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wqs数字式人体脉搏器的设计
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。
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LED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：
人体脉搏信号；单片机；频率测量
Abstract
Theshape,intensity,speed,andrhythmofpulsesignalsmostlyreflectthephysicalandpathologicalcharactersofheart-bloodsysteminhumanbodies.Accordingtothecharacteristicsofthehumanpulsesignals,apulsefluctuationfrequencymeasurementsystemisdesigned.Thesystemusesapulsesensortooutputthevoltageofthepulsesignals,andusesanamplificationcircuittoenlargeit,andthen,theamplificationpulsesignalthroughtheA/Dconverterconvertedtomicrocontrollermanageablepulsesignal,thenusesAT89S51todealwithittogetthepulsefluctuationfrequency,andlastuseLEDtodisplay.Testsshowthatthesystemcanmeasureanddisplaythepulsefluctuationfrequency,providinganobjectivebasisfordoctorstodiagnoseandhavingcertainclinicalvalue.Atthebeginningofthepaper,theintegralnotionofthedevicedesignisbroughtout.Afterwards,thedetailinformationofeachpartisnarrated.Atlastpart,somesuggestionsforimprovingthedeviceareprovided.
Keywords:
Pulsesignal；Microcontroller；Frequencymeasurement
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。
那么我们如何解决这些问题呢？
早在1860年Vierordt创建了第一台杠杆式脉搏描记仪[1]，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，详见表1.1。
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发展。
医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。
为了节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测量10秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以6即得到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高。
但是通过一种用单片机制作的脉搏器，就可以得知人体的生理状况。
为了更好地运用所学知识，加深对电子电路的掌握，达到创新的目的，更为医用器材补充一简单快捷地测试脉搏跳动的工具，我将利用单片机设计一个数字式脉搏器，它外围电路简单，体积小，使用方便，易于观察，易于携带。
因此，该脉搏器可适合于体育训练和室外作业等场合的使用。
数字式脉器能测出人体脉搏每分钟跳动的次数，并通过数码显示器直观的显示出来，能用三位数来显示一分钟内脉搏跳动的次数，并在一分钟内保持数据不消失，便于观察，在人体脉搏跳动过快时，脉搏测试仪会亮红灯并发出报警信号，具有超强报警功能，具有自动报时功能，不用时，把电源断开，整个电路静态时不消耗电能。
采用脉搏器测量心脏跳动频率，不但精确，而且使用很方便，显示结果也十分醒目，适用于各个年龄及性别的人，能判断心率不齐且进行告警显示。
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
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AT89S51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，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I/O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，它可以完全满足本设计的设计要求，而且，AT89S51的价格较低。
2.2系统软件方案选择
2.2.1脉搏波动频率测量方案的选择
通过放大电路经A/D转换之后的信号为脉冲信号。
脉冲信号的频率是指在单位时间内由信号所产生的交变次数或脉冲个数，即
。
可以看出测量fx必须将N或t两个量之一作为闸门或基准，对另一个量进行测量。
对于不同的频率范围，有三种不同的测量方法。
（1）周期测量法：
适用于低频信号。
采用单片机内的一个定时/计数器，以单片机内的标准机器周期作为标准时基信号Ts。
被测信号的周期作为信号闸门，由程序控制开关对时基进行计数得nx，因此被测信号周期为
，每分钟脉搏跳动次数为
。
（2）多周期同步法：
适用于中频信号。
其特点是标准频率信号不是用来填充待测信号的周期，而是与待测信号分别输入到两个计数器进行同步计数。
（3）频率测量法：
适用于高频信号。
充分利用单片机内的两个定时/计数器，一个作为定时器，给出标准闸门信号，另一个作为计数器。
人体脉搏波动频率一般为60～80次/min，其频率成分主要分布在0～20Hz之间，属于次声，最高频率不超过40Hz，一般情况下为1Hz左右，属于低频信号。
所以，本设计中选择周期测量法。
2.2.2单片机工作方式的选择
单片机数据传送方式一般有以下几种：
（1）查询方式：
由于CPU与外设之间存在时序、速度等差异，在数据传送前必须检测接口状态，探查外设是否数据准备就绪。
查询方式优点是结构简单，硬件开销小；缺点是CPU在整个传送过程中需要不断检测外设状态，由于CPU的速度远远高于外设，因此通常处于等待状态，工作效率很低。
（2）中断方式：
CPU无需检测外设是否数据准备就绪，不占据CPU时间，因此CPU与外设并行工作，提高了CPU的工作效率，还满足了外设的实时要求。
本设计中，只对A/D转换后的脉冲信号进行频率计算，CPU工作不是很繁忙，可以选择查询方式。
2.2.3显示电路方案的选择
脉搏信号经过单片机处理，得到脉搏波动频率之后，需要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。
人体脉搏信号从时域上看，是一个周期性较强的准周期信号。
脉搏波动频率一般为60～80次/min。
本设计中，显示位数较多。
可以选择LCD字符液晶屏来对脉搏波动频率信息进行显示。
它具有：
电参数（VDD=5.0V10%,VSS=0V,Ta=25）
显示内容：
16字符x2行
字符点阵：
5x8点
驱动方式：
1/16D
可供型号：
TNSTN（黄绿模灰模黑白模）
反射型带EL或LCD背光源[5]
LCD常用显示方法有两种：
静态显示和动态扫描显示。
（1）静态显示：
所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形显示。
这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小，较小的电流能得到较高的亮度且字符不闪烁。
静态显示适用于显示器位数较少时。
（2）动态扫描显示：
所谓动态显示，就是一位一位地轮流点亮显示器各个位（扫描），对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。
利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必需保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。
当显示位数较多时，用静态显示所需的I/O太多，一般采用动态显示的方法。
本设计中，显示的脉搏波动频率，同时显示脉搏次数和测试时间，选用动态显示。
2.3本章小结
本章主要介绍了脉搏波动频率测量系统硬件原理框图及软件实现方案，并通过比较硬件电路组成部分和软件部分各种实现方案，最终确立设计方案。
第3章数字式脉搏器测量系统硬件电路设计
本设计中，脉搏波动频率测量的实现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转换电路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，并在显示电路中直观的显示出来。
为达到电路结构简单实用的设计目的，从设计要求出发，设计了信号放大电路、A/D转换电路，单片机处理电路及LCD显示电路等。
本章对各部分电路的设计进行详细论述与分析。
3.1信号放大电路的设计
脉搏传感器[6]出来的电压信号较弱，在毫伏级，需要对其进行放大。
所以，设计信号
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