是我们应该考虑的问题，能不能设计一种简单的仪器，不仅操作简单，价格便宜，还能精确检测我们的身体状况呢？

人体心室周期性的收缩和舒张将导致人体主动脉的收缩和舒张，使血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波称为脉搏波。

脉搏波呈现出的强度、状态、节律和速率等方面的综合信息，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性。

人体的脉搏能准确的反映人体的健康状况，通过对脉搏的测量，我们就能对自己的身体有一个大致的了解，在中国很早就有通过把脉检查人体健康状况的研究，而中医的脉相诊断技术就是脉搏测量在中医上卓有成效的应用，但是通过把脉对身体的检查受人为因素影响比较大，而且精确度也不是很高。

现在社会各界都提出一种叫做无创测量（noninvasivemeasurements）又称为非入侵式测量或间接测量，其最重要的特征就是测量的探测部分不侵入人体内，不会对人的身体造成损伤，通过对体表器官的检测间接测量人体的生理和升华参数，医学传感器是获取生物信息并将其转换成易于测量和处理信号的一个关键器件。

光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器，充分利用了光的穿透性和不同物质对光的吸收频率的不同的特点设计而成，通常对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号，光电式脉搏传感器具有结构简单、无损伤、复精确度高、价格便宜、操作简单、可重复使用等优点。

1.2国内外的研究现状

目前，基于人们对健康的追求，国内外越来越多的人都在致力于人体检测器件的相关研究和开发，在解决人体无创伤检测方面也取得了卓有成效的成就，在很多中外学者的研究论文中，都有对脉搏测量仪的相关研究和而且也取得了一定的突破。

在他们的研究论文中也有对脉搏测量仪功能设计方面的很多重要突破的记载，而现在很多研发公司在脉搏测量仪产品的研发和生产方面，也在不断地创新，市面上多种多样的测量仪相继出现在世人面前。

2011年，万宝龙于日内瓦高级钟表沙龙SIHH上推出全新CollectionVilleret1858系列VintagePulsographe款腕表，即复刻版测量脉搏计时表之意，以标志现代计时技术面世190周年纪念。

在国外，针对脉搏信号检测分析系统的研究比较早，发展比较快，也比较深入。

早在80年代研制的液态传感器就是利用将单位长度管段动脉内血液体积随时间变化量转换成导电液柱体电阻的该变量来测量脉搏波形。

自1969年Kawai发现PVDF薄膜（聚偏氟乙烯）具有明显的压电特性后，PVDF薄膜经过几十年的应用和基础研究，近年来被广泛应用于医疗器械开发和研究中。

早在1969年10月，世界上最先运用光敏器件开发光电传感器的公司日本神视株式社会正式成立，此后国外很多大公司越来越重视利用光电传感器实现脉搏信息的无创伤检测的研究。

下面是收集一些资料：

南朝鲜的PARKYE也曾研制脉象仪；日本田口贤惠曾研制“压力、脉搏测定装置”，代田文彦设计了“局部加压型检脉装置”，Sony公司产生出脉搏记录仪，藤田六郎研制出不接触部位就能测出最大脉搏的光电管容积脉诊仪，冈田藤用陶瓷性压力感测器，开发出适合于浮、中、沉各压力等级的原件，并用此传感器描述了脉象对应的脉搏图形；美国LAUB博士曾研制用于针灸临床新型无创脉搏记录仪；英国人Marcy最早设计了以弹簧为动力的杠杆式脉搏传感器，并记录了桡动脉脉搏波[1]。

在国内，对脉搏信号监测分析的研制和分析处理方法研究上落后于以美国和德国为代表的西方国家，但随着最近几十年生物医学的兴起与发展，我们已经逐步缩小与西方国家的差距，取得了很大的进步。

下面是收集的一些资料：

1998年国科技大学的朱国富等人研制了袖珍式脉搏测量仪，采用了光电传感器采集脉搏数据[2]。

1999年清华大学的金观昌教授等人将PVDF薄膜用于多点脉搏波测试系统研制当中[3]；西北工业大学刘希的基于USB的多道生物医学信号数据采集系统[4]；武汉大学袁志勇等人嵌入式脉搏检测分析系统的研制[5]；东南大学杨序等人的脉搏数据采集器的研制[6]；北京中医药大学牛欣、杨杰等研制了压力与B超整合的中医诊脉装置，认为可以实时直观观察寸口桡动脉运动情况[7]；兰州理工大学张爱华等人基于动态图像的多点脉搏信号检测方法[8]；目前上海中医药大学汤伟昌研制了压力式三探头传感器，以模拟中医寸关尺取脉，并探讨三探头传感器与单探头传感器以及三探头传感器之间信息提取的差别[9]；目前在国内市场上得到认可、应用较普遍的主要是上海中医药大学费兆馥教授为主要研究者，与复旦大学等单位联合研制生产的ZM-1型单探头中医脉象仪，ZM-IIIc型智能脉象仪；上海医药大学与上海交通大学研制的TP-I型脉象数字化分析仪也已进入临床检测应用。

最近，日本学者又提出了以脉搏波传导速度与血压的相关性来间接测量血压，用检测分析脉搏波的方法估计液压的课题，足见脉搏检测的应用有着良好的发展前景。

1.3设计内容

此次设计主要采用光电式脉搏传感器，以AT89C2051单片机和LM324芯片为主要核心对人体的脉搏进行检测，并通过LED数码管来显示人体一分钟的脉搏震动次数，本文主要完成以下几项工作：

（1）根据基本原理设计出总体的框图。

（2）了解每一个功能模块，并设计出相应子电路。

（3）连接每个功能模块并且生成总体电路图。

（4）根据硬件电路图和所要实现的功能编写软件程序。

（5）完成硬件调试和软件仿真。

（6）分析调试中遇到的问题并找到解决的方案。

脉搏测量仪测量系统结构框图如图1-1所示：

图1-1系统结构框图

第2章课题方案论证

选择什么样的脉搏传感器是这次设计的关键，目前很多公司和厂商都在致力于脉搏传感器的研究，而且都有很成熟的技术，在功能上也有很多拓展，比如在检测脉搏的同时还能检测人体的体温、血液含氧量、血红蛋白含量等参数，而且传感器内集成了像信号放大器、滤波器、波形整形等电路，使得传感器的精确度更高了，输出的直接就是脉搏信号或者脉搏波信号，只需将传感器界面接在示波器上，就能直接显示出脉搏波形图，使用极为方便，这样的脉搏传感器已被很多医疗器材所使用，甚至在很多健身器材上也有这样的脉搏传感器。

市面上根据不同原理有多种多样的脉搏传感器相继出现，其中出现做多的是压电式脉搏传感器和光电式脉搏传感器，光电式脉搏传感器根据利用的光的原理的不同有可以分为透射式光电脉搏传感器和反射式脉搏传感器，这几种传感器是根据两种不同的物理学原理设计制作而成，在性能上各具优点，而且在技术上也很成熟，目前在很多人体检测仪器中都有对这两种传感器的使用。

在本次设计中，两种传感器都能达到设计预期的效果，即对脉搏的测量与显示，但选择不同的脉搏传感器，会影响到后置电路的设计，在软件设计方面也有所差别，现就针对两种传感器在本次设计中可能出现的影响进行方案论证。

方案一是采用压电式脉搏传感器，方案二是采用光电式脉搏传感器。

2.1采用压电式脉搏传感器

1969年Kawai发现经过高倍率拉伸和高电场下极化真空蒸发金属电极后的PVDF（聚偏氟乙烯）薄膜具有明显的压电特性。

经过几十年的应用和基础研究，目前PVDF的性能已明显提高，压电电压输出常数g=174，是所有压电体重最高的[10]。

PVDF压电薄膜是敏感的部件，作用是将微弱的低频的脉搏压力信号转换成电信号，因压电薄膜内阻很高，而脉搏信号比较微弱，传感器内设置了前置电荷放大器，起作用是与PVDF压电薄膜阻抗匹配，把输入高阻抗变为低阻抗输出。

二是将微弱电荷转换成电压信号并放大。

由于基线漂移、人体活动、工频干扰等因素的影响，脉搏信号具有很大的噪声，传感器还进行了去噪设计，使用了一个低通滤波电路吧高频噪声和工频干扰滤除，是脉搏信号有效成分全部通过[11]。

压电式脉搏传感器是采用压电陶瓷通过脉搏的跳动来实现对脉搏信号的采集的，随着人体心脏的跳动，人体手腕的脉搏和颈部的脉搏搏动比较明显，将压电式脉搏传感器通过橡胶带将其紧贴在手腕或是颈部，当脉搏跳动时，压电陶瓷片便会产生相应信号，压电传感器将测得的信号转换成脉冲信号并对该信号进行整形、放大、滤波，最后送入显示器件进行计数和显示，就能对脉搏进行实时的检测。

目前市面上的这种传感器还加入了体温测量功能，能在检测人体脉搏的同时检测人体的体温。

目前被人们使用最多的是压电式的HK-2000系列的传感器，其外观如图2-1所示，这种传感器是典型压电式传感器的代表，该种采用高度集成化工艺将力敏元件（PVDF压电膜）、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内。

压电式原理采集信号，模拟信号输出，输出同步于脉搏波动的脉冲信号，脉搏波动一次输出一正脉冲。

该产品可用于脉率检测，如运动、健身器材设备中的心率测试[12~13]。

图2-1HK-2000脉搏传感器

2.2采用光电式脉搏传感器

根据朗伯-比尔（Lamber-Beer）定律，物质在一定波长处的吸光度和它的浓度成正比。

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结构特征[14]。

人体脉搏主要是由人体动脉舒张和收缩产生的，人体组织半透明度会随着心脏的跳动而随之改变。

当血液因心脏收缩而送到人体组织时，人体组织的半透明度会减小；当血液因心脏舒张而流回心脏时，人体组织半的透明度会随之增加。

经医学临床研究发现，在人体手指指尖组织中，分布着大量的毛细血管，动脉成分含量高，而且指尖相对于人体其他组织而言的厚度相对比较薄，透过手指后检测到的光强相对变化比较大，加上手指比较灵活，检测起来比较方便，因此通常选择人体指尖作为光电式脉搏传感器的测量部位来测量人体的脉搏数。

在医学上把手指组织分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织两部分，研究表明，非血液组织对的光吸收频率是恒定不变的，在血液中，静脉血的搏动情况相对于动脉血而言是十分微弱的，测量时可以忽略不计，因此动脉血的充盈被认为是引起光透过手指后强度变化的主要原因，那么在恒定波长光源的照射下，通过检测透过手指的光强变化可以间接测量到人体的脉搏信号。

光电式脉搏传感器充分利用了光的特点，结构比较简单，由一个光源和一个光敏器件组成，操作简单，只需将手指放入光源和光敏器件中间，光会穿透人的手指被光敏器件检测到，血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比在血液中的穿透性高出几十倍，根据这个特点，光电式脉搏传感器采用的是透射式光电效应对手指进行脉搏信号的拾取，这里使用的光敏器件是加了反向偏压的光敏二极管，这种光敏二极管的反向电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性，在一定的光照强度范围内，光敏二极管的反向电流与光照强度呈线性关系，人体的皮肤、肌肉、骨骼对光的吸收频率是恒定不变的，而人体血管中的血液浓度会随着心脏的跳动而呈周期性的变化，光源和光敏二极管分别放置在手指尖端的两侧，光源发出的光照射到指端，当指端血管的血液容积和透光度随心搏的改变而改变时，另一端的光敏二极管接收到的光照强度也会随之发生改变，使得光敏二极管产生的光电流也产生相应的变化，由于心脏跳动是呈周期性的，因此血管中的血液浓度也会呈周期性的变化，由此光敏二极管接收到得光照强度也呈周期性变化，光敏二极管将会产生脉冲电信号，这种脉冲电信号信号通过信号的放大、检波、滤波最后通过传输设备传入单片机进行相应处理和A/D转换，最后通过传输设备传入数码管和播报器显示出测量结果。

2.3方案确定

压电式脉搏传感器功能比较全面，技术也比较成熟，应用比较广泛，目前已经被应用于很多领域，但就其操作复杂，一个人很难实现对自己的脉搏进行测量，而且输出波形只有专业医师通过分析之后才能对人体健康状况作出判断，所以很少用在家用电器中，只有在体育器材或是医院的大型专业医疗器械才能用到。

而且这种传感器的体温检测功能在本次设计中没有得到体现，且它的价格比较昂贵。

光电式脉搏传感器是当今世界比较先进的脉搏传感器，由于刚被人们使用，技术不是很成熟，是一项新兴的光电技术，还有很多方面需要完善，目前被应用的并不是很多，但其结构比较简单，只需一个光源和一个光敏器件就能实现，操作简单，只需将手指放于光源和光敏器件之间就能实现对脉搏的测量，可以用于个人使用和家庭使用，这种传感器可以自己完成制作且容易实现，不需要花太多的钱去买，精确度高。

考虑到以上诸多因素，本课题采用光电式脉搏传感器。

光电式脉搏传感器结构比较简单，制作工艺容易实现，所以本文自行设计的光电传感器我来进行脉搏的测量。

第3章硬件电路设计

3.1元器件介绍

3.1.1AT89C2051单片机

AT89C2051是一个CMOS8位单片机，具有高性能、低电压的特点，其片内含2Kbt的可反复擦写的只读Flash程序存储器（ROM）和128bt的数据存储器（RAM）。

美国ATMEL公司采用了高密度、非易失真性存储技术研发生产而成，它兼容标准的MCS-51单片机指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。

　　AT89C2051单片机技术比较先进，功能也比较全面，其采用了20引脚封装技术，15个双向I/O口线，其中P1口是一个完整的8位双向I/O口，此外还有两个外中断口、一个模拟比较放大器、两个全双向串行通信口、两个16位可编程定时/计数器。

　　AT89C2051与其它单片机相比有一个特殊点就是它的时钟频率可以为零，可以通过软件设置睡眠系统，能有效的节省电能，当单片机进入睡眠状态时，可以通过RAM、定时/计数器、串行口和外中断口等系统唤醒方式将其唤醒，系统被唤醒后就会进入继续工作状态，接着睡眠前得工作状态继续工作。

在省电模式中，单片机所有将会功能停止工作，直至系统被硬件复位唤醒后方可继续运行。

（1）AT89C2051引脚简介，引脚图如图3-1所示。

图3-1AT89C2051引脚图

①VCC：

电源端口。

②GND：

接地端口。

③P1口：

P1口是一个完整的8位双向I/O口。

引脚P1.0和P1.1在接外围元件时必须设置外部上拉电阻，引脚P1.2~P1.7上拉电阻由单片机内部提供。

P1.0和P1.1还可以分别作为片内精密模拟比较器的同相输入端（ANI0）和反相输入端（AIN1）。

P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED进行数码显示。

当P1口引脚写入“1”时，就可用作输入端，当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部设备拉低时，它们将因内部的上拉电阻作用而输出电流。

④P3口：

P3口的引脚P3.0~P3.5和P3.7是七个双向I/O口，它们都带有内部上拉电阻。

P3.6作为一通用I/O引脚，不但可以访问还可以用于固定输入片内比较器的输出信号。

P3口缓冲器可吸收20mA的电流。

当P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。

用作输入时，P3口被外部拉低时将被上拉电阻作用而输出电流。

P3口还用于实现AT89C2051的其他功能，其第二功能如表3-1所列：

表3-1P3口第二功能表

引脚

功能

P3.0

RXD串行输入端口

P3.1

TXD串行输入端口

P3.2

INT0　外中断0

P3.3

INT1　外中断1

P3.4

T0定时器0外部输入

P3.5

T1定时器1外部输入

（注：

P3口还接收一些用于闪速记忆体编程和程序校验的控制信号。

）

⑤RST：

复位输入引脚。

当RST变成高电平时，单片机所有的I/O口引脚就被复位到“1”。

振荡器正在运行时，持续给RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。

每一个机器周期需12个时钟周期。

⑥XTAL1：

用作反相器、振荡器和内部时钟发生器的输入端口。

⑦XTAL2：

反相放大器和振荡器的输出端口。

（2）AT89C2051内部结构

图3-2AT89C205内部结构图

AT89C2051是带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（EEPROM）微处理器。

它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造，并能和标准MCS-51指令集和引脚结构兼容。

通过在单块芯片上组合通用的CPLI和闪速记忆体，ATMEL的AT89C2051是强劲的微型处理器，它对许多嵌入式控制应用提供一定高度灵活和成本低的解决办法。

AT89C2051具有以下标准功能：

2K字节闪速记忆体，128字节数据存储器RAM，15个双向I/O口，两个16位定时器，一个两级五矢量中断结构，一个全双工串行接口，一个精密模拟比较器以及两种可选的软件节电工作方式。

空闲方可以停止CPU工作但允许定时器/计数器、程序存储器RAM、中断系统和串行工作口继续工作。

掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止所有其他部件的工作直到下一个硬件复位[15，16]。

3.1.2LM324简介

LM324系列器件是带有真差动输入的四运算放大器。

其价格便宜，与单电源应用场合的标准运算放大器相比，具有很多优点。

该四运算放大器工作电压跨度较大，可以在低到3.0伏或者高到32伏的电源电压下正常工作，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。

共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

每一组运算放大器可用图3-3所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源输入端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-为反相信号输入端，表示该输入端与运放输出端Vo的信号的位相反；Vi+为同相信号输入端，表示该输入端与运放输出端Vo的信号的相位相同。

LM324采用14脚双列直插塑胶封装，引脚排列如图3-4所示：

图3-3运算放大器

图3-4LM324引脚图

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，可单电源使用，静态功耗小，价格便宜等优点，因此被广泛应用在各种放大电路中。

参数描述：

运放类型--低功率；放大器数目--4；带宽--1.2MHz；针脚数--14；

工作温度范围--0℃-70℃；封装类型--SOIC；3dB带宽增益乘积--1