数字脉搏测试仪的设计与实现.docx
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数字脉搏测试仪的设计与实现
学校代码：
11517
学号：
201050712210
HENANINSTITUTEOFENGINEERING
毕业设计（论文）
题目数字脉搏测试仪的设计与实现
学生姓名
专业班级电气工程及其自动化0822班
学号201050712210
系（部）电气信息工程系
指导教师（职称）教授
完成时间2012年5月25日
河南工程大学论文版权使用授权书
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论文作者签名：
年月日
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本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。
论文作者签名：
年月日
河南工程大学
毕业设计（论文）任务书
题目数字脉搏测试仪的设计与实现
专业电气工程0822学号201050712210姓名
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
主要内容：
1、总体设计方案
2、硬件电路设计
3、软件设计
4、系统仿真与调试
基本要求：
1、能够准确测量人体脉搏的次数并能显示；
2、如果出现心率不齐，应有所告警。
给出具体的设计方案
主要参考资料：
[1]阎石.数字电子技术基础.高教出版社，2006
[2]杨少春.传感器原理及应用.电子工业出版社,2011
[3]张洪润等.传感器原理及应用.清华大学出版社,2008
完成期限：
指导教师签名：
专业负责人签名：
年月日
数字脉搏测试仪的设计与实现
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LCD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。
关键词单片机/压力脉搏测量仪/频率
DesignandImplementation
ofDigitalpulsetestinginstrument
ABSTRACT
Theshape,intensity,speed,andrhythmofpulsesignalsmostlyreflectthephysicalandpathologicalcharactersofheart-bloodsysteminhumanbodies.Accordingtothecharacteristicsofthehumanpulsesignals,apulsefluctuationfrequencymeasurementsystemisdesigned.Thesystemusesapulsesensortooutputthevoltageofthepulsesignals,andusesanamplificationcircuittoenlargeit,andthen,theamplificationpulsesignalthroughtheA/Dconverterconvertedtomicrocontrollermanageablepulsesignal,thenusesAT89S51todealwithittogetthepulsefluctuationfrequency,andlastuseLCDtodisplay.Testsshowthatthesystemcanmeasureanddisplaythepulsefluctuationfrequency,providinganobjectivebasisfordoctorstodiagnoseandhavingcertainclinicalvalue.
KEYWORDSmonolithicintegratedcircuit，piezoresistivesensorsmeasuringinstrument.，frequencymeasurement
1绪论
1.1脉搏测量的概况及意义
随着科学技术的发展，医学方面的器材也在不断地改进，更新。
脉搏值是跟人体健康状况相关的一项参数，有些时候，通过测量脉搏值，就可知道人体的一些生理状况。
上医院测量脉搏值太麻烦，而传统的“把脉”又不是人人都能掌握的技能。
如何解决这一问题呢？
早在1860年Vierordt创建了第一台杠杆式脉搏描记仪，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简单的归纳，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）
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
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
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
数据来源：
2010年《传感器及其在医学中的应用[J].》
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仪，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脉搏仪，它外围电路简单，体积小，使用方便，易于观察，易于携带。
因此，该脉搏仪可适合于体育训练和室外作业等场合的使用。
数字脉搏测试仪能测出人体脉搏每分钟跳动的次数，并通过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，脉搏测试仪会发出报警信号，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。
采用脉搏仪测量心脏跳动频率，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。
1.2本文研究的主要内容
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、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。
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。
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。
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。
2系统总体设计方案
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显示，当出现心律不齐时能有所指示，为脉诊的客观化打下基础。
为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。
2.1硬件设计方案选择
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：
一、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。
二、压力传感器
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。
三、加速度传感器
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。
综合考虑脉搏测量的实用性与价格因素，本设计的脉搏传感器选用MPX4115压力传感器，其实物如图2-1所示。
图2-1MPX4115压力传感器
从图2-1可知，压力传感器脚1接放大电路输入端，脚2接地，脚3接+5V电源。
详细引脚功能和工作参数见表2-1和表2-2。
表2-1MPX4115引脚功能表
引脚功能
１
２
３
４
５
６
Vout
地
Vs
N/C
N/C
N/C
数据来源：
2009年《传感器电路及其精选【J】》
表2-2MPX4115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
精度（0℃～85℃）
-
-
-
±1.5
%VPSS
灵敏度
V/P
-
45.9
-
mV/KPa
数据来源：
2009年《传感器电路及其精选【J】》
本设计中，采用MPX4115型压力脉搏传感器，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。
从表2-2可知，采集到的脉搏信号，幅值约为0mV～40mV，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。
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。
2.1.2单片机的选择
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转化后，便于AT89C51单片机处理。
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。
第一，AVR单片机
AVR单片机是ATMEL公司生产的单片机。
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。
第二，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，如SPCE061等。
第三，51单片机
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。
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。
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AT89C51单片机，它可以完全满足本设计的设计要求，而且，价格较低。
所以，本设计中选择AT89C51单片机作为信息处理中心。
根据要求系统模块可以基本划为：
脉搏测量部分、单片机处理电路部分及显示电路、报警电路部分。
将脉搏信号通过脉搏采集、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。
系统基本框图如图2-2所示。
LCD显示电路
AT89C51单片机处理电路
模数转换电路
脉搏测量电路
信号放大电路
报警电路
图2-2系统总体设计框图
2.2软件设计方案
通过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。
第一，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
。
第二，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。
第三，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，其频率成分分布在0～20Hz之间的属于次声，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。
单片机数据传送方式一般有以下几种：
第一，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。
第二，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，选择查询方式。
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；
反射型带EL或LCD背光源。
LCD常用显示方法有两种：
静态显示和动态扫描显示。
第一，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对应接口电路，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。
第二，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。
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，显示脉搏次数和测试时间，选用动态显示。
3系统硬件电路设计
3.1脉搏信号放大电路设计
脉搏传感器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。
本设计中采用的是反相比例运算放大电路，如图3-1所示。
图3-1反相比例运算放大电路
由图可知，该放大电路放大倍数为-100。
由于脉搏传感器输出电压范围为0-40mv,而ADC0809的输入电压是0-5V,所以运算放大电路放大倍数为100即可，经该放大电路输出的脉搏信号电压幅值约在0～4V范围内。
3.2A/D转换电路设计
由于压力脉搏传感器采集到的信号是模拟信号，故在后续电路中，需要把脉搏信号转换为易于单片机处理得到的脉搏波动频率信息的脉冲信号。
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。
ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
当信号幅值在一定范围内时才会实现模数转换功能，以便记录脉搏次数。
如图3-2所示。
图3-2A/D转换电路
图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。
地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。
IN7～IN0为模拟量输入通道，ALE为地址锁存允许信号，对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。
START为转换启动信号，START上升沿时，复位ADC0809，START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换，在A/D转换期间，START应保持低电平。
A、B、C为地址线或通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。
CLK为时钟信号，ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚，通常使用频率为500KHz的时钟信号。
EOC为转换结束信号，EOC=0则正在进行转换，EOC=1则转换结束，使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。
D7～D0为数据输出线，为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连，D0为最低位，D7为最高位。
OE为输出允许信号，用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE=0，输出数据线呈高阻，OE=1，输出转换得到的数据。
Vcc为+5V电源，Vref为参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准，其典型值为+5V（Vref（+）=+5V,Vref（-）=-5V。
3.3单片机最小系统的设计
AT89C51系列单片机是ATMEL公司推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令代码与传统8051单片机完全兼容。
AT89C51与51系列中各种型号芯片的引脚互相兼容。
片内带4KB的Flash程序存储器（ROM）；
程序存储器的寻址空间为64KB（需要扩展ROM）；
片外数据存储器的寻址空间为64KB（需要扩展RAM）；
128位（16字节）用户位寻址空间（在128个字节中）；
18个字节特殊功能寄存器SFR（MCS—52子系列为21个）；
4个8位的并行I/O接口：
P0、P1、P2、P3；
2个16位定时器/计数器T0、T1（MCS-52子系列为3个，T2）；
2个优先级别的5个中断源（高、低2个）；
1个全双工的串行I/O接口，可多机通信；
片内振荡器和时钟电路。
引脚按其功能可分为如下3类：
第一，电源及时钟引脚—－VCC、VSS；XTAL1、XTAL2；
第二，控制引脚—－
、
、
、和
；
第三，I/O口引脚——P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口。
VSS（20脚）：
接地，0V参考点。
VCC（40脚）：
5V电源。
【提供掉电、空闲、正常工作电压】
XTAL1（19脚）：
接外部晶体振荡器的一端。
当使用芯片内部时钟时，此脚用于外接石英晶体振荡器和微调电容；当使用外部时钟时，对于HMOS单片机，此引脚接地；对于CMOS单片机，此引脚作为外部振荡信号的输入端。
XTAL2（18脚）：
接外部晶体振荡器的另一端，当使用芯片内部时钟时，此脚用于外接石英晶体振荡器和微调电容。
当使用外部时钟时，对于HMOS单片机，此引脚接外部振荡源；对于CMOS单片机，此引脚悬空不接。
在VCC发生故障、降低到电平规定值掉电期间，此引脚可接备用电源VPD（电源范围5V±0.5V），由VPD向内部RAM供电，以保持内部RAM中的数据。
ALE/（30脚）：
地址锁存使能。
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-FFFFH）程序存储器空间中的程序。
对于EPROM（或FLASH）型单片机，在EPROM编程期间，此引脚需加12.75V或21V的编程电压。
图3-3AT89C51单片机框图
振荡
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