便携式脉搏测量系统.docx

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便携式脉搏测量系统

201109441016

编号（学号）：

本科学生毕业设计

题目：

_便携式脉搏测量系统

学院名称：

___________物理与电子信息学院_____________

专业名称：

_______电子信息科学与技术专业______________

年级：

______________2011级10班____

学生姓名：

________________敬磊______________

学号：

_______________201109441016______________

指导教师：

__唐玲__职称/学历：

___硕士___

教务处制

便携式脉搏测量系统

敬磊

物理与电子工程学院电子信息科学技术2011级指导老师：

唐玲

摘要：

心率是临床医学诊断中所需要的重要生理参数，尤其是在心血管疾病的诊断中显得更为重要。

心率和心率计的研究一直以来也是受到医学、电子学、工程技术领域科研工作者们的特别关注。

随着科学技术的快速发展，人们对生活的需求也越来越高，在各方面都希望能够达到一个高效率的方式。

脉搏测量系统未来功能也会越来越全面具体，相关学科的运用也将使脉搏测量计的集成度将更高，干扰度更小，测量也更加准确。

设计中利用光电传感器采集人体脉搏信号，再经过信号放大调理后传输到AT89S52单片机进行信号的处理分析，在短时间内运算出人体的心率脉搏数，并传送至数码管进行实时显示，达到了方便、快速、准确测量心率的目的。

关键词：

脉搏测量AT89S52单片机数码管光电传感器

ConvenientPulseMeasurementSystem

JingLei

SchoolofPhysicsandElectronicInformation,ElectronicInformationScienceandTechnologySpecialty,Class10Grade2011.Instructor:

TangLing

Abstract:

Heartrate,asanimportantphysiologicalreferencerequiredintheclinicaldiagnosis,hastakenitssignificantroleespeciallyinthecardiovasculardisease.Fromthepasttillnow,researchesoncardiotachandcardiotachometerhasgottenspecialattentionbyvariousspecializedscientistsinmanyfieldssuchasMedicine,Electronics,Engineeringandtechnology.Withthefast-speedingdevelopmentofthescientifictechnology,needsandrequirementsbecomeshigherandhigherwithawishtoachieveamoreefficientwayinallfields.Consequently,functionsofthepulsemeasurementsystemwillbemoreandmoreconcreteinthefuture,andtheapplicationoftherelevantsubjectswouldmaketheintegrationofthepulsemeasurementgaugebemorepreciseforlessinterferenceandmoreaccuratemeasurementaswell.Duringtheprocessofdesigning,firstly,collectingphysicalpulsesignalsbymakinguseofthephotoelectricitytransducer,andthen,deliveringtotheAT89S52singlechipmicyocoaftermodulatingtheamplifiedsignals,andthen,dealingwiththesignalsandanalyzingthemtoworkoutthehuman’sphysicalheartrateandpulsedatainashortminute,finally,deliveringthedatatothenixietubeanddisplayingitincurrenttime,forthepurposeofconvenience,speedinessandaccuracywhilemeasuringtheheartrate.

Keywords:

pulsemeasurement,AT89S52singlechipmicyoco,nixietube,photoelectricitytransducer

目录

摘要1

Abstract1

1.1选题的背景和意义4

1.2心率监测系统的发展趋势4

第2章脉搏测量系统结构5

2.1系统结构5

2.2系统框图6

第3章硬件系统设计6

3.1控制器6

3.2复位电路8

3.3振荡电路8

3.4脉搏信号采样9

3.5信号放大10

3.6信号整形10

3.7数码管显示11

3.8硬件系统原理12

第四章软件系统设计12

4.1主程序的设计12

4.2中断程序流程13

第五章系统测试与数据14

5.1硬件测试14

5.2软件测试14

5.3软硬件联合测试14

第6章结果分析与总结15

结论17

致谢23

第一章课题研究背景与价值

1.1选题的背景和意义 

心率（Heart Rate）是用来描述心跳周期的专业术语，是指心脏每分钟跳动的次数， 它不仅是反映心脏功能强弱的重要标志，也是反映人体运动强度的重要生理指标。

无论是从根深蒂固中医脉诊，还是从现代西医对心脑血管疾病和其余病症的深入研究，都充分表明了人体脉搏与疾病的有着密不可分的关系。

脉搏信号中含有大量生理信息，人类每一天的身体状况都在脉象上有所反映。

常对脉搏进行检测和信息分析，便于了解自身生理健康状况的变化趋势，做到早知道，从而采取相应措施早防御、早治疗。

然而脉搏信号相当微弱，且易受人体生物电、电场、磁场的干扰，所以高质量脉搏信号的获取和有效的脉搏信号处理对与疾病相关参数的计算分析有着决定性的影响。

进入21世纪以来，随着科学技术的不断发展，电子产品的种类越来越多，价格也越来越便宜，产品的科技含量也越来越大，性能也越来越可靠。

人类日常生活也在慢慢走向高度智能化。

一方面医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟心跳数，方法一般是用听诊器放在胸口处，根据心脏的跳动进行计数。

当然为了节省时间，一般不会做1分钟的测量，通常是测量10秒内的心跳数，再把结果乘以6得到每分钟的心跳数，这样做比较费时，而且精度不高。

便携式脉搏仪是能够快速精准地获取人体脉搏信息的电子设备，在临床医学的广泛应用势必提高医院护士每天的工作的效率和精准度。

另一方面，随着国民经济的不断提高，健康已成了人们关注的焦点，在生活上对保健的需求使得便携式的脉搏仪越来越受到人们的青睐。

参加锻炼无疑是保持健康的最佳方法，但很多人急于求成，往往适得其反，达不到锻炼的效果，甚至还可能对身体造成一定程度的损伤。

目前市场上单一的跑步计步器不能同时监测人体生理参数，反馈给锻炼者。

脉搏测量仪是一种可对跑步者跑步时对各种身体运动心率参数进行实时监测的仪器，并能将实时监测的心率参数显示出来，能够让锻炼者对自己身体状况有一个详细的了解，从而调整自己的运动状态。

当然，当今社会心脑血管患者颇多，出门遛弯必然是他们的常事，所以为了能对自身生理状态的掌握，便携式脉搏测量仪在他们日常的生活中更是不可或缺了。

1.2心率监测系统的发展趋势

科学技术的不断发展，心率监测技术也越来越先进，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）自动测量脉象信号并且对所得到的脉象信息进行自动分析。

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，进行详细的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越来越高，体型将越来越小，更便于随身携带。

数字信号处理的运用将使干扰更小，测量更为精准。

（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。

本设计所使用的系统利用红外光电二极管将脉博信号转换为电压信号，经过信号调理后，传送至AT89S52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。

第2章 脉搏测量系统结构

心率监测系统的设计，必须是通过采集人体心率变化引起的一些生物信号，然后把生物信号转化为物理信号，使得这些变化的物理信号能够表达人体的心率变化，最后得出每分钟的心跳次数，就需要通过相应的硬件电路及芯片来处理物理变化并存储心跳次数。

2.1系统结构

便携式心率测量系统是采用光电传感器作为变换原件，对脉搏信号进行采集，并将其转换成电信号，再传送至单片机处理分析后，传送数码管显示的装置。

本系统由传感器电路、信号放大和整形电路、单片机控制电路、数码显示电路等四部分组成。

光电传感器是将非电量（红外光）转换成电量的转换元件，由红外发射二极管和接收二极管组成，可以将接收到的红外光按一定的函数关系（通常是线性关系）转换成便于测量的物理量（如电压、电流或频率等）输出。

信号放大和整形电路主要处理光电传感器采集到的低频信号的模拟电路（包括放大、滤波、整形等）。

单片机电路利用单片机自身的定时中断计数功能对输入的脉冲电平进行运算得出心率（包括AT89S52、外部晶振、外部中断等）。

数码显示电路用于显示经单片机分析处理后得出的心率数据。

2.2系统框图

本设计采用单片机AT89S52为控制核心，实现心率监测系统的基本测量功能。

该系统的硬件框图如下图2.1所示

图2.1 脉搏测量系统框图

当手指放在红外发射二极管和接收二极管中间，随着心脏的跳动，血管中血液的流量将发生变换。

由于手指放在光的传递路径中，血管中血液饱和度的变化会引起光的强度发生变化，因此和心跳的节拍相对应，红外接收三极管的电流也跟着改变，这就使红外接收三极管输出脉冲信号。

该信号经放大、滤波、整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机外部中断信号。

单片机电路对输入的脉冲信号进行计算处理之后把结果送到数码管显示。

第3章硬件系统设计

3.1控制器 

本系统基于52系列单片机来实现功能，因为系统没有其它高标准的要求，我们最终选择了比较普遍的AT89S52单片机来实现系统设计。

3.11AT89S52的简介

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系统可编程Flash 存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

3.12主要性能

●与MCS-51单片机产品兼容

●8K字节在系统可编程Flash存储器

●1000次擦写周期

●全静态操作：

0Hz～33Hz 

●三级加密程序存储器 

●32个可编程I/O口线 

●三个16位定时器/计数器

●八个中断源

●全双工UART串行通道

●低功耗空闲和掉电模式

●掉电后中断可唤醒

●看门狗定时器

●双数据指针

●掉电标识符

3.1.3 AT89S52的结构

此次设计所使用的AT89S52的封装形式是DIP40。

如图3.1所示。

图3.1AT89S52的封装形式

在本设计中所用到的引脚：

VCC:

电源 

GND:

接地 

P0口:

数码管段选位。

P0一般用作输入端口，若P0口用作输出端口，需要添加上拉电阻才能使用。

P10口:

数码管位。

用于检测信号采集的稳定性。

P15,P16,P17,REST口:

下载端口。

方便程序调试下载。

P20,P21口:

按键。

P20指对按键起清零作用，P21口指对按键起开始作用。

P26,P27口:

数码管位选位。

P35口:

信号采集检测。

3.2复位电路

图3.2复位电路图

时钟电路工作后，在REST管脚上加两个机器周期的高电平，芯片内部开始进行初始复位（如图3.2）。

3.3振荡电路

图3.3振荡电路图

本设计晶振选择频率为12MHz，电容选择30pF如图（2－4）。

经计算得单片机工作机器周期为：

12×（1÷12M）=1us。

3.4脉搏信号采样

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。

用光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。

3.4.1 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其浓度成正比。

当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织的吸收、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。

心率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，其中非血液组织光的吸收量是恒定的。

在血液中，静脉血的搏动相对于动脉血来说十分微弱，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搏动引起，那么在恒定波长的光照下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的心率信号。

3.4.2光电传感器的结构 

传感器由发光二级管和光敏二极管组成,其工作原理是:

发光二极管发出的光透射过手指,经过手指组织的血液吸收和衰减，由光敏二极管接收。

由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的吸收和衰减也是周期性脉动的,于是光敏二极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。

本系统设计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3.4所示。

图3.4透射式光电传感器图

3.4.3光电传感器电路

硬件电路中，关键部分在于心率信号的检测。

系统采用红色发光二极管和硫化镉光敏电阻组成透射遮光指套式光电传感器。

红色发光二极管稳定性好，遮光指套式的装置减少了外界光的干扰，只需将待测手指插入，便可进行测量．测试时，被测手指正好处在发光二极管和光敏电阻之间，这样一来，光敏电阻的阻值便将随着手指的血容量的变化而变化。

通过检测指尖来采取脉搏信号，从而得到心率信号。

图3.5光电传感器电路图

3.5信号放大

由于通过光电传感器接收到的信号极其微弱，容易被其外围电路所干扰，因此系统必须为信号处理电路提供电源。

图3.6放大电路图

3.6信号整形

本电路的功能是将模拟电压信号转化为高低电平信号输出到单片机系统，可以采用反向滞回电压比较器进一步提高电路抗干扰能力。

经过对强弱心率信号的测试和统计分析可以将其阈值确定。

整形电路如图3.7所示

图3.7整形电路

3.7数码管显示

显示系统既可以选择使用LED，也可以选择使用LCD。

如果需要输出英文字符，从而使得显示系统能够更加美观，选择使用液晶屏LCD那就是相对好的了。

当然，就本系统的功能来说，使用LED已经可以实现功能，所以就最终选择了LED数码管显示。

LED数码管由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。

数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。

这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。

图3.8数码管显示电路

3.8硬件系统原理

该硬件系统由信号取样，信号放大，波形整流，数码管显示等几部分组成，心率信号通过取样电路的传感器检测，经过信号放大，滤波，整流后，由单片机内部进行处理，最后将检测到的信号通过显示电路显示出来，其硬件原理图如图3.9所示。

图3.9工作原理图

第四章软件系统设计

程序设计是单片机开发最重要的工作，程序设计就是利用单片机的指令系统，根据应用系统的要求编写单片机的应用程序。

脉搏测量系统的功能是在程序控制下实现的。

软件设计中，我们一般采用模块化的程序设计方法，它具有明显的优点。

按整体功能分成多个不同的程序模块，分别进行设计、编程和调试，有利于程序的优化和分工，提高了程序的阅读性和可靠性，使程序的结构层次一目了然。

应用系统的程序由包含多个模块的主程序和各种子程序组成。

各程序模块都要完成一个明确的任务，实现某个具体的功能，在具体需要时调用相应的模块即可。

4.1主程序的设计

主程序流程图是整个设计程序分析中最基本、最重要的，它是整个设计思路的大体体现，是主导我们设计思维的方位图，在设计起到提纲的作用，能够避免在写程序中逻辑混乱，使整个设计清晰明了。

本系统是利用C语言编写程序，C语言具有编程效率高，可读性强，修改程序方便。

（具体程序在附录中见程序清单）。

主程序流程图如图4.1：

图4.1主程序流程图

4.2中断程序流程

定时器中断服务程序由一分钟计时、有无测试信号判断等部分组成。

当定时器中断开始执行后，对一分钟开始计时，到60s时再停止并保存测得的心跳次数。

同时可以对按键进行检测，只要复位测试值就可以重新开始测试。

主要完成一分钟的定时功能和保存测量的心跳次数。

外部中断服务程序完成对外部信号的测量和计算。

外部中断采用边沿触发的方式，当处于测量状态的时候，来一个脉冲心跳次数就加一，由单片机内部定时器控制一分钟，累加得出一分钟内的心跳次数。

流程如图4.2所示。

图4.2中断流程图

第五章系统测试与数据

5.1硬件测试

测试仪器和方法：

（1）测试仪器：

测试仪器包括数字万用表、恒温电烙铁、移动电源、吸锡枪等。

（2）测试方法：

数字万用表主要用来测试电路板上焊接的分离元件的电阻、压降、漏电流、截止/导通状态等多项参数，测量各个模块是否可行，能否正常供电通信。

恒温电烙铁主要用来焊接电路中没有连接好的导线，或者在检查中发现的断线、虚焊等情况，此外，还可以用来焊接不美观的焊点，装饰一下。

移动电源在测试期间为整个电路系统供电，主要包括单片机、LED数码管和光电传感器模块。

吸锡枪主要用来除去在焊接过程中焊接失误时遗留的焊锡，用吸锡枪吸掉后，就可以重新焊接了，为了产品美观，也可以吸掉不好看的焊点，重新焊接。

5.2软件测试

我设计的这个“脉搏测量系统”系统，要达到系统的正常工作，不仅需要硬件焊接良好的支持，同样编写正确的软件程序也是非常重要的，因为软件程序是使单片机工作，发出何种指令的基础，只有软硬件相互配合，才能达到我们设计的目的。

在大学中关于编程，我们都学过汇编语言和C语言，但我们知道汇编语言是一门面向机器的程序设计语言，同时，汇编语言编写程序很复杂，而且可读性不强，在程序编写错误时，很难找到错误地方，修改起来很麻烦，所以，汇编语言一般适用于编写大型的操作程序，适合高级程序员编写。

我作为一个程序的初学者，汇编对于我来说是很不容易的，对于我设计的这个脉搏测量系统，选择C语言程序编写，是很合适不过的，我们在大一的时候就学过C语言这门教程，C语言是一门高级程序语言，它具有编写性强，可读性强，调试程序方便，而且程序思路清晰。

编写单片机的C语言程序是在Keil软件上编写，在编写成功后，由该软件编译为被单片机识别的机器语言，是非常方便的。

同时，也可以用这个软件对设计的系统进行在线仿真与调试，可以快速的编写出正确的程序。

5.3软硬件联合测试

当软件部分和硬件部分的基本功能分别调试好以后，进行软硬件联合调试及其优化。

就是把整个系统通电以后，调试系统能否实现课题预先的目的，不能的话，仔细分析问题原因可能出现的情况，并找出相应原因，然后想办法改正。

经过多次调试都没出现问题，就表明整个设计完好。

第6章结果分析与总结

通过本次毕业设计，我研究了“脉搏测量系统”，无论是专业知识还是做事态度上都收获了很多。

在课题研究过程中，学校给我们提供了一个培养创新、协作能力和钻研精神的好平台，在这个平台上，我们尽情地展示自己，并且亲自动手实践。

在整个过程中，我熟悉了各种元器件的功能及其使用方法，学会自己制作电路板，先在画图软件里面画出原理图，确认无误后导入PCB制图，然后打印到硫酸纸上，用实验室的材料制作出电路板，最后进行焊接，调试。

其间有很多小细节都需要我们注意，有的液体对人体有害，所以必须带上手套和口罩来进行操作。

板子做好后，在用机器钻孔的时候也要特别小心，如果不小心有可能会把板子弄坏，也有可能伤到手。

当然，如果实在不熟悉，也可以寻求别人的帮助，从而完成整个设计。

整个设计过程中，我积累了很多实战经验，感觉心中充满了激情，觉得整个制作很有意思。

电子信息科学与技术专业，本身就是一个极具挑战的专业，目前在中国发展很快。

要想在这方面有所成就，需要有丰富的知识积累，以及灵活的头脑，拥有这些也还远远不够，坚强的意志和踏实的态度，永不放弃的精神也是必不可少的。

平时在学校，我们应该认真学校课本知识，上课认真听讲，做好老师布置的作业，课后复习巩固，空余时间多进图书馆，了解一些课外知识，来开拓自己的眼界，训练自己的思维。

我们做任何事都不要觉得辛苦就不想去做，只能克服困难才能获得更多的知识。

以下是我对本次毕业设计的体会和感想：

态度：

首先，无论我们做什么事情，态度都是最重要的。

俗话说：

“性格决定命运，气度影响格局，态度决定高度，细节决定成败。

”对于本次毕业设计来说，我们应该要有一个正确鲜明的认识，我们要以学习知识为主要目的，不要想着这是为了毕业完成任务来完成的作业，以实践工作为动力。

只有我们拥有丰富的理论知识和实战经验，才能在不同的场合或者不同的专业竞技中取得胜利。

本次设计是一个比较漫长的过程，在整个制作期间我们心态很重要，遇到了各种各样的问题也是很正常的，比如：

有很多需要