基于单片机的脉搏测试系统设计.docx

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基于单片机的脉搏测试系统设计

毕业论文

基于单片机的指脉检测系统的设计

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基于单片机的指脉检测系统的设计

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基于单片机的指脉检测系统的设计

摘要

脉搏测试仪是用来测量一个人脉搏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分，因此，在现代医学上具有重要的作用。

目前检测脉搏的仪器虽然很多，但是价格都比较昂贵，本文拟设计一款适合家庭使用的简易的脉搏测试仪。

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。

但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频弱信号，脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号，必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。

本文的设计使用光电传感器来获得人体的脉搏信息，通过信息处理，单片机的控制将脉搏信息传递到LCD显示屏上，从而可以直观清晰的获得人体脉搏跳动的频率等信息，自此构成了我们设计的脉搏测试系统。

从中可以得知脉搏跳动是否正常以及每分钟跳动的次数。

最后，本文对脉搏测试系统的进一步发展提出了自己的看法。

关键字：

指脉检测、光电传感器、单片机、LCD显示

Microcontroller-based design refersto the pulse detectionsystem

Abstract

Pulsetestinstrumentwasusedtomeasureanindividualpulsenumberofelectronicinstruments,andelectrocardiogramofmaincomponent,therefore,inthemodernmedicinehasanimportantrolein.Thedetectionofpulseinstrumentalthoughmany,butthepriceisrelativelyexpensive,thispaperisintendedtodesignasuitableforhouseholduserecommendedpulsetester.

Pulsewavebyshowingthemorphology（waveform）,strength（amplitude）,velocity（velocity）andrhythm（cycle）andotheraspectsofthecomprehensiveinformation,largelyreflectthehumancardiovascularsysteminmanyphysiologicalandpathologicalbloodflowcharacteristics,sothepulsewaveacquisitionandprocessinghavehighmedicalvalueandapplicationprospect.Butthehumanbiologicalsignalsbelongingtostrongnoisebackgroundandlowfrequencyweaksignal,pulsewavesignalislowfrequencyweaknon-electrophysiologicsignals,requiredafteramplificationandfilteringtomeetaftertheacquisitionrequest.

Inthispaper,thedesignofphotoelectricsensorisusedtoobtainthepulseinformation,theinformationprocessingofsingle-chipcontrolofthepulseinformationispassedtotheLCDdisplayscreen,whichcanbeintuitivelyclearaccesstohumanpulsefrequencyandotherinformation,sincecomposeourdesignpulsetestsystem.Fromthatthepulseisnormalandthenumberofbeatsperminute.

Finally,thisarticleonpulsetestsystemfurtherdevelopmenttoproposeownview.

Keywords:

Fingerpulsedetection、Photoelectricsensor、Singlechipmicrocomputer、LCDDisplay

目录

1绪论1

1.1本文的研究现状1

1.2本文的研究目的3

1.3本文的研究内容3

2本系统的整体设计方案4

2.1系统的整体框图4

2.2系统的主要组成部分4

2.2.1光电脉搏传感器4

2.2.2信号采集系统5

2.2.3放大电路5

2.2.4滤波电路5

2.2.5数据采集电路6

2.2.6AT89S51单片机6

2.2.7显示电路6

3指脉检测电路的设计7

3.1指脉传感器的基本原理7

3.2检测电路的设计7

4单片机控制电路的设计9

4.1单片机的选择9

4.2指脉信息的检测与控制11

4.2.1硬件设计11

4.2.2软件设计12

4.3显示电路的设计18

5总结与展望20

参考文献21

致谢22

1绪论

脉诊是中医传统诊断中最主要的一个诊断方法，已有近千年的历史，它是种无创伤的检测方法，简便易行。

但是，传统的诊断方法属于主观诊断，其结果容易受到生理、心理等变化的影响，使临床处理的有效性降低。

如果采用电子测量技术，就能够精确测量，还可以借助现代化的工具进行更高效、合理的判断和分析。

随着集成电路的发展，脉搏测量计必然向微型化、大众化、智能化发展。

脉搏测试系统可以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。

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。

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生理信号,必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。

1.1本文的研究现状

中医脉诊具有历史悠久，内容丰富的特点，将中医“整体观念，辨证论治"的思想得到了很好的体现和应用。

早在秦汉时期的黄帝内经的《灵枢》和《素问》中曾提到过：

从《灵枢》的记载中可知秦代以前的医师通常用人迎、寸口对比的诊脉方法来对疾病部位进行诊察。

而《素问》中又指出：

“五脏相音，可以意识，五色微诊，可以目察，能合色脉，可以万全。

"明确记录了古人脉诊使用了通过对颜面、手腕和足踩3部的血管脉搏搏动进行比较来诊断病症。

到了汉代，《难经》又进一步确立寸口部位的寸关尺脉与其浮、中、沉诊法为定为三部九候的诊脉方法。

东汉末年，中医鼻祖张仲景在总结前人的成果后开创了病、脉、诊综合治病的先河。

三国时期，我国第一部脉学专著《脉经》由王叔和撰写成功。

其主要内容是：

阐述了近于完善和成熟在脉理、脉名、脉形和脉法以及诊断等多方面的理论，为脉诊成为一门独立的学科创造了基本条件。

所以，当前我们普遍认为它是标志着脉学的形成。

明代，李时珍以六朝时期的高阳生所撰《脉决》一书中的理论为基础，并兼顾各家所长再加上自己的研究心得，于1564年撰写完成了《濒山东大湖脉学》一书，该书中详细定义和描述了浮、沉、迟、数、滑、涩等27种脉象的形态、对应病症及相似脉之间的鉴别15J。

而对于脉诊客观化的研究，可以追溯到宋代，宋代的许叔微绘有仲景脉法图，而明代沈际飞则编著有《人元脉影归指图说》，其中记载有七表、八里、十六怪脉等的脉搏图形。

他们都试图利用图形来描绘脉搏从而使脉诊能够更加具体化，但由于其均带有较强的个人主观性强，缺乏必要的客观基础。

近年来随着电子技术的快速发展，脉诊客观化的研究也得到了很快的进步。

20世纪50年代末期设计出的利用酒石酸钾钠压电晶片作为传感器件的脉搏仪，其主要原理为：

将中医寸、关、尺3处的脉搏信息，通过换能器采集并转换电信号，再加以放大等处理再进行描述并记录，初步确定了中医弦脉、滑脉、平脉等主要的脉象图形；60年代初研制出的三线脉象仪，首先实现完成了对寸、关、尺3部位的切脉压力进行任意调节和客观定量的测定，并进而完成了对压力脉搏波图形的描述与记录。

随后，全国各地陆续研制出采用各种不同材料的换能器（如半导体硅应变片换能器，电感式压力换能器，电阻抗式换能器）为基础设计的脉搏仪，其目的均是为了不断提高换能器件的灵敏度，精确度，并对探头的形状进行改造。

在脉诊客观化的研究中，脉搏信息的获取是脉搏采集装置中最为重要的一环，脉搏信息的获取必须要用到脉搏传感器来检测，所以脉搏采集系统的发展与脉搏传感器的发展密切相关，最早的脉搏传感器为机械式传感器，后来逐渐开发了压电式传感器，光电式传感器，液态传感器，PVDF（压电薄膜）传感器等一系列多种传感器。

而其信号的转换方式分为固体、气压、液压等方式，其材料可以采用压电晶体、半导体应变片、PVDF压电薄膜和液态可变电阻等多种材料。

国外研究状况，公元前四世纪，希腊的Herophilus就曾重点注意到了脉搏的节律、速率、强度和形状，他还认为认为脉搏的搏动可以通过音乐的形式来进行表达。

随后，Calen成为国外第一个采用检查手腕处脉搏来对疾病进行诊断的方法的医学家。

国外在关于脉诊理论方面也出现过不少相关的著作，总结了许多与脉诊有关的临床经验，其中波兰Struthius于1540年撰写的《脉诊的艺术》一书，占有比较重要的地位，书中描绘出了脉搏图形，是西方最早的脉搏图解。

1700年著名的物理学家牛顿对动脉弹性腔的意义进行了论证，1733年生理学家斯蒂

文•哈尔斯提出动脉管的系统模型。

1741年爱尔兰的Niheu发表了“从脉搏观察各种疾病变化的新方法"的文章。

到了近代，英国人Marye最早研制出采用弹簧为动力的杠杆式脉搏传感器，并使用其对挠动脉脉搏波形图进行了记录。

近年来日本、美国等国家的医生、学者在对医学与针灸研究中设计出了一些对脉象进行客观化描述的描记仪器和装置。

其主要功能是描记脉象波形图，在临床上，也可用作观察脉象变化的工具。

但这些仪器装置大多数没有形成产品，没有得到市场化，当然在临床上也没有见到广泛应用的报道。

这其中较有代表性的仪器如：

美国医学博士John．H．Laub研制的一种针灸临床用的新型无创脉搏波记录仪、日本的田口贤辉设计的一种“压力、脉搏测定装置"和代用文彦设计的一种“局部加压型可偿还脉装置”以及日本Sony公司曾经推出的一种采用三个驻体微音器作为脉搏波转换元件的脉搏波形仪器141。

1.2本文的研究目的

我们的目的很明确，可以了解单片机的发展历史以及最新的发展动态，脉搏测试的发展现状，可以从研究中得到设计系统的经验，了解了人体脉搏的一些知识，为发展我国的中医事业做贡献，中医就是靠把脉得知患者的病情，我们可以作出一个仪器，这个仪器就能够把脉而且准确度很高。

更加深层次的加深了对单片机控制电路的理解，切实结合实际经验来设计，认真务实，锻炼我们的动手能力。

1.3本文的研究内容

根据脉搏信号的特点，利用单片机设计和实现脉搏信号的实时采集系统，并将采集的信号放大以便于能够清晰的在显示屏上显示，从而得到脉搏跳动的一些信心，如每次跳动的快慢，每分钟跳动的次数等等信息。

内容涉及到传感器的选择，有光电脉搏传感器，压力测试脉搏传感器，还有光电容积脉搏波法、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，而我们此次研究选择的是光电脉搏传感器，这是由于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。

还有单片机的选择在后文中会介绍到。

2本系统的整体设计方案

2.1系统的整体框图

图2.1系统整体框图

本系统采用光电式传感器获得指脉的信息，由于指脉信号的特点，需对原始的指脉信号进行滤波、放大和积分等处理，然后传入单片机，通过按键，利用单片机对指脉信息进行处理和控制，并将最终的指脉信息通过LCD显示。

2.2系统的主要组成部分

2.2.1光电脉搏传感器

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

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）力传感器测量。

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。

3）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。

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。

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。

考虑到各种脉搏传感器的特点，本文采用的是光电脉搏传感器。

2.2.2信号采集系统

由于光电脉搏波属于缓慢变化的微弱生理信号，信噪比低，极易受到环境噪声和肢体运动的干扰。

传统的光电脉搏波信号检测电路都采用高增益放大器，以获得较高的检测灵敏度，这种设计思路导致了检测信号动态范围缩小，在受到运动干扰时，将导致由于干扰信号而带来的光电脉搏波信号检测的饱和失真。

本系统采用过采样技术，通过对信号的高速采样来提高采样精度，相当于用高分辨率的ADC对信号进行模数转换，达到了提高信噪比并改善动态范围的效果。

因此本系统对经过光电转换后的信号进行模数转换而不需要任何信号调理（放大和滤波）电路。

2.2.3放大电路

脉搏信号的基本特征是：

稳定性不高并且具有随机性，还是一种典型的极微弱生理信号。

凡是生理信号大都具有强干扰与的噪声强的特点，因此，要想感测到信号就必须对噪声进行抑制，还要求所采用的放大电路必须具有高增益、高输入阻抗和低噪声等特点。

脉搏传感器的输出信号大致在0--5mV的毫伏级电压信号，所以需要放大的倍率在1000以上。

本系统设计了前置放大电路和主放大电路组成的多级放大电路对其进行放大处理，可以使得放大后的信号满足系统分析的要求。

2.2.4滤波电路

滤波电路就是对信号波形进行一种类似过滤处理的电路，具体来说是让某些频率范围内的信号通过，而其它频率信号不能通过的电路单元。

即对有些频率信号波形具有抑制功能。

信号处理系统中滤波电路得到了非常广泛的应用，其种类繁多。

具体分类如下：

既可以分为低通滤波电路（LPF），高通滤波电路（HPF），带通滤波电路（BPF）和带阻滤波电路（BEF）等；也可看其内部是否含有有源器件（通常是运放）分为无源滤波电路和有源滤波电路，除此之外，滤波电路还可分为一阶、二阶和高阶滤波电路，而高阶滤波电路可通过低阶滤波电路进行级联而组成。

2.2.5数据采集电路

由光电传感器感测的脉搏信号经前电路一系列处理后，还需要进行A/D转换后才可以送到单片机进行逻辑与数据传输控制等处理。

2.2.6AT89S51单片机

AT89S51单片机是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

2.2.7显示电路

本文设计的显示电路是将脉搏信息显示在LCD屏上，以助于更加生动形象的观察脉搏信息的变化。

3指脉检测电路的设计

3.1指脉传感器的基本原理

本研究所用的传感器是光电传感器，其基本原理是血液的流动会导致血管内的血容量的发生改变，而血容量的多少会影响血液对光线的吸收量，从而导致透过组织的光线强度也将随血流的变化而发生变化，光电传感器就是将接收透射后的光信号转换为电信号，从而来获取脉搏信息的。

3.2检测电路的设计

系统以AT89S51单片机为核心，由光电脉搏传感器采集脉搏信号，经滤波、放大、积分、比较后得到与脉搏相关的脉冲信号，该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行脉冲周期的计算，然后得出每分钟的脉搏搏动次数，并在显示屏上显示。

利用一个运放作为恒流源电路向发光二极管提供稳定的工作电流，此外，电容C12能滤除高频信号，使发光二极管的工作更为稳定。

电阻R2为光敏电阻提供工作电压，电阻R5和电容C2组成无缘低通滤波器，能对进入检测电路的高频噪声进行滤波。

由于经过滤波后的脉搏信号幅度较小，且脉搏信号并不是标准的脉冲信号，不能直接作为单片机的中断信号，于是通过放大和积分将每一个脉搏搏动信号变换成脉冲信号。

我们可以使用一个有源积分器，这样同时完成了放大与积分的处理。

最后再用一个电压比较器，生成标准的脉冲信号.

图3.1脉搏信号的交换

图3.2脉搏信号变换电路

4单片机控制电路的设计

4.1单片机的选择

单片机有很多种，我们的设计采用的是AT89S51.

单片机其他还有以下几种类型：

1Motorola单片机:

Motorola是世界上最大的单片机厂商。

从M6800开始,开发了广泛的品种,4位,8位,16位32位的单片机都能生产,其中典型的代表有:

8位机M6805,M68HC05系列,8位增强型M68HC11,M68HC12,16位机M68HC16,32位机M683XX.Motorola单片机的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多,因而使得高频噪声低,抗干扰能力强,更适合于工控领域及恶劣的环境。

2MicroChip单片机:

MicroChip单片机的主要产品是PIC16C系列和17C系列8位单片机,CPU采用RISC结构,分别仅有33,35,58条指令,采用Harvard双总线结构,运行速度快,低工作电压,低功耗,较大的输入输出直接驱动能力,价格低,一次性编程,小体积。

适用于用量大,档次低,价格敏感的产品.在办公自动化设备,消费电子产品,电讯通信,智能仪器仪表,汽车电子,金融电子,工业控制不同领域都有广泛的应用,PIC系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高.发展非常迅速。

3MDT20XX系列单片机:

工业级OTP单片机,Micon公司生产,与PIC单片机管脚完全一致,海尔集团的电冰箱控制器,TCL通信产品,长安奥拓铃木小轿车功率分配器就采用这种单片机。

4EM78系列OTP型单片机:

台湾义隆电子股份有限公司,直接替代PIC16CXX,管脚兼容,软件可转换。

5cenix单片机:

Scenix公司推出的8位RISC结构SX系列单片机与Intel的PentiumII等一起被<>评选为1998年世界十大处理器。

在技术上有其独到之处:

SX系列双时钟设置,指令运行速度可达50/75/100MIPS（每秒执行百万条指令,XXXMInstructionPerSecond）;具有虚拟外设功能,柔性化I/O端口,所有的I/O端口都可单独编程设定,公司提供各种I/O的库函数,用于实现各种I/O模块的功能,如多路UART,多路A/D,PWM,SPI,DTMF,FS,LCD驱动等等。

采用EEPROM/FLASH程序存储器,可以实现在线系统编程。

通过计算机RS232C接口,采用专用串行电缆即可对目标系统进行在线实时仿真。

68051单片机最早由Intel公司推出,其后,多家公司购买了8051的内核,使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大,应用也最广泛,有人推测8051可能最终形成事实上的标准MCU芯片。

7LG公司生产的GMS90系列单片机,与IntelMCS-51系列,Atmel89C51/52,89C2051等单片机兼容,CMOS技术,高达40MHZ的时钟频率,应用于:

多功能电话,智能传感器,电度表,工业控制,防盗报警装置,各种计费器,各种IC卡装置,DVD,VCD,CD-ROM。

8华邦单片机:

华邦公司的W77,W78系列8位单片机的脚位和指令集与8051兼容,但每个指令周期只需要4个时钟周期,速度提高了三倍,工作频率最高可达40MHz.同时增加了WatchDogTimer,6组外部中断源,2组UART,2组Datapointer及Waitstatecontrolpin.W741系列的4位单片机带液晶驱动,在线烧录,保密性高,低操作电压（1.2V~1.8V）。

9Zilog单片机:

Z8单片机是Zilog公司的产品,采用多累加器结构,有较强的中断处理能力,开发工具价廉物美.Z8单片机以低价位面向低端应用。

我想很多人都知道Z80单板机,直到90年代后期,很多大学的微机原理还是讲述Z80。

10NS单片机:

COP8单片机是NS（美国国家半导体公司）的产品,内部集成了16位A/D,这是不多见的,在看门狗多路及STOP方式下单片机的唤醒方式上都有独到之处.此外,COP8的程序加密也做得比较好。

我们之所以选用AT89S51单片机是因为：

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

其主要性能特点：

1、4kBytesFla