完整版基于单片机的人体脉搏检测系统毕业设计论文.docx

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完整版基于单片机的人体脉搏检测系统毕业设计论文

基于单片机的人体脉搏检测系统设计

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。

本课题是人体脉搏测量仪的设计。

由于脉搏信号的特殊性，在设计时必须要注意实现测量的准确。

该系统的重点就在于要求实现测量的简便化和精确化。

系统测量出人体一分钟的脉搏，并且保证误差在2次以内。

本系统以89S51单片机作为中心，通过使用单片机来实现系统最核心的计算脉搏功能。

在信号的前端处理上，使用压电陶瓷片采集人体脉搏信号，然后经过AD620放大，施密特触发器整形，低通滤波器滤波等一系列操作，将脉搏信号转换为同频率的脉冲信号输入到单片机内，并利用单片机对其进行计数。

计数的方法是利用单片机的计时器，然后由该周期计算出频率，继而就可以求出一分钟的脉搏数。

计数结果将最终送至液晶屏1602来进行显示。

虽然压电陶瓷片的性能并非很好，在信号的采集上不能实现非常精确的采集，但是它的价格低廉，并且在经过系统的信号调理电路后，也能比较满意的实现我们所要实现的目标。

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。

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。

关键字：

脉搏测量；压电陶瓷片；液晶显示屏；单片机

THEDESIGNOFHUMANPLUSEDETECTIONSYSTEMBASEDONMCU

ABSTRACT

Theshape,intensity,speed,andrhythmofpulsesignalsmostlyreflectthephysicalandpathologicalcharactersofbodies.Thistopicisadesignofbodypulsemeasuringinstrument.Becauseofthespecificityofthepulsesignal,thedesignmustpayattentiontoachieveanaccuratemeasurement.Thepointofthisdesignisthesimpleandpreciseofthemeasurement.Weneedtomeasurethepulseofthebodyinoneminute,andtoensurethattheerrorinlessthan2times..Thewholesystemiscenteronsingle-chipmicrocomputer89s51,usingthesignle-chiptoachievethesystemcorefunctionofcountingpulse.Inthefront-endofthesignal,weusepiezoelectricceramicstocollectthesignalofthebodypulse.Andthen,afterafteramplificationoftheAD620,shapingofthe555,filteringofthelow-passfilterandotheroperations,thesignalwillbeconvertedtothepulsesignalwiththesamefrequency,andthissignalwillbeinputtothesingle-ship.Thesingle-shipwillcounttothis.Themethodofcountingisusingthetimerofthesingle-ship,andthenusethecycle,getthefrequency,bythefrequency,wecangetthenumberoftheone-minutepulse.Thefinalresultofthecountwilldisplayinthe1602LCDscreen.Althoughtheperformanceofthepiezoelectricceramicsisnotverygood,inthesignalcollection.itcan’tdoitveryprecise.Butitspriceisverylow,andafterthesignalconditioningcircuitofthesystem,thesignalcanbequitesatisfactorytoachieveourobjectives.Atthebeginningofthepaper,theintegralnotionofthedevicedesignisbroughtout.Afterwards,thedetailinformationofeachpartisnarrated.Atlastpart,somesuggestionsforimprovingthedeviceareprovided.

Keywords:

Pulsemeasurement;piezoelectricceramics;LCD;single-ship

1绪论1

1.1课题背景及目的1

1.2国内外研究状况及发展趋势2

1.3课题研究难点3

1.3.1抗干扰3

1.3.2低噪声、低漂移3

1.4课题主要研究内容4

2系统总体设计5

2.1系统硬件电路设计方案6

2.1.1传感器的选择6

2.1.2单片机的选择8

2.1.3信号调理电路的选择10

2.2系统软件设计方案10

2.2.1脉搏波动频率测量方案的选择10

2.2.2单片机工作方式的选择10

2.2.3显示电路方案的选择11

3系统硬件设计12

3.1一级放大电路的设计12

3.2二阶滤波器电路的设计15

3.3第二级放大电路的设计17

3.4整形电路18

3.5定时计数电路的设计21

3.6显示电路的设计22

4系统软件设计25

4.1主程序流程的设计25

4.2定时器计数器中断程序流程的设计26

4.3显示程序流程的设计27

5总结与展望28

参考文献29

致谢31

附录32

附录A原理图32

附录B主程序33

附录C显示程序37

附件

附件A开题报告

附件B译文及原文影印件

1绪论

1.1课题背景及目的

脉搏是临床检查和生理研究中常见的生理现象[1]，包含了反映心脏和血管状态的重要生理信息。

人体内各器官的健康状态、病变等信息将以某种方式显现在脉搏中即在脉象中。

人体脉象中富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息，我们可以通过对脉搏波检测得到的脉波图含有出许多有诊断价值的信息，可以用来预测人体某些器脏结构和功能的变换趋势，如:

血管几何形态和力学性质的变异会引起脉搏波波形和波速等性质的改变，而脉搏的病理生理性改变常引发各种心血管事件，脉搏生理性能的改变可以先于疾病临床症状出现，通过对脉搏的检测可以对如高血压和糖尿病等引起的血管病变进行评估。

同时脉搏测量还为血压测量，血流测量及其他某些生理检测技术提供了一种生理参考信号。

在医院临床监护和日常中老年保健中，脉搏是一项基本的生命指标，因而脉搏测量是最常见的生命特征的提取。

[2]近年来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。

人体心室周期性的收缩和舒张导致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。

脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，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征。

本设计所使用的系统利用压电陶瓷片将脉博转换为电压信号，经过信号调理后利用AT89S51单片机进行信号采集和处理，在短时间内，测量出人体一分钟的脉搏数，并将心率进行实时显示，便于携带。

达到了方便、快速、准确地测量心率的目的。

这样的脉搏测量系统性能良好，结构简单，性价比高，输出显示稳定，比较适应大众化，适合家庭进行自我检查以及医院护士进行每日的临床记录。

1.2国内外研究状况及发展趋势

早在1860年Vierordt创建了第一台杠杆式脉搏描记仪[3]，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、贵州、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。

以下按脉象仪探头的形式，传感器的特点及研制者作一简单的归纳[4]，详见表1-1。

表1-1脉象仪的研制情况

研制者

探头形式（单部）

探头形势（三部）

北京医疗器械厂

MX-1型（应变片）

BYS-14型（应变片）

上海医疗仪器研究所

MX-3型，MX型（7点式）

3MX-1型（应变片）

天津医疗仪器研究所

MTY-A（寸部7点，应变片）

上海中医学院

ZM-1型（子母式，应变片）

九路型（径向7点，轴向3组）

贵州省脉象协作组

ZH-I型（应变片）

ZH-II型，轴向径向均可调节

西安交通大学

圆形气囊加压式（7点）

上海中医研究院

横向线列式九道（应变片）

浙江大学

63点（PVDF压电薄膜）

西苑医院

压电晶体

江西脉图协作组

MX-811型（液态泵）

中科院基础所

硅杯式（单晶硅）

中科院智能机械所

软接触式（应变片，液态）

湖南省中医学院

血管容积式（光敏元件）

湖南省中医研究院

阻抗仪

中国台湾汪叔游

三部压力换能器

美国Dr.Laub

（压电晶体）

三部手套力与压力复合式

德国Park.H.S

三部绑带充气加压

脉象探头式样[5]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发展。

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。

1.3课题研究难点

由于人体的脉搏信号具有频率低、幅度小干扰大，不稳定度低，随机性强等特点，使得对脉搏信号的采集放大电路的设计提出了很严格的要求，尤其是抗干扰变为十分重要，需要设计低通滤波器进行滤波。

选择放大器时需要从增益、频率响应，输入阻抗，共模抑制比，噪声，漂移等几个方面加以综合考虑[6]。

1.3.1抗干扰

（1）工频50HZ干扰及其各次谐波

使用频率为50HZ的市电的电子仪器设备会对检测系统会产生较大的干扰，其幅值大约是脉搏信号峰峰值的50%,是主要的干扰源

（2）肌电干扰

肌肉的收缩会产生微伏级的电势，其幅值大约是脉搏信号峰峰值的10％，维持时间大约是50ms，频带范围可以在0HZ~10000HZ。

（3）由于呼吸引起的基线漂移和ECG幅度变化

呼吸引起的基线漂移可以看成是一个以呼吸的频率加入ECG信号的窦性成分（正弦曲线），这个正弦成分的幅度和频率是变化的。

呼吸所引起的ECG信号的幅度的变化可以达到15％。

基线漂移的频率是从0.15～0.3HZ。

1.3.2低噪声、低漂移

在脉搏信号放大器中，由于增益较高，噪声和漂移是两个较重要的参数。

脉搏信号放大器运行过程中的噪声主要表现为电子线路的固有热噪声和散粒噪声，这些都属于白噪声，其幅值为正态分布。

为了获得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格要求。

另外，温度变化会造成零点漂移，漂移现象限制了放大器的输入范围，使得微弱的缓变信号无法被放大。

而脉搏信号具有很低的频率成分，为了能正常测量，必须采取措施来限制放大器的漂移。

所以放大器应选用低漂移，高输入阻抗并且具有高共模抑制比的集成运放电路。

1.4课题主要研究内容

正常人的脉搏次数是每分钟60～80次（婴儿为90～140次,老年人则为100～150次）,这种频率信号属于低频范畴.因此,脉搏测量仪是用来测量低频信号的装置,它的基本功能要求应该是:

（1）要把人体的脉搏数（振动）转换成电信号,这就需要借助传感器。

（2）对转换后的电信号要进行放大和整形处理，以保证其它电路能正常加工和处理。

（3）在很短的时间（若干秒）内，测出经放大后的电信号频率值。

总之，脉搏测量仪的核心是要对低频信号在固定的短时间计数，最后以数字形式显示出来。

可见，脉搏测量仪的主要组成部分是计数器和数字显示器。

脉搏测量仪的上述功能要求，可采用两个不同的方案来实现：

（1）把转换为电信号的脉搏信号，在单位时间内（一分钟或半分钟）进行计数，并用数字显示其计数值，从而直接得到每分钟的脉搏数。

（2）测量脉搏跳动固定次数（比如5次，10次）所需的时间，然后转换为每分钟的脉搏数[7]。

这两种方案比较起来，第一种更直观，所需的电路结构更简单些；第二种方案的测量误差比较小，但实现起来电路要复杂些。

本设计采用第二种方案。

2系统总体设计

脉搏测量仪要实现对脉搏信号的检测，并且能够对脉搏信号进行处理，并进而求得脉搏数来显示。

考虑到系统的实现，有两种方案可以实现。

方案一：

使用纯硬件电路来实现。

整个系统的框图如下图2.1所示

图2.1纯硬件脉搏测量仪框图

方案二：

使用单片机电路来实现。

通过信号调理电路，将脉搏信号转换为数字信号，然后利用单片机来实现脉搏测量功能。

使用该方案其框图如下图图2.2所示。

图2.2单片机脉搏测量仪框图

通过比较以上两种方案。

方案一由于使用纯硬件方式，系统稳定度比较高。

但是功能有限，灵活度较低，也不能很好的实现锻炼自己的目的。

而单片机方案有较大的活动空间，不但能实现所要求的功能而且能在很大的程度上扩展功能，而且还可以方便的对系统进行升级，所以我们采用后一种方案。

2.1系统硬件电路设计方案

2.1.1传感器的选择

（1）压电式传感器

目前常用的是一次性心电电极,它是用印刷方法制得的AgAgcl传感器。

这种传感器采用接扣与敏感区分离的方法,能明显的减少由于人体运动产生的干扰。

电极的好坏对采集到的心电信号质量起着至关重要的作用,采用的电极应有贴力强,能紧附在人体表面,柔软、吸汗、极化电压低、导电性良好等特点。

当选用电极传感器时,需要3个电极分别置于左右手和左腿,构成标准导联。

临床上为了统一和便于比较所获得的脉搏信号,在检测脉搏信号时,对电极的位置,引线与放大器的连接方式都有严格的统一规定。

目前市场上有一种采用新型高分子压电材料聚偏氟乙烯研制的压电传感器,其灵敏度高,频带范围好,结构简单,便于使用。

当手指前端受到轻微的压力时，可以感觉到手指前端在血压的作用下有一张一弛的感觉，将这个信号用传感器提取出来，转变为电信号，通过指脉的波形检测，就可以获得人体的脉搏信号。

（2）光电式传感器

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血液中大几十倍，据此特点，采用光电效应手指脉搏传感器[8][9]来拾取脉搏信号。

反向偏压的光敏二极管，它的反向电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性，在一定光强范围内，光敏二极管的反向电流与光强呈线性关系。

指端血管的容积和透光度随心搏改变时，将使光电三极管极管收到不同的光强，并由此产生的光电流均随之作相应变化。

常用检测脉搏的光电传感器[10]分为红外对管和红外放射管。

采用红外对管。

将对管夹于手指端部，通过手指的血液浓度会随着心脏的跳动发生变化，红外对管对应的信号便会发生相应的变化，采集此信号经过放大，滤波，比较等处理便可以得到理想的信号。

采用反射式的红外管。

现在市场上的心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，因此便不用考虑每个人手指情况不同所造成的麻烦。

接收的是血液漫反射回来的光，此信号可以精确地测得血管内容积变化。

（3）集成传感器

当前,市面上有很多类型的集成心电传感器[11],其灵敏度高,集成度高,直接就可以反映出心率的变化,且已包含了滤波等抗干扰电路,波形经过放大可以直接处理使用。

缺点是价格非常昂贵，一般均在五百元以上。

三种方案的优缺点比较

（1）光电式：

优点：

灵敏度高，易于操作,响应速度快，结构简单。

缺点：

1、外部光源的变化对测量结果的影响较大；

2、需要购买专门的医用光电传感器，价格较贵且不易购买；

3、对这样的器件接触很少，对其进行调试时可能会出现较大困难。

（2）压电式：

优点：

结构简单，实时性好，工作频带宽，应用电路简单，且价格低廉。

缺点：

直接与人体相接触，容易因为人体肌肉的颤动等而产生干扰。

并且容易受到外界其他信号的干扰。

（3）集成式:

优点:

集成度高,包含了滤波,放大电路,可以直接输出信号,便于操作,有效的减少了各种干扰。

缺点:

降低了本任务的难度,如果采用该传感器，只需将其直接接上单片机即可实现功能，且价格非常昂贵。

考虑到种种情况，结合本系统的设计要求以及经费的考虑，最终选择压电式传感器。

该传感器价格较低，而且输出电压变化较为明显，可以实现我们的实验目的。

压电陶瓷片[12][13]的外观和电路符号如下图2.3所示。

压电片包括三个部分，镀银层，压电陶瓷，以及铜片。

外部压力作用于铜片时，压电陶瓷就可以感受压力而产生电信号，并最终通过镀银层将该信号输出。

在使用时，压电陶瓷片要通过导线与电路板连接,注意在焊接压电陶瓷片时,时间不能太长以免烫坏压电陶瓷片的镀银层。

图2.3压电陶瓷片的符号及外观

由于压电陶瓷片的资料比较少，为了确定使用该传感器能够实现本次设计的目的，先要对其进行实验，来确定它的输出电压是否符合要求。

使用实验室砝码来测试，其结果如下表表2-1所示。

表2-1压电陶瓷片输出电压测试表

压力（N）

输出电压（mV）

0.196

4.41

0.392

4.55

0.588

4.77

0.784

4.80

0.98

4.85

1.176

5.05

1.372

5.35

1.568

5.54

由于只需要4mv-5mv左右的电压输出，就可以实现设计要求[14]。

由本次试验，可以得知压电陶瓷片可以实现我们所要达到的目标。

2.1.2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[15][16]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，提高了其可靠性和抗干扰能力，另外，模块化的结构易于系列的扩展，以适应不同用户的需求。

具有较强的中断处理能力。

μ’nSPTM家族的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。

高性能价格比：

μ’nSPTM家族片内带有高寻址能力的ROM，静态RAM和多功能的IO口，另外μ’nSPTM的指令系统提供出具有较高运算速度的16位，16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用添加了DSP功能，使得μ’nSPTM家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利又比专用的DSP芯片廉价。

如SPCE061等。

（3）51单片机

51单片机是对目前所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。

该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。

目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。

51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。

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。

但是其功能相对较少，访问外部数据有瓶颈，作电压范围窄。

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51单片机作为信息处理中心。

在51系列单片机中，AT89系列单片机是美国ATMEL公司推出的一种新型高性能低价位、低电压低功耗的8位CMOS微型计算机。

AT89S51就是其中一款，它