人体脉搏测量仪设计毕业设计论文.docx

1、人体脉搏测量仪设计毕业设计论文 编号： 毕业设计(论文)说明书 题 目： 人体脉搏测量仪设计 院 （系）： 电子工程学院 专 业： 测控技术与仪器 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发摘 要本课题是人体脉搏测量仪的设计。由于脉搏信号的特殊性，在设计时必须要注意实现测量的准确。该系统的重点就在于要求实现测量的简便化和精确化。系统要在小于十秒的时间内，测量出人体一分钟的脉搏，并且保证误差在2次以内。本系统以89S51单片机作为中心，通过使用单片机来实现系统最核心的计算脉搏功能。在信号的前端处理上，使用压电陶瓷片采集人体脉搏信号，然后经过AD620放大，施密特触发器整形，

2、低通滤波器滤波等一系列操作，将脉搏信号转换为同频率的脉冲信号输入到单片机内，并利用单片机对其进行计数。计数的方法是利用单片机的计时器，计算一次心跳的时间，然后由该周期计算出频率，继而就可以求出一分钟的脉搏数。按照理论来说，只要有一次心跳信号就可以。但是要考虑到计算的精确性，可以设定为测量五次心跳信号，然后再求脉搏就可以使结果比较精确。计数结果将最终送至液晶屏1602来进行显示。虽然压电陶瓷片的性能并非很好，在信号的采集上不能实现非常精确的采集，但是它的价格低廉，并且在经过系统的信号调理电路后，也能比较满意的实现我们所要实现的目标。整个系统耗电低，体积小，具有便携性与精确性。经过多次调试和实验，

3、本系统基本实现了设计所要求的指标。关键词：脉搏测量；压电陶瓷片；液晶显示屏；单片机Abstract This topic is a design of body pulse measuring instrument. Because of the specificity of the pulse signal, the design must pay attention to achieve an accurate measurement.The point of this design is the simple and precise of the measurement.We need

4、to measure the pulse of the human body in one minute in less than 10 seconds of time,and to ensure that the error in less than 2 times.The whole system is center on single-chip microcomputer 89s51,using the signle-chip to achieve the system core function of counting pulse.In the front-end of the sig

5、nal, we use piezoelectric ceramics to collect the signal of the human body pulse.And then,after after amplification of the AD620, shaping of the 555, filtering of the low-pass filter and other operations,the signal will be converted to the pulse signal with the same frequency,and this signal will be

6、 input to the single-ship.The single-ship will count to this.The method of counting is using the timer of the single-ship,and then use the cycle,get the frequency,by the frequency,we can get the number of the one-minute pulse. In accordance with the theory,as long as there is one heart signal,the fi

7、anl result can be got.But taking into account the accuracy of the calculation,we can set measuse five times for the finall result.By this ,we can make the result more precise.The final result of the count will display in the 1602 LCD screen.Although the performance of the piezoelectric ceramics is n

8、ot very good,in the signal collection.it cant do it very precise.But its price is very low,and after the signal conditioning circuit of the system,the signal can be quite satisfactory to achieve our objectives.The entire system works with low power consumption,small size,with the portability and acc

9、uracy.After repeated testing and experiments,this system can achieve the basic requirements of this design.Key words :Pulse measurement; piezoelectric ceramics; LCD;single-ship 引言11 设计任务及要求31.1 设计任务31.2 设计要求31.3 设计时所遇到的问题 32 系统总体设计 32.1 方案论证 32.2 总体设计框图43 系统硬件设计 53.1 脉搏信号采集53.1.1传感器的选择53.1.2三种方案的优缺点

10、比较 63.1.3压电陶瓷片介绍73.2 信号调理单元73.2.1一级放大电路83.2.2二阶滤波器电路 103.2.3二级放大电路 123.3 整形电路 143.4 电源滤波电路 163.5 单片机电路 163.6 显示系统 184 系统软件设计 194.1 软件部分设计 194.1.1主程序模块 204.1.2液晶驱动模块 214.2 软件开发环境 215 测试方案及结果 215.1 测试方案215.2 模拟测试结果 215.2 实际测试结果 226 结束语22谢辞24参考文献25附录26引言 在我国传统中医学的诊断中，“望、闻、问、切”是最基本的四个方面。而在其中，切，也就是脉诊，占有非

11、常重要的地位。通过脉诊，医生可以对患者的身体状况有一个大概的了解，进而对症下药。脉搏信号可以直接反应出患者心脏的部分状况，我国传统中医学认为，通过脉诊可以了解到患者脏腑气血的盛衰，可以探测到病因，病位，预测疗效等。从近代医学的角度来看，人体循环系统承担着协调全身各组织的能量代谢，输送氧气、营养物质，运走代谢废物等重要的工作，还承担运送抗体、激素等物质以协调整体的动态平衡。从整体的角度对疾病进行综合分析，显然循环系统的信息将占很重要的比重；从整个循环系统来看桡动脉介于大动脉与小动脉之间，由于心脏的舒缩、内脏血容量的变化、血管端点阻抗、管道内脉波的反射、血液的粘滞性、血管壁的粘弹性等因素使脉象携带

12、着有关心脏运动、内脏循环、外周循环等丰富的心血管系统及整体的动态信息。因此脉诊的临床意义很大，它的机理是急待于我们进行研究的。 鉴于脉诊的重要性，人们对于脉搏测量一直非常关注，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、广州、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。脉搏测量仪的发展主要向以下几个趋势发展： (1) 自动测量脉搏并且对所得到的脉搏进行自动分析

13、。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更高，更便于携带。数字信号处理的运用将使干扰更小，测量更为准确。（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压电陶瓷片将脉博转换为电压信号，经过信号调

14、理后利用AT89S51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。1 设计任务及要求1.1 设计任务本课题要求利用传感器对人体脉搏信号进行采集，设计相应的信号调理电路，然后利用通过对脉搏信号进行测量，来进行实时显示测量结果。1.2 设计要求(1)、完成一次测量时间：10s；(2)、脉搏测量精度：2次/分钟；(3)、能够实时显示测量结果。1.3 设计时要考虑的问题由于人体的脉搏

15、信号具有频率低、幅度小干扰大，不稳定度低，随机性强等特点，使得对脉搏信号的采集放大电路的设计提出了很严格的要求，尤其是抗干扰变为十分重要，需要设计低通滤波器进行滤波。选择放大器时需要从增益、频率响应，输入阻抗，共模抑制比，噪声，漂移等几个方面加以综合考虑。（1）抗干扰工频50HZ干扰及其各次谐波使用频率为50HZ的市电的电子仪器设备会对检测系统会产生较大的干扰，其幅值大约是脉搏信号峰峰值的50%,是主要的干扰源肌电干扰肌肉的收缩会产生微伏级的电势，其幅值大约是脉搏信号峰峰值的10，维持时间大约是50ms，频带范围可以在0HZ10000HZ。由于呼吸引起的基线漂移和ECG幅度变化呼吸引起的基线漂

16、移可以看成是一个以呼吸的频率加入ECG信号的窦性成分（正弦曲线），这个正弦成分的幅度和频率是变化的。呼吸所引起的ECG信号的幅度的变化可以达到15。基线漂移的频率是从0.150.3HZ。（2）低噪声、低漂移在脉搏信号放大器中，由于增益较高，噪声和漂移是两个较重要的参数。脉搏信号放大器运行过程中的噪声主要表现为电子线路的固有热噪声和散粒噪声，这些都属于白噪声，其幅值为正态分布。为了获得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格要求。另外，温度变化会造成零点漂移，漂移现象限制了放大器的输入范围，使得微弱的缓变信号无法被放大。而脉搏信号具有很低的频率成分，为了能正常测量，必须采取措施来限制放大

17、器的漂移。所以放大器应选用低漂移，高输入阻抗并且具有高共模抑制比的集成运放电路。2 系统总体设计2.1 方案论证 脉搏测量仪要实现对脉搏信号的检测，并且能够对脉搏信号进行处理，并进而求得脉搏数来显示。考虑到系统的实现，有两种方案可以实现。方案一：使用纯硬件电路来实现。整个系统的框图如下图图2.1所示标准时标（分）发生器LED显示（3位）计数器译码器放大整形脉膊检测人体 图2.1 纯硬件脉搏测量仪框图方案二：使用单片机电路来实现。通过信号调理电路，将脉搏信号转换为数字信号，然后利用单片机来实现脉搏测量功能。使用该方案其框图如下图图2.2所示。信号调理脉膊检测人体 显示单片机电路 图2.2 单片机

18、脉搏测量仪框图通过比较以上两种方案。方案一由于使用纯硬件方式，系统稳定度比较高。但是功能有限，灵活度较低，也不能很好的实现锻炼自己的目的。而单片机方案有较大的活动空间，不但能实现所要求的功能而且能在很大的程度上扩展功能，而且还可以方便的对系统进行升级，所以我们采用后一种方案。2.2 总体设计框图脉搏测量仪系统总框图，如图2.3所示。系统由五个部分组成：信号采集单元，信号调理单元，信号整形单元，单片机单元，显示单元。其中信号采集单元主要是选用合适的传感器将脉搏的压力信号转换为电信号，一般传感器输出的电压都在几毫伏左右。信号调理单元主要包括信号的低通滤波，以及实现信号的放大，经过信号调理单元，几毫

19、伏的脉搏信号的电压被放大为4V-5V左右。信号整形单元则将模拟信号转化成数字信号，将脉搏信号转换为同频率的脉冲。单片机单元通过计时器求出一次脉搏的时间，并进而得出脉搏数，然后将该数据送到显示单元进行显示。显示单元选择数码管或者液晶屏，对数据进行实时显示。脉搏采集单元信号调理单元信号整形单元单片机单元显示单元图2.3 系统总体框图3 系统硬件设计系统的硬件框图如图2.3所示，包括五个部分组成。下面将分别介绍该五个单元。3.1 脉搏信号的采集 该单元要将脉搏跳动的压力信号转换为电信号，因此需要使用传感器来实现。3.1.1传感器的选择压电式传感器目前常用的是一次性心电电极,它是用印刷方法制得的Ag/

20、 Agcl传感器。这种传感器采用接扣与敏感区分离的方法,能明显的减少由于人体运动产生的干扰。电极的好坏对采集到的心电信号质量起着至关重要的作用,采用的电极应有贴力强,能紧附在人体表面,柔软、吸汗、极化电压低、导电性良好等特点。当选用电极传感器时,需要3个电极分别置于左右手和左腿,构成标准导联。临床上为了统一和便于比较所获得的脉搏信号,在检测脉搏信号时,对电极的位置,引线与放大器的连接方式都有严格的统一规定。目前市场上有一种采用新型高分子压电材料聚偏氟乙烯研制的压电传感器,其灵敏度高,频带范围好,结构简单,便于使用。当手指前端受到轻微的压力时，可以感觉到手指前端在血压的作用下有一张一弛的感觉，将

21、这个信号用传感器提取出来，转变为电信号，通过指脉的波形检测，就可以获得人体的脉搏信号。光电式传感器血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍，据此特点，采用光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号。反向偏压的光敏二极管，它的反向电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性，在一定光强范围内，光敏二极管的反向电流与光强呈线性关系。指端血管的容积和透光度随心搏改变时，将使光电三极管极管收到不同的光强，并由此产生的光电流均随之作相应变化。常用检测脉搏的光电传感器分为红外对管和红外放射管。采用红外对管。将对管夹于手指端部，通过手指的血液浓度会随着心脏的跳动发生变化，红外对管对应的信号

22、便会发生相应的变化，采集此信号经过放大，滤波，比较等处理便可以得到理想的信号。采用反射式的红外管。现在市场上的心率计普遍采用这种传感器来采集信号，因为此红外管接收和发射都在手指的同一侧，因此便不用考虑每个人手指情况不同所造成的麻烦。接收的是血液漫反射回来的光，此信号可以精确地测得血管内容积变化。集成传感器当前,市面上有很多类型的集成心电传感器,其灵敏度高,集成度高,直接就可以反映出心率的变化,且已包含了滤波等抗干扰电路,波形经过放大可以直接处理使用。缺点是价格非常昂贵，一般均在五百元以上，就本次设计来说，考虑到经费以及锻炼自己的目的，不选择使用该型传感器。3.1.2三种方案的优缺点比较光电式：

23、优点：灵敏度高，易于操作,响应速度快，结构简单。缺点：1、外部光源的变化对测量结果的影响较大； 2、需要购买专门的医用光电传感器，价格较贵且不易购买； 3、对这样的器件接触很少，对其进行调试时可能会出现较大困难。压电式：优点：结构简单，实时性好，工作频带宽，应用电路简单，且价格低廉。缺点：直接与人体相接触，容易因为人体肌肉的颤动等而产生干扰。并且容易受到外界其他信号的干扰。集成式:优点:集成度高,包含了滤波,放大电路,可以直接输出信号,便于操作,有效的减少了各种干扰。缺点:降低了本任务的难度,如果采用该传感器，只需将其直接接上单片机即可实现功能，且价格非常昂贵。考虑到种种情况，结合本系统的设计

24、要求以及经费的考虑，最终选择压电式陶瓷片。该传感器价格较低，而且输出电压变化较为明显，可以实现我们的实验目的。3.1.3压电陶瓷片介绍压电陶瓷片的外观和电路符号如下图3.2所示。压电片包括三个部分，镀银层，压电陶瓷，以及铜片。外部压力作用于铜片时，压电陶瓷就可以感受压力而产生电信号，并最终通过镀银层将该信号输出。在使用时，压电陶瓷片要通过导线与电路板连接,注意在焊接压电陶瓷片时,时间不能太长以免烫坏压电陶瓷片的镀银层。图3.1 压电陶瓷片的符号及外观由于压电陶瓷片的资料比较少，为了确定使用该传感器能够实现本次设计的目的，先要对其进行实验，来确定它的输出电压是否符合要求。使用实验室砝码来测试，其

25、结果如下表表3.1所示。表3.1 压电陶瓷片输出电压测试表压力(N)输出电压(mV) 0.1964.41 0.3924.55 0.5884.77 0.7844.80 0.984.85 1.1765.05 1.3725.35 1.5685.54由于只需要4mv-5mv左右的电压输出，就可以实现设计要求。由本次试验，可以得知压电陶瓷片可以实现我们所要达到的目标。3.2 信号调理单元信号调理电路包括对信号的放大和滤波两个部分。由于传感器输出的电压比较小，在几毫伏左右，且频率较低，需要低噪声，低漂移，高输入阻抗的放大器，所以选择使用仪表放大器。肌电干扰可能会导致放大器的静态工作点偏移，甚至使放大器达到

26、饱和，所以第一级放大器的放大倍数不能太高。因此还需要另一个放大器。此外，为了滤去高频信号和市电的干扰，还需要设计一个低通滤波器。这部分电路的框图如下图图3.2所示。图3.2 信号调理单元框图下面，将分别介绍三个部分。3.2.1一级放大电路一级放大电路是整个系统设计的重点,脉搏测量仪要求在脉搏信号频率范围内，不失真的放大所采集的微弱信号,这要求所用的放大器必须具有低噪声,低漂移,低失调参数,高共模抑制比,高输入阻抗,线形度小等特点。为了达到上述要求,并联型双运放放大电路能满足其要求 图3.3 并联型双运放放大电路 前两个运放为同向比例放大器,输入阻抗很高,它对共模信号有很高的抑制比。由于Rx连接

27、于这两个放大器的求和点之间,当一个差分电压加到医用放大器的输入端时,整个输入的电压都呈现在Rx两端。由于Rx两端的电压等于V2-V1,所以流过Rx的电流等于(V2-V1)/Rx,因此输入信号将通过放大器获得增益并且得到放大。这种电路的优点在于：a,高共模抑制比；b,通常只需改变电阻Rx大小可改变增益。以上电路需要三个运放，在调试的时候会比较复杂。现在的很多仪表放大器的内部电路与这个电路相同，而且仪表放大器都有成品可以买到,只需调整外界电阻就可以调整放大器的放大倍数，准确而且方便。 以下是几种常用的集成仪表放大器,其主要参数如表3.2 表3.2 三种集成医用放大器参数器件输入失调电压输入偏置电流

28、输入失调电流输入噪声AD62050uV1.0nA0.5nA13INA128125nV5.0nA5.0nA10OPA1311mV50pA50pA21 脉搏信号是在强噪声下的微弱信号，它对前置放大器的共模抑制比，输入阻抗，输入噪声，输入失调电压有较严格的要求，由表3.2知AD620是最为理想的。 AD620参数如下表表3.3所示。 表3.3 AD620参数表 项目规格备注增益范围11000只需一个电阻就可以设定电源供应范围2.3V 18V低耗电量最大供应电流 =1.3mA可用电池供电，方便运用于便携式器材精确度高40ppm的最大非线性度；最大偏置电压为 50V ；最大漂移电压0.6V/低讯号1khz时低输入噪声9nV/Hz使用场合ECG 量测量与用以器材、压力测量,V/I 转换资料拾取系统等AD620的芯片引脚如下图图3.4所示 图3.4 AD620芯片引脚图其中增益为 由于肌电干扰可能造成前置放大器静态工作点的偏移，甚至截至饱和，所以前置放大器的增益不能太大。所以设计时考虑两级放大,第一级采用AD620,外接一个4.7K的电阻,放大倍数