单片机的脉搏测量仪的设计方案.docx

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单片机的脉搏测量仪的设计方案

基于单片机的脉搏测量仪的设计

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AT89C51单片机为核心，以红外发光二极管和光敏三极管为传感器，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。

传感器把采集到的用于检测脉搏跳动的红外光转换成电信号，这些电信号通过信号处理系统进行滤波、放大、整形得到符合要求的脉搏电信号，传给单片机，并通过单片机进行处理，最后由数码管显示每分钟的脉搏次数。

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。

这样的脉搏测量系统性能良好，结构简单，耗电低，体积小，输出显示稳定。

通过该课题学习掌握了脉搏测量的原理、方法、实现过程。

学会了相关的单片机知识，能够较全面的融合电路、电子技术、信号采集和处理、程序设计等等的专业知识。

随着电子技术的发展，脉搏测量技术也越来越先进，对脉搏的测量精度也越来越高,脉搏测量仪的发展主要向以下几个趋势发展：

<1）自动测量脉搏并且对所得到的脉搏进行自动分析。

<2）数字化技术等先进技术的应用。

<3）多功能化越来越明显。

关键词：

AT89C51单片机；脉搏测量仪；传感器；信号采集

TheDesignofPulseMeasuringInstrumentBasedonMicrocomputerAbstract

Pulsemeasuringinstrumentinourdailyliveshasbeenaverywiderangeofapplications.Inordertoimprovethesimplicityandaccuracyofthepulsemeasuringinstrument,thesubjectisdesignedbasedon51single-chippulsemeasuringinstrument.SystemusesAT89C51microcontrollerasthecore,theinfraredlight-emittingdiodeandthephotosensitivetriodeassensor,andcalculatestimewithusingoftheinnertimer.Thesensorproducespulseandthesingle-chipmicrocomputergetsthefrequencybyaccumulatingthepulses,andthetimerobtainsthetime.Sensorcollectedfordetectingthepulseofinfraredlightisconvertedintoelectricalsignals,theseelectricalsignalsbythesignalprocessingsystem,filtering,amplification,shapingmeettherequirementsofthepulsesignaltransmittedtothemicrocontroller,andprocessedbythemicrocontroller,andfinallyfromthedigitaldisplaypulserateperminute.Whenthesystemstopsrunning,itispossibletodisplaythetotalofthepulsefrequencyandtime.Aftertesting,thesystemworkswellandmeetsthedesignrequirements.

Thepulsemeasurementsystemperformanceisgood,simplestructure,lowpowerconsumption,smallvolume,stableoutputdisplay.Throughthestudyofthesubjectgraspsthepulsemeasurementprinciple,methodandimplementationprocess.Learnedtherelatedknowledgeofsinglechipmicrocomputer,canmorecomprehensiveintegrationofcircuit,electronictechnology,signalacquisitionandprocessing,programdesign,andsoonprofessionalknowledge.

Withthedevelopmentofelectronictechnology,pulsemeasurementtechniquesbecomemoreandmoreadvanced,thepulsemeasurementaccuracyisgettinghigherandhigher,thepulsemeasuringinstrumentdevelopmentmainlytothefollowingtrends:

（1>Automaticmeasuringpulseandthepulsegeneratedbyautomaticanalysis.

（2>Theapplicationoftheadvancedtechnologiessuchasdigitaltechnology.

（3>Morefunctionalismoreandmoreobvious.

Keywords:

AT89C51microcontroller。

pulsemeasuringinstrument。

sensor。

signalacquisition

引言1

第1章绪论2

1.1选题的背景及意义2

1.2国内外研究现状与水平2

1.3研究的主要内容3

第2章硬件电路方案设计与选择论证5

2.1系统基本方案5

2.2系统各模块的最终方案5

第3章硬件电路系统7

3.1AT89C51的介绍7

3.1.1AT89C51单片机的硬件组成7

3.1.2AT89C51单片机的引脚功能7

3.2晶振电路9

3.3复位电路10

3.4脉搏信号采集电路10

3.4.1光电传感器检测原理10

3.4.2信号采集电路11

3.5放大电路11

3.6波形整形电路12

3.7显示电路13

3.7.1LED的综述13

3.7.2LED数码管的显示方法14

3.8报警电路15

第4章软件设计16

4.1主程序流程16

4.2定时器中断程序流程17

4.2.1定时器0程序流程17

4.2.2定时器1程序流程18

4.3外部中断0程序流程19

4.4显示程序流程20

结论与展望21

致谢22

参考文献23

附录A电气原理图24

附录B外文文献及其译文25

附录C主要参考文献题录及摘要32

附录D主要源程序34

插图清单

图2-1脉搏测量仪硬件框图6

图3-1AT89C51单片机的片内硬件组成框图7

图3-2DIP引脚图8

图3-3振荡电路图10

图3-4复位电路图10

图3-5信号采集电路11

图3-6放大电路12

图3-7整形电路13

图3-8整形前后波形对比13

图3-9共阴极数码管结构14

图3-10显示电路14

图3-11报警电路15

图4-1主程序流程图16

图4-2定时器0中断程序流程图17

图4-3定时器1中断流程图18

图4-4外部中断0程序流程图19

图4-5显示程序流程图20

表格清单

表3-1P3口的第二功能9

引言

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,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。

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。

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，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[3]。

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。

本设计以AT89C51单片机为核心，以光电式传感器检测脉搏信号，信号通过信号处理系统进行滤波、放大、整形得到符合要求的脉搏电信号，传给单片机，并通过单片机进行处理，最后由数码管显示每分钟的脉搏次数。

对于脉搏数不在正常范围内的，该系统能够给以报警。

第1章绪论

1.1选题的背景及意义

随着科技发展的不断提高，生命科学和信息科学的结合越来越紧密，出现了各种新颖的脉搏测量仪器，特别是电子脉搏仪的出现，使脉搏测量变得非常方便。

正常人的脉搏和心跳是一致的。

正常成人为60到100次/分，常为每分钟70-80次，平均约72次/分。

老年人较慢，为55到60次/分。

正常人脉率规则，不会出现脉搏间隔时间长短不一的现象。

正常人脉搏强弱均等，不会出现强弱交替的现象。

脉搏的频率受年龄和性别的影响，婴儿每分钟120－140次，幼儿每分钟90-100次，学龄期儿童每分钟80-90次。

另外，运动和情绪激动时可使脉搏增快，而休息，睡眠则使脉搏减慢。

成人脉率每分钟超过100次，称为心动过速；每分钟低于60次，称为心动过缓。

临床上有许多疾病，特别是心脏病可使脉搏发生变化。

因此，测量脉搏对病人来讲是一个不可缺少的检查工程。

中医更将切脉作为诊治疾病的主要方法。

心动周期中，由于心室收缩和舒张的交替进行脉管发生周期性扩张和回位的搏动。

病情危重，特别是临终前脉搏的次数和脉率都会发生明显的变化。

脉搏的变化也是医生对病人诊断的其中一项依据。

脉诊在我国已具有2600多年临床实践，是我国传统中医的精髓，其历史悠久，内容丰富，是中医“整体观念”、“辨证论证”的基本精神的体现与应用。

但祖国传统医学采用“望、闻、问、切”的手段进行病情诊断，受人为的影响因素较大，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、客观的诊断[4]。

1.2国内外研究现状与水平

在先进科学技术的推动下，医疗仪器的相关技术日新月异，全球医疗仪器的发展朝微小化迈进。

脉搏测量技术也越来越先进，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，便携式、低功耗的脉搏测量仪会越来越受到人们的青睐。

长期以来，各种静态的、动态的、随身携带的、远程遥控的脉搏测量仪已经相继问世。

脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法，脉搏测量可利用电子仪器测量出精度更就的数据。

人体脉搏信号中包含丰富的生理信息，也逐渐引起了临床医生的很大兴趣，达到了方便、快捷、准确的测量脉搏的目的。

随着电子测量技术的迅速发展，现代电子测量仪器以极快的速度向数字化、自动化的方向发展。

制成的脉搏测量仪器性能良好，结构简单，有较好的应用和推广价值。

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。

脉搏测量仪的发展主要向以下几个趋势发展：

<1）自动测量脉搏并且对所得到的脉搏进行自动分析。

目前很多脉搏测量仪都具有检测血氧等其他的功能，但是对这些信号的分析和诊断还需要一些有经验的医生观察，进行分析后才能确认结果，浪费大量的人力，且由人为引入的误差较大。

因此，未来脉搏自动检测的内容将更加详细，自动分析诊断功能也更强大。

<2）数字化技术等先进技术的应用。

随着数字科学技术的发展，脉搏测量仪集成度将更高，更便于携带。

数字信号处理的运用将使干扰更小，测量更为准确。

<3）多功能化越来越明显

目前的脉搏测量仪，一般都具有测试血氧，心电图等等功能，单纯的脉搏测量仪已经很少见。

随着电子技术的发展，脉搏测量仪必然可以实现更多的功能。

通过查阅资料发现主要的脉率采集有三种方法：

采用一对红色发光二极管实现、采用反射式的红外管实现和采用压电陶瓷芯片实现。

方法一：

检测的基本原理：

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，组织的半透明度增大。

这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。

因此，本脉率计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的上述部位，并用装在该部位另一侧或旁边的红外光电管来检测机体组织的透明程度并把它转换成电信号。

由于此信号的频率与人体每分钟的脉搏次数成正比，故只要把它转换成脉冲并进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目的。

方法二：

采用反射式的红外管。

现在市场上的脉率计普遍采用这种传感器来采集信号，因为此红外管接收和发射都在手指的同一侧，所以就不用考虑每个人手指情况不同所造成的麻烦了。

但是同样的，对红外的知识了解相对匮乏，得到需要的信号也不太容易。

方法三：

采用压电陶瓷片通过脉搏的跳动采集信号。

随着心脏的搏动，人体手腕的脉搏和颈部的搏动较为明显，采用压电传感器放于上述部位，把压电传感器测得的信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目的。

当脉搏跳动时，压电陶瓷片便会产生相应的信号，虽然这是一种很陈旧的方法，但是却很实用，测试的时候能够明显的观测到信号的变化。

1.3研究的主要内容

人体心脏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部开始沿着整个动脉系统传播，这种波成为脉搏波[5]。

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[7]。

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来满足采集的要求。

本课题主要内容是基于单片机的光电式传感器的脉搏测量仪的研制，光电脉搏测量仪是利用光电传感器作为变换原件，把采集到的用于检测脉搏跳动的红外光转换成电信号，这些电信号通过信号处理系统进行滤波、放大、整形得到符合要求的脉搏电信号，传给单片机，并通过单片机进行处理，最后由数码管显示每分钟的脉搏次数。

所以，本课题最终的研究对象是如何通过单片机程序实现采集微弱的脉搏信号以及如何将微弱的脉搏信号转换成清晰的脉搏波并读出脉搏跳动的次数。

第2章硬件电路方案设计与选择论证

2.1系统基本方案

根据题目的要求可以将系统模块基本划分为：

脉搏传感器部分、波形放大与整形部分、单片机处理电路部分及显示电路部分。

为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案病进行了论证。

<1）脉搏传感器部分

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。

本设计中，采用光电脉搏传感器，与传统的脉搏测量仪相比，光电式脉搏测量仪具有以下特点：

1.测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，通常在体外。

2.传感器可重复使用且速度快，精度高。

3.测试的适用电压为5V-9V的直流电压。

4.稳定性好、抗干扰能力强、磨损小、寿命长、维修方便。

5.由于结构简单，因此体积小、重量轻、性价比优越。

6.测量的有效范围为50次-199次/分钟。

<2）单片机选择

51单片机是INTEL公司生产的。

它具有结构简单，价格便宜，易于开发的特点。

通用型，有总线扩展，有较强的位处理功能，有全双工异步串行通信口。

本设计中，单片机只需要对脉搏信号的波动频率进行测量、计算和显示，对单片机的要求不是很高。

而对51单片机，本人比较熟悉，所以，本设计中选择AT89C51单片机作为信息处理中心。

<3）放大滤波电路部分

因为是对人体脉搏信号进行放大，而脉搏信号频率比较低，只有几赫兹，传感器检测的信号比较微弱，而且有噪声，所以可以采用一阶有源低通滤波电路。

<4）整形电路部分

测量脉搏就要对脉搏个数进行计算，而要单片机对脉搏进行计数，就需要将波形转化为矩形波，传感器传过来的脉冲是很不规则的波形，单片机计数会有很大问题。

为确保一个波形只计数一次，就需要对波形进行整形。

此处选择施密特触发器，这个电路结构简单，比较容易实现，整形效果也不错。

<5）显示部分

此设计只需要显示测试时间和测试的脉搏数即可，这些都是数字，因此对显示部分采用以下方案：

采用数码管。

数码管具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，简单方便等特点。

而且编程也比较简单。

2.2系统各模块的最终方案

根据前一节分析，结合器件和设备等因素，确定如下方案：

1.采用AT89C51单片机作为控制器，分别对输入、显示、信号的处理和控制。

2.传感器部分采用光电脉搏传感器，该器件结构简单、可靠性高、抗干扰能力强。

3.放大滤波部分用一阶有源滤波电路。

4.整形部分用施密特触发器。

5.显示用数码管显示实时脉搏数和蜂鸣器报警。

系统的基本框图如下图2-1所示。

图2-1脉搏测量仪硬件框图

第3章硬件电路系统

3.1AT89C51的介绍

单片机就是在一片半导体硅片上集成了中央处理器

本系统基于51系列单片机来实现。

3.1.1AT89C51单片机的硬件组成

AT89C51单片机的片内硬件组成结构如图3-1所示。

图3-1AT89C51单片机的片内硬件组成框图

它把那些作为控制应用所必需的基本功能部件都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上，具有如下功能部件和特性：

1.8位微处理器

2.片内有128字节RAM。

3.片内有4K字节程序存储器ROM

4.可寻址片外64K字节数据存储器RAM（2^16=65536=1024*64>

5.可寻址片外64K字节程序存储器ROM

6.片内21个特殊功能寄存器（SFR-SpecialFunctionRegister>

7.4个8位并行I/O口（P0-P3>

8.1个全双工串行口（UART>

9.2个16位定时器/计数器（TIMER/COUNTER>

10.可处理5个中断源,两级中断优先级

3.1.2AT89C51单片机的引脚功能

目前AT89C51单片机多采用40个引脚双列直插式封装

图3-2DIP引脚图

引脚按其功能可分为如下3类：

①电源及时钟引脚——VCC、VSS；XTAL1、XTAL2；

②控制引脚——RST、

、

、和

；

③I/O口引脚——P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。

下面介绍一些引脚的功能：

Vcc：

电源电压

GND：

接地

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/0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。

做为普通I/O口使用时,外部一般接10k上拉电阻。

当P0口某位为高电平时，可提供400μA的电流；当P0口某位为低电平<0.45V）时，可提供3.2mA的灌电流。

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拉低时会输出一个电流。

P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O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：

①可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备。

②作为第二功能使用，每一位功能定义如表3-1所示。

表3-1P3口的第二功能

P3口引脚

功能

P3.0

RXD（串行输入端口>

P3.1

TXD（串行输出端口>

P3.2

（外中断0>

P3.3

（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>

P3.6

（外部数据存储器写选通>

P3.7

（外部数据存储器读选通>

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。

：

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1/6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：

程序存储允许时．每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。

：

EA＝0，单片机只访问外部程序存储器。

只读取外部的程序存储器中的内容，读取的地址范围为0000H～FFFFH<64KB），片内的4KBFlash程序存储器不起作用。

EA＝1，单片机访问内部程序存储器。

在PC值不超出0FFFH<即不超出片内4KBFlash存储器的地址范围）时，单片机读片内程序存储器<4KB）中的程序，但当PC值超出0FFFH<即超出片内4KBFlash地址范围）时，将自动转向读取片外60KB<1000H-FFF