电子脉搏计设计.docx

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电子脉搏计设计

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毕业论文（设计）任务书

论文题目

电子脉搏计设计

院部

自动化工程学院

专业

自动化

班级

自动化本科02班

毕业论文（设计）的要求

1、要求用十进制数显示被测人体脉搏每分钟跳动的次数，测量范围30～160次/min；

2、要求在短时间内（5s、15s）测出脉搏数/每分钟；

3、测量范围要求在±4次/min以内；

4、要求锁定每分钟脉搏数，将测量结果通过数码管出来。

毕业论文（设计）的内容与技术参数

利用红外线检测由于心脏跳动而引起的手指尖内微血管容积发生的变化，经过信号放大、调理、整形输出同步于脉搏跳动的脉冲信号，从而计算出脉率。

脉搏测试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，脉搏测试仪的主要组成部分是计数器和数字显示器。

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。

本文介绍一种用单片机制作的脉搏测量仪，只要人把手指放在传感器内2秒钟就可以精确测量出每分钟脉搏数。

毕业论文（设计）工作计划

1、2011.11~2011.12参考国内文献，了解课题研究的背景、意义以及发展现状，撰写开题报告。

2、2011.12~2012.1设计电路框图、原理图、选择元件参数。

3、2012.02~2012.03完成电路的组装与调试，撰写电子版毕业论文。

4、2012.04整理毕业论文资料。

5、2012.04准备答辩。

接受任务日期年月日要求完成日期年月日

学生（签名）年月日

指导教师（签名）年月日

院长（主任）（签名）年月日

摘要

对于医院的危重病人，或者在其他一些特殊场合，需对人的脉搏进行连续检测，本课题即针对这一需求，设计一台简易的脉搏检测仪。

本课题应用红外脉搏传感器，利用红外线检测由于心脏跳动而引起的手指尖内微血管容积发生的变化，经过信号放大、调理、整形输出同步于脉搏跳动的脉冲信号，从而计算出脉率。

血液容积脉搏血流中包含有心搏功能、血液流动等诸多心血管系统的重要生理信息，同时容积脉搏血流主要存在于外周血管中的微动脉毛细血管等微血管中，所以容积脉搏血流同样包含有丰富的微循环生理病理信息，是我们研究人体循环系统重要的信息来源。

红外脉搏波采集操作简便性能稳定具有无创伤和适应性强等诸多优点因而受到国内外医学界的普遍重视。

关键词：

红外脉搏传感器；脉率；脉冲信号

Abstract

Forhospitalcriticallyillpatients,orinsomeotherspecialoccasions,andheartrateforcontinuousdetection,thistopicisaimedatthisrequirements,designasimpleheartratedetector.ThistopicapplicationHKG-seriesinfraredpulsetransducer,usinginfrareddetectionbecausethebeatingoftheheartandcausethetipsofyourfingersmicrovascularvolumeinthechangesof,afteramplification,regulate,plasticoutputinthepulseofsynchronouspulsesignal,soastocalculateMaiLv.Bloodvolumebloodcontainsintentionalpulsecardiacfunction,bloodflow,andmanyothercardiovascularsystemimportantphysiologicalinformation,andatthesametimevolumepulsebloodflowmainlyexistsintheperipheralarteryofthecapillary,etcincapillaries,sovolumecontainsrichsamepulsebloodflowofmicrocirculationphysiologicalpathologyinformation,isourhumancirculatoryimportantsourceofinformation.Infraredpulsewaveacquisitionsimpleoperationperformancestabilityhasnowoundandstrongadaptability,andmanyotheradvantagesandispaidattentiontothemedicalprofessionathomeandabroad

Keyword:

Infraredpulsetransducer,Pulserate,pulsesignal

1绪论1

1.1人体脉搏研究的背景和意义1

1.2国内外研究现状2

1.3论文结构安排3

2方案原理及设计4

2.1方案原理介绍及论证4

2.2方案及传感器的选择5

2.2.1方案论证5

2.2.2方案设计6

2.2.3方案验证6

2.2.4总体方案介绍6

3系统技术基础8

3.1AT89C2051主要性能8

3.2AT89C2051的结构框图8

3.3AT89C2051的引脚说明9

3.4复位电路10

3.5振荡电路10

3.6AT89C2051的优点11

3.7光电式脉搏传感器原理11

4系统硬件设计13

4.1脉搏波检测电路13

4.2脉搏信号拾取电路13

4.3信号放大电路14

4.4二级放大电路和比较电路15

4.5波形整形部分16

4.6显示器设计17

4.7整体电路18

5软件分析19

5.1主程序流程图19

5.2T1中断服务程序20

5.3中断服务子程序21

6总结23

致谢24

参考文献25

附录A26

附录B27

1绪论

1.1人体脉搏研究的背景和意义

脉搏是由心脏搏动而引起,经动脉和血流传至远端的桡动脉处,它携带有丰富的人体健康状况信息。

早在公元前7世纪脉诊就成为中医的一项独特诊病方法。

但自古以来中医独特的诊断方法及治病的疗效总是笼罩着一层神秘的面纱。

中医一直是靠手指获取脉搏信息,这难免存在许多主观臆断因素,况且这种用手指切脉的技巧很难掌握,因此人们迫切期望尽早实现脉诊的科学化和现代化。

随着传感器技术及计算机处理技术的发展，人们希望能够将现代技术应用于中医脉象诊断，以便更科学、更客观地揭示脉象的实质与特征。

另一方面从西医的角度看,近年来人们也试图根据脉搏波的变异性来评价和诊断人体心血管系统的病变,以便能找到一个有效的心血管疾病早期无创诊断的方法。

因此,对脉搏信号进行无失真的检测、采集和处理是一项重要而很有意义的基础工作,它是对脉搏信号进一步分析并依此对心脏及动脉血管系统疾病进行预报和诊断的前提。

本论文的研究主要是基于这方面来进行的，利用功能强大的虚拟仪器LabVIEW设计出脉搏的采集与分析系统，从客观、物理的角度来诠释人体脉搏系统。

心率（HeartRate）：

用来描述心动周期的专业术语，是指心脏每分钟跳动的次数,以第一声音为准。

在正常情况下，脉率和心率是一致的。

正常成年人安静时的心率有显著的个体差异，平均在75次/分左右（60—100次/分之间）。

初生儿的心率很快，可达130次/分以上。

在成年人中，女性的心率一般比男性稍快。

健康成人的心率为60～100次/分，大多数为60～80次/分，女性稍快；3岁以下的小儿常在100次/分以上；老年人偏慢。

成人每分钟心率超过100次（一般不超过160次/分）或婴幼儿超过150次/分者，称为窦性心动过速。

如果心率在160～220次/分，常称为阵发性心动过速。

心率低于60次/分者（一般在40次/分以上），称为窦性心动过缓。

如心率低于40次/分，应考虑有房室传导阻滞。

心率过快超过160次/分，或低于40次/分，大多见于心脏病病人，病人常有心悸、胸闷、心前区不适，应及早进行详细检查，以便针对病因进行治疗。

对某些阵发性心率过速或过缓，往往在就医时测试出心率正常，以至使医生无法确诊，所以我们设计出这种可以随时进行心率测量的心率计，不仅可以随时地监测一个人的健康状况，而且为医生对这种病症的确诊提供证据。

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。

传统的脉搏测量采用脉诊方式,中医脉象诊断技术就是脉搏测量在中医上卓有成效的应用,但是受人为的影响因素较大,测量精度不高。

无创测量（NoninvasiveMeas2urements）又称非侵入式测量或间接测量,其重要特征是测量的探测部分不侵入机体,不造成机体创伤,通常在体外,尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。

生物医学传感器获取生物信息并将其转换成易于测量和处理信号的一个关键器件。

光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器,通过对手指末端透光度的监测,间接检测出脉搏信号。

光电式脉搏传感器具有结构简单、无损伤、可重复好等优点,本文讨论的就是基于光电式脉搏传感器的设计和具体实现。

1.2国内外研究现状

脉搏系统和脉搏信息的研究包括两大方面:

一是理论分析与计算（即建模方面）；二是信号检测与分析。

从发表的文献来看,国外在前一方面做了大量的研究,也早于国内学者;而国内在后一方面的研究多于国外。

对脉搏信号的分析主要包括以下方面:

（1）脉搏信号检测与提取

用脉搏记录仪器描绘脉搏波图像已有百余年的历史。

1860年法国人研制了杠杆脉搏描记器，成为现代脉象描记的基础。

脉象仪的总体构成包括脉象信号检测，信号预处理和信号分析三个环节。

我国医务界约从50年代初就开始了用西方传来的脉搏描记技术，使脉象图形化。

近十多年来，已经研制出了许多性能各异的脉象仪，各类脉搏描记器最关键和差异较大的部分就是脉象传感器的研制。

从测量原理上讲，脉象传感器可分为机械式、压电式、光电容式等多种。

（2）脉搏信号处理与特征提取　

  目标信号检测的关键是提取信号的特征。

在实际中,目标信号总是淹没在大量的杂波或干扰中,而且目标信号的幅值或功率较杂波或干扰信号可能还低得多,这就需要进行有效的信号处理。

时域分析法：

目前国内对脉象信号的特征提取方法,多数采用时域分析法,即在时间方向上分析波动信号的动态特征,通过对主波、重搏前波、重搏波的高度、比值、时值、夹角、面积值的参量分析,找出某些特征与脉象变化的内在联系。

时域分析法包括直观形态法、多因素识脉法、脉象速率图法、脉图面积法。

直观形态法。

频域分析法：

频域分析主要是通过离散快速傅里叶变换,将时域的脉搏波曲线变换到频域,得到相应的脉搏频谱曲线,通过频谱曲线的特征分析,从中提取与人体生理病理相应的信息,实现脉象分类。

与时域分析不同,脉搏信号的频域特征可分辨性好,因此80年代以来国内外一些学者开始在频域内对脉搏信号进行分析,初步取得了有意义的结果。

这种从频域和能量的角度来分析脉搏信号的思想是十分正确的。

我们从能量角度研究了几种不同疾病脉搏信号的特征频域特征和差异,利用频域分析的延伸技术——倒谱与同态解卷,首次估计出了人体脉搏系统的传递函数,分析了脉搏系统的频率特性。

时频联合分析法：

是把一维信号或系统表示成一个时间和频率的二维函数,时频平面能描述出各个时刻的谱成分。

常用的时频表示方法有短时傅立叶变换和小波变换（WT）。

短时傅立叶变换（STFT）方法：

是一种广义情形,是一种线性时频表示方法,它依赖于被分析信号的线性特性,即信号的频谱与在数据中提供正弦成分的幅度成线性比例。

其最主要的优点是容易实现、计算简洁有效,而它主要的缺陷是时间和频率分辨率在整个时频平面上固定不变。

另外的限制是对一个特殊的信号,需要一个特殊的窗才能得到最佳分辨率。

小波变换（WT）：

是另外一种重要的线性时频表示,它在时频平面上具有可变的时间和频率分辨率,把FT中的正弦基函数修改成在整个时频平面上具有可变时频分辨率的基函数,使得它在高频区域能够提供高的时间分辨率,而在低频区域能够提供高的频率分辨率。

小波变换这种独特的能力使其成为分析脉搏这种非平稳信号的有力工具。

在目前已知的小波函数中,复值调制的Gaussian函数是使用最高的小波之一。

1.3论文结构安排

本文首先对方案的选择做了详细的论证与设计。

本设计用到的主要核心部件是AT89C2051，为了加深对该单片机的了解，本文详细介绍了该单片机的内部结构图以及它的复位电路和振荡电路。

该电路为了采集脉搏波信号用到了光电传感器，并对光电传感器的信号拾取，信号放大做了较为详细的介绍，因为采集到的光电信号比较弱，所以用到了二级放大，经过二级放大后的波形经过整形电路，将脉冲信号传送到单片机，经CPU的计数、比较最终将结果显示出来。

2方案原理及设计

2.1方案原理介绍及论证

正常人的脉搏次数是每分钟60～90次（婴儿为90～120次,老年人则为100～150次）,这种频率信号属于低频范畴.因此,脉搏测试仪是用来测量低频信号的装置,它的基本功能要求是:

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。

对转换后的电信号要进行放大、滤波和整形处理，以保证后续电路能正常对其进行进一步的加工和处理。

脉搏测试仪要能在几秒左右测出脉搏跳动次数，并作出是否报警的判断。

报警的上、下限及对象选择可以通过多路开关调节。

总之，脉搏测试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，脉搏测试仪的主要组成部分是计数器和数字显示器。

脉搏传感器的作用是将脉搏信号转换为相应的点冲信号。

脉搏传感器是脉搏象检测系统中重要的组成部分，其性能的好坏直接影响到后置电路的处理和结构的显示。

目前典型的脉搏传感器有以下三种：

光电类、压阻类和压电类。

在这三种目前采用最多的是压电类传感器，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。

本次毕业设计中是利用光电式传感器来实现对脉搏信号的采样。

本设计思路为：

采用传感器，量脉搏的跳动，出微弱的信号，入放大器中放大；后通过滤波器滤除干扰信号后，将形整形为方波或脉冲信号；后经过倍频器增加信号的频率，输入计数器中计数，时通过定时器控制计数的时间，后得出一分钟内脉搏次数即为心率。

计数器计数值输入到显示器中显示，同时，将其输入到数值器中与比较器预设值即标准值作比较，若，测量值不在标准值范围内则报警，即LED灯亮。

本方案的整体流程图，如下：

图2-1方案整体流程图

目前典型的脉搏传感器有以下三种：

光电类、压阻类和压电类。

在这三种当中目前采用最多的是压电型传感器，而本文采用了光电传感器，光电传感器的研究有着更为深远的应用，光电容积血流脉搏波描记（PPG）信号可以敏感反映末梢循环的细微变化,临床监测领域致力于研究如何通过PPG波形图的变化调控人体神经功能的平衡,以维持全身循环血流的生物医学工程与临床。

本心率计采用红外光学检测法，摒弃了不便于运动状态下测量脉搏的听诊器和吸附在人体上的电极等老式测量方法。

2.2方案及传感器的选择

2.2.1方案论证

正常人的脉搏次数是每分钟60～90次（婴儿为90～120次,老年人则为100～150次）,这种频率信号属于低频范畴.因此,脉搏测试仪是用来测量低频信号的装置,它的基本功能要求是:

要把人体的脉搏数转换成电信号,这就需要借助传感器。

对转换后的电信号要进行放大、滤波和整形处理，以保证后续电路能正常对其进行进一步的加工和处理。

脉搏测试仪要能在15秒左右测出脉搏跳动次数，并作出是否报警的判断。

报警的上、下限及对象选择可以通过多路开关调节。

总之，脉搏测试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，脉搏测试仪的主要组成部分是计数器和数字显示器。

2.2.2方案设计

脉搏测试仪的上述功能要求，可采用了二种不同的方案来实现：

方案一：

把转换为电信号的脉搏信号，在单位时间N内（如15秒）进行计数，完成后将计数结果通过乘法器乘以系数60/N（如60÷15=4）并用数字显示其计算后的值，从而得到每分钟的脉搏数。

方案二：

该种方案和第一种有一点类似，其差别在于该方案采用的是倍频的方式求取脉搏数。

在单位时间15秒内进行计数，由于15秒是一分钟的1/4，所以理想情况下60秒内测得的脉搏数是15秒内测得值的4倍。

所以可以通过对被测脉搏波进行细分（即4倍频），从而通过计数器在15秒内所得计数结果就是一分钟的脉搏数。

2.2.3方案验证

这二种方案比较起来，第一种方案比较直观，但精度较低，如果计数时间是15秒最大时误差为±4次，而且电路结构需要乘法器，乘法器芯片难寻，电路结构复杂；第二种方案直观，电路结构简单，且精度较第一种方案高，但由于采用倍频电路其精度已提高到±1次，完全满足设计要求。

为了使脉搏测试仪轻巧而便宜，且有较高精度通常采用第二种方案，本文的设计就基于这一方案。

2.2.4总体方案介绍

本设计采用了第二种方案，选用该种方案的原因是电路容易实现，各部分造价较低，满足精度要求。

该方案选用HKG-07系列红外脉搏传感器，光电式脉搏传感器由于采用不同的光敏元件有着多种实现方法,其中光敏元件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和硅光电池。

在传统的光电式脉搏传感器设计中,通常采用的是独立光敏元件,利用半导体的光电效应改变输出的电流,通常光敏元器件输出的电流极低,容易受到外界干扰,而且对后续的放大器的要求比较严格,需要放大器空载时的电流输出较小,避免放大器空载输出电流对脉搏信号测量的干扰,这样对于普通的放大器就不能直接应用在光敏元件的后端。

在本文中,采用一种新型的光敏元件OPT101,该元件将感光部件和放大器集成在同一个芯片内部,这种集成化的设计方式有效地克服了后端运算放大器空载电流输出对光敏部件输出电流的影响,而且芯片输出的电压信号可以通过外部的精密电阻进行调节,有利于芯片适应整体的电路设计,同时芯片的集成化设计也能够减小系统的功耗。

光电式脉搏传感器主要由光源、光敏器件,以及相应的信号调理控制电路构成，脉搏信号主要由动脉血的充盈引起,而血液中还原血红蛋白（Hb）和氧合血红蛋白（HbO2）含量变化将造成透光率的变化,当氧合血红蛋白和还原血红蛋白对光的吸收量相等时,透射光的强度将主要由动脉血管的收缩和舒张引起,此时能够比较准确地反映出脉搏信号。

由于我们需要在十五秒内完成脉搏计数，在这里我们采用了倍频的方式。

由于15秒是一分钟的1/4，所以理想情况下60秒内测得的脉搏数是15秒内测得值的4倍。

所以可以通过对被测脉搏波进行细分（即4倍频），从而通过计数器在15秒内所得计数结果就是一分钟的脉搏数。

本设计运用了ATMEL公司的89C2051单片机作核心元件，在这里运用了单片机能更快更准确地对数据进行运算，而且可根据实际情况进行编程，所用外围元件少，轻巧省电，故障率低。

ULN2003为内置达林顿管集成电路，作动态扫描时的选通驱动用。

220Ω排阻作限流用，维持数码管正常显示。

本部分电源电压为＋5V稳压。

来自传感器和整形输出电路的脉冲电平输入单片机89C2051的P3.3脚，单片机设为负跳变中断触发模式，故每次脉冲下降沿到达时触发单片机产生中断并进行计时；当下一次脉冲的下降沿到达时，单片机对两次脉冲间的时间进行运算得出心率，通过P1口把结果送到数码管显示出来。

同时，对每次脉冲的到来均响铃，与脉搏同步。

这样，就可以通过声光的形式形象地把脉搏的快慢显示出来。

为避免干扰的影响，单片机对两个脉冲之间的时间间距进行检测，若发现有干扰则忽略该干扰而不显示。

血液波动检测电路首先通过红外光电传感器把血液中波动的成分检测出来，然后通过电容器耦合到放大器的输入端。

红外接收二极管和型红外发射二极管工作波长都是940nm，本文论述的是脉搏波的采集的方法，但在实际应用中可采用现有的集成光电传感器。

HKG-07系列红外脉搏传感器是集红外线发射管、接收管为一体的器件，工作时把探头贴在手指上，力度要适中。

红外线发射管发出的红外线穿过动脉血管经手指指骨反射回来，反射回来的信号强度随着血液流动的变化而变化，接收管把反射回来的光信号变成微弱的电信号，并通过C1耦合到放大器。

3系统技术基础

3.1AT89C2051主要性能

AT89C2051是ATMEL公司生产的带2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（EEPROM）的8位单片机,它具有如下主要特性：

（1）和MCS-51产品的兼容

（2）2K字节可重编程闪速存储器

（3）耐久性：

1,000写／擦除周期

（4）2.7V～6V的操作范围

（5）全静态

3.2AT89C2051的结构框图

AT89C2051是一带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储体（EEPROM）的低电压,高性能8位CMOS微型计算机。

如图10.2所示。

它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS—51指令集和引脚结构兼容。

通过在单块芯片上组合通用的CPL1和闪速存储器,ATMELAT89C2051是一强劲的微型计算机,它对许多嵌入式控制应用提供一高度灵活和成本低的解决办法。

图3-1AT89C2051的内部结构图

此外,从AT89C2051内部结构图也可看出,其内部结构与8051内部结构基本一致（除模拟比较器外）,引脚RST、XTAL1、XTAL2的特性和外部连接电路也完全与51系列单片机相应引脚一致,但P1口、P3口有其独特之处。

3.3AT89C2051的引脚说明

AT89C2051是一个有20个引脚的芯片,引脚如图所示,与8051内部结构进行对比可发现,AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口）,使它最大可能地减少了对外引脚,因而芯片尺寸有所减少。

AT89C2051芯片的端口功能为：

1.P1口：

P1口是一8位双向I/O口。

口引脚P1.2～P1.7提供内部上拉电阻。

P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。

P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入（AIN0）和反相输入（AIN1）。

P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。

当P1口引脚写入“1”时,其可用作输入端。

当引脚P1.2～P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而流出电流（IIL）。

P1口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据。

2.P3口：

P3口的P3.0～P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/0引脚。

P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。

P3口缓冲器可吸收20mA电流。

当P3口引脚写入“1”时,它们被内