电子脉搏计设计毕业论文

电子脉搏计设计毕业论文毕业论文（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30160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、2011.112011.12参考国内文献，了解课题研究的背景、意义以及发展现状，撰写开题报告。2、2011.122012.1设计电路框图、原理图、选择元件参数。3、2012.022012.03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AbstractFor hospital critically ill patients, or in some other special occasions, and heart rate for continuous detection, this topic is aimed at this requirements, design a simple heart rate detector. This topic application HKG-series infrared pulse transducer, using infrared detection because the beating of the heart and cause the tips of your fingers microvascular volume in the changes of, after amplification, regulate, plastic output in the pulse of synchronous pulse signal, so as to calculate MaiLv. Blood volume blood contains intentional pulse cardiac function, blood flow, and many other cardiovascular system important physiological information, and at the same time volume pulse blood flow mainly exists in the peripheral artery of the capillary, etc in capillaries, so volume contains rich same pulse blood flow of microcirculation physiological pathology information, is our human circulatory important source of information. Infrared pulse wave acquisition simple operation performance stability has no wound and strong adaptability, and many other advantages and is paid attention to the medical profession at home and abroadKeyword: Infrared pulse transducer,Pulse rate ,pulse signal目录1 绪论11.1 人体脉搏研究的背景和意义11.2 国内外研究现状21.3 论文结构安排32 方案原理及设计42.1 方案原理介绍及论证42.2 方案及传感器的选择52.2.1 方案论证52.2.2 方案设计62.2.3 方案验证62.2.4 总体方案介绍63 系统技术基础83.1 AT89C2051主要性能83.2 AT89C2051的结构框图83.3 AT89C2051的引脚说明93.4 复位电路103.5 振荡电路103.6 AT89C2051的优点113.7 光电式脉搏传感器原理114 系统硬件设计134.1 脉搏波检测电路134.2 脉搏信号拾取电路134.3 信号放大电路144.4 二级放大电路和比较电路154.5 波形整形部分164.6 显示器设计174.7 整体电路185 软件分析195.1 主程序流程图195.2 T1中断服务程序205.3 中断服务子程序216 总结23致 谢24参考文献25附录A26附录B27311 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(Heart Rate)：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(60100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60100次/分，大多数为6080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 160220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6090次（婴儿为90120次,老年人则为100150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：放大器整形电路倍频器传感器滤波器报警比较器计数器定时器显示器图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6090次（婴儿为90120次,老年人则为100150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。220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940 nm，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3.1 AT89C2051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）2.7V6V的操作范围 （5）全静态3.2 AT89C2051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MCS51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,ATMEL AT89C2051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3-1 AT89C2051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。3.3 AT89C2051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P1.2P1.7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P1.2P1.7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P3.0P3.5、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,它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。用作输入时,被外部拉低的P3口引脚将用上拉电阻而流出电流(IIL)。P3口还用于实现AT89C2051的各种功能,如下表10-1所示。P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。表1-1  P3口的功能P3口引脚功能P3.0RXD(串行输入端口)P3.1TXD(串行输出端口)P3.2INT0(外中断0)P3.3INT1(外中断1)P3.4TO(定时器0外部输入)P3.5T1(定时器1外部输入)从上述引脚说明可看出，AT89C2051没有提供外部扩展存储器与I/O设备所需的地址、数据、控制信号,因此利用AT89C2051构成的单片机应用系统不能在AT89C2051之外扩展存储器或I/O设备，也即AT89C2051本身即构成了最小单片机系统。3.4 复位电路复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。1）上电复位：AT89S52系列单片及为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。2）按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。图3-2 复位电路图时钟电路工作后，在REST管脚上加两个机器周期的高电平，芯片内部开始进行初始复位（如图23）。3.5 振荡电路图3-3 振荡电路图本设计晶振选择频率为12MHz，电容选择30pF如图（24）。经计算得单片机工作胡机器周期为：12×（1÷12M）=1us。3.6 AT89C2051的优点AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C2051单片机可提供许多高性价比的应用场合。（1）程序保密AT89C2051设计有2个程序保密位，保密位1被编程之后，程序存储器不能再被编程除非做一次擦除，保密位2被编程之后，程序不能被读出。（2）可以采用下面方法开发应用系统。由于89C2051内部程序存贮器为Flash，所以修改它内部的程序十分方便快捷，只要配备一个可以编程89C2051的编程器即可。将普通8031/80C31仿真器的仿真插头中P1.0P1.7和P3.0P3.6引出来仿真2051,这种方法可以运用单步、断点的调试方法，但是仿真不够真实，比如，2051的内部模拟比较器功能，P1口、P3口的增强下拉能力等等。3.7 光电式脉搏传感器原理目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：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。生物医学传感器是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。根据朗伯比尔(Lamber Beer) 定律, 物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。当恒定波长的光照射到人体组织上时, 通过人体组织吸收、反射衰减后测量到的光强将在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的, 在人体指尖, 组织中的动脉成分含量高, 而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄, 透过手指后检测到的光强相对较大,因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。光电脉搏传感器的研制和噪声分析手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织, 其中非血液组织的光吸收量是恒定的, 而在血液中, 静脉血的搏动相对于动脉血是十分微弱的, 可以忽略, 因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的, 那么在恒定波长的光源的照射下, 通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号。从光源发出的光除被手指组织吸收以外, 一部分由血液漫反射返回。其余部分透射出来。光电式脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射式和反射式2 种, 其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置,接收的是透射光, 这种方法可较好地反映出心律的时间关系, 但不能精确测量出血液容积量的变化; 反射式的发射光源和光敏器件位于同一侧, 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。本文讨论的是透射式脉搏传感器, 侧重于脉搏信号的测量。4 系统硬件设计4.1 脉搏波检测电路目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：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。图4-1 血液脉搏检测电路传感器由发光二级管和光敏二极管组成, 其工作原理是: 发光二极管发出的光透射过手指,经过手指组织的血液吸收和衰减，由光敏二极管接收。由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的吸收和衰减也是周期性脉动的, 于是光敏二极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。4.2 脉搏信号拾取电路如图所示，IClA为单位增益缓冲器，用于产生2.5V的基准电压。 图4-2 信号拾取器图红外接收二极管在红外光的照射下能产生电能，单个二极管能产生O.4 V电压，0.5 mA电流。BPW83型红外接收二极管和IR333型红外发射二极管工作波长都是940 nm，在指夹中，红外接收二极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大。图中，RO选100 是基于红外接收二极管感应红外光灵敏度考虑的。R0过大，通过红外发射二极管的电流偏小，BPW83型红外接收二极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R0过小，通过的电流偏大，红外接收二极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当红外发射二极管发射的红外光直接照射到红外接收二极管上时，IC1B的反相输入端电位大于同相输入端电位，Vi为“O”。当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期。虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是，由于红外接收二极管中存在暗电流，仍有lA的暗电流会造成Vi电位略低于2.5V。二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收二极管中的暗电流减小，Vi电位上升。由此看来，所谓脉搏信号的拾取实际上是通过红外接收二极管，在有脉和无脉时暗电流的微弱变化，再经过IClB的放大而得到的。所拾取的信号为2V左右的电压信号。4.3 信号放大电路按人体脉搏在运动后最高跳动次数达240次/分计算来设计低通放大器，它由IC2A和C04等组成，如图所示。转折频率由R07、C04、R08和C05决定，放大倍数由R08和R06的比值决定。 图4-3 低通滤波器图根据二阶低通滤波器的传递函数，可得放大倍数为 H=-R08/R06 =-22 取0.707倍零频增益计算高频转折频率，即fH = 7.7Hz 按人的脉搏最高为4 Hz考虑，低频特性是令人满意的。需要说明的是，以上分析是在忽略C03的条件下做出的，如果考虑C03的话，那么：由此可见，C03没有影响频率特性的分析，它的作用只是隔直。4.4 二级放大电路和比较电路二级放大器兼比较器如图所示。Rpll用以调整系统的放大倍数，C06用以防止放大器自激。采用二级放大，零点漂移不很明显，在O.1 V左右。所以将比较器的阈值电压设计成O.25 V，以确保滤除干扰信号。采用比较器的好处是能有效地克服零点漂移所造成的影响，提高测量的准确性。图4-4 二级放大器和比较器图4.5 波形整形部分波形整形电路如图所示，IC3A是CD4528型单稳态多谐振荡器，有效脉宽为0.05 s其宽度由R22和C20决定。IC3B也组成一个单稳态多谐振荡器，脉宽为240ms。D2、Dl和T3等组成一个或非门，只有C，E两点均为低电平时，信号放大器整机输出才是高电平。设计这个电路的目的是为了在输出端输出一个窄脉冲，并且要在由R13和C07决定的时间内任何信号都不会干扰输出。R23和C21充电时间的长短决定了计数脉冲的宽度，一般不希望它太宽。波形整形时序如图所示。图4-5 波形整形线路图4.6 显示器设计经过译码器译码，输出信号为七段显示代码，输入到七段数码显示管中即可实现显示功能。采用半导体数码管BS201A显示，数码管引脚如下：图4-6 数码管引脚图D.P端为显示数码管的小数点位，本方案中不需用。BS201A的数码管有输出位，将其接地。这里控制1.6的接地与否可控制LED的导通与断开，即控制每一个BS201A的亮灭。在计数器中，有DS1,DS2,DS3三个控制个位十位和百位的输出端口，通过这三个输出口的输出信号控制三极管开关的导通与断开即可实现三个BS201A依次显示各位十位和百位。三极管选择A781,A781是PNP型三极管主要功用为开关，主要参数是工作电压20V,工作电流0.2A。4.7 整体电路电路由传感器电路、信号放大和整形电路、单片机电路、数码显示电路等部分组成。传感器主要由红外线发射二极管和接收二极管组成，测量的原理如下：将手指放在红外线发射二极管和接收二极管中间，随着心脏的跳动，血管中血液的流量将发生变化。由于手指放在光的传递路径中，血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生变化，因此和心跳的节拍相对应，红外接收二极管的电流也跟着改变，这就导致红外接收二极管输出脉冲信号。脉冲信号由F1F3、R3R5、C1、C2等组成的低通放大器进行放大，再经由F4、R6、R7、C3组成的放大器进一步放大，其输出信号送给由F5、F6、RP1、R8等组成的施密特触发器进行整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机的外部中断信号。可变电阻RP1用来调整施密特触发器的阀值电压，从而调整电路的灵敏度。AT89C2051、X1、R10、C5等组成单片机电路。单片机电路对P3.2输入的脉冲信号进行计算处理后把结果送到数码管显示。发光二极管VD3作脉搏测量状态显示，脉搏每跳动一次发光二极管就点亮一次。数码管DS1DS3、VT1VT3、R12R21等组成数码显示电路。本机采用动态扫描显示的方式，使用共阳数码管， P3.3-P3.5口作三个数码管的动态扫描位驱动码输出，通过三极管驱动数码管。P1.0-P1.6口作数码显示七段笔划字形码的输出，用以驱动数码管的各字段。5 软件分析来自传感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。本测试器的有效测量范围为50次199次/分钟。本部分运用了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。程序用单片机语言编写，由主程序、外部中断服务程序、定时器T1中断服务程序、延时子程序等模块组成。主程序主要完成程序的初始化。外部中断1服务程序由信号判断、计算、合理近似、显示输出等部分组成。定时中断服务程序由计时、计数、无效测试信号判断等部分组成。程序中用变量NUM对脉搏脉冲信号个数计数。5.1 主程序流程图心率测量程序设计由两部分构成，前半段实现初始化，报考定时器/计数器的初始化、设置堆栈指针以及开中断等。程序的后半段则是启动定时器/计数器以及调用显示子程序来完成心率值得显示开始设置堆栈指针开中断调入数值比较显示显示缓冲区清零定时器/计数器初始化结束5.1 脉搏计测量流程图5.2 T1中断服务程序从P3.0口输入的与脉搏相对应的脉冲信号作为外部中断1的请求中断信号，外部中断采用边沿触发的方式。由于脉冲信号的频率很低，所以不适宜用计数的方法进行测量，故而采用测脉冲周期的方法进行测量，即用脉冲来控制计时信号，通过计时数计算出脉冲周期，再由脉冲周期计算出频率，从P3.0口每输入一次脉冲信号就能显示一次脉搏数。 入口重装初值进位标志C停止计时将NUM送入AA加1，把结果送入NUM重装初值返回C=1?YN图5-2 T1中断服务程序此计时的基本单位为5ms，例如一个脉搏脉冲周期对应的NUM值为240，则对应的时间为1.2s，由此可得每分钟脉搏数为50。如果NUM的值达到256，即1.8秒钟仍没有发生定时器T1的中断时间为5ms，每中断一次计时变量NUM加1，因外部中断，则表示脉搏脉冲信号为坏值，于是NUM被清零，测量结果显示数值不变。数读采用三位数码显示。定时器T1每中断一次就刷新一次，用户可以实时了解数据。在数据采集中, 为了保证采集数据的不失真和适当的精确度, 必须选择合适的采样频率。人体脉搏正常跳动约为60次/ 分左右,即跳动频率在1Hz 左右，本系统为了更好的消除50Hz工频干扰，系统以50Hz的数据输出率对数据进行下抽取，抽样比为2048。中断程序中的数字处理包括如下步骤：(1)将脉冲载波的高电平时段内的数据累加2048/（2*64）16次，(2)将脉冲载波低电平时段内的数据累加2048/（2*64）16次,(3)用步骤(1)中的数据减去步骤(2)中的数据，便得到了解调后以50Hz的数据输出率输出的一个数据点。经过上述对信号的解调，有效去除背景光、杂散光的干扰。程序同时实现了过采样算法中的滤波和下抽取。脉率计算程序包括如下步骤：将得到的数据以双字节存入ADC841的XRAM中（2304字节）。从0000H 开始,在60个样本数据中寻找最大值, 并确定其位置即波峰位置, 之后寻找紧挨着它的第二个波峰,采用软件计数器计算两者间的距离即其点数，然后按照脉率计算公式：脉率采样频率/ 相邻两波峰×60 50×60/ 相邻两波峰，计算出脉率, 并将其存储。当脉搏检测系统与中央监测系统或计算机进行实时数据传输时，通过设置定时器T3的控制寄存器T3CON为#86H，T3FD为 08H，得到9600的串口波特率。ADuC841发送握手信号与系统机建立通信，当握手成功后，系统开中断并将转换处理后的数据送交系统应用程序进行处理。 5.3 中断服务子程序中断服务子程序主要有以下三大功能：1.实现0.6S定时，初始化中设定定时器/计数器0用作定时，定时时间为60ms，同时用内存单元6FH、7FH配合做计数器，设200H、300H单元的初始值为0AH，每进入一次中断，将200H、300H单元内容减1，减为0时为0.6S。2.满0.6S后，读定时器/计数器1中TL1的值，即为每分钟脉搏跳动值。为了提高测量 的准确性，本设计采用测三次求平均的方法来获取心率值。这就需要我们定义一个R1寄存器的值为3，每过一个0.6s，R1的值减1，并将TL1中的值与上一次测量值A中的值相加，档R1为0时，A中的值就是三次测量总值，将其值除以3就得到心率值的结果。初始化时将定时器/计数器1设置为计数器工作方式。3.将A计得的二进制数转换成十进制数，并将之送至显示缓冲区，其中百位数置60H单元，十位数和个位数设置61H单元，以使显示子程序实现每0.6S脉搏跳动显示。其中单字节二进制数转换成十进制数的设计思路是;将该二进制数先除以100，后在将余数除以10，即可一次获得十进制数的百位、十位和个位。中断子程序的程序流程图：重装初值，将7F内容设为0AH7FH内容减1TL1中的值与A中的值相加读TL1的内容数据转换，将十进制数显示调用显示子程序返回主程序R1的内容减1判断R1的内容是否为0判断7FH内容是否为0是否图5-3 中断子程序流程图6 总结本设计通过数模混合电路设计实现了对脉搏信号的实时测定，并能发出警告。整个电路尽量考虑到各方面的因素，做到线路简单，减小电磁场干扰，充分利用集成芯片，弥补分离元器件的精度不足。甚至还可以以该设计为基础加载其他功能，使其功能和结构更加完善，扩展至对人体其他生理状态的测定。对于此次毕业设计，我自己感觉学到了很多东西。不仅是新知识的学习，更重要的是我学会了如何去运用已有的知识，深刻体会到了基础知识的重要性，更懂得了闭门造车是行不通的。通过这次毕业设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。我觉得做毕业设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课且还可以记本时，有时问题老是弄不懂，做完设计，那些问题就迎刃而解了。而住很多东西。比如PLC的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，主要是因为没有动手实践过吧！认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。作为毕业的学生，能够搞这样的关于PLC技术的设计，确实从中学到了很多的知识。在项目设计方面，打破了以往单纯为解决问题的观念，树立了良好的项目设计思想。在内容设计方面，比较深入的学习了PLC方面的知识，补充了自己知识上的不足，更重要的是给自己找到了一个发展的方向。在这个过程中，受到了我们老师和同学的热切关注和耐心辅导，特别朱璐瑛老师对我进行了系统的讲解和指导，对设计提出了很多建设性的意见及建议，对我的设计起到了指导性和决定性的作用，使我深刻的体会到了良师益友给我带来的帮助，在此表示深深的感谢！毕业设计，就是为了让我们把已有的知识加以融会贯通，在此次设计中我们运用的都是以前学过的知识数字电子技术、模拟电子技术、测控电路和ORCAD等。然而这在以前，它们都是零散的，在此次设计中，一个脉搏测试仪就让我们把它们联系了起来。在设计电路时才真正弄懂了ORCAD的模拟功能是用来做什么的，对分频、倍频的概念才有了宏观的认识，明白了到了作为做仪器开发的工作人员的辛苦。总之，亲自动手是课堂学习的延续，电子领域随时随地都在发生着翻天覆地的变化，现有的知识储备总是落后于科技的发展脚步，我们只有不断学习新知识，才能做到在面对新课题时游刃有余。 致 谢在这次毕业设计的过程中，我的指导老师田洪波老师和朱璐瑛老师给予了我很大的帮助，提供了相关的资料，对我的毕设作品给予了指导和支持。使我顺利圆满的完成了此次毕业设计。在此，向老师表示衷心的感谢！同时，也要感谢学院提供计算机等设施，使我的设计得以顺利完成。寒窗几载，春花秋实。大学四年是我一生的重要阶段，是学习专业知识及提高各方面能力的重要阶段。从跨入大学的校门的那一刻起我就把这一信念做为人生的又一座右铭。古人云：预则立，不预则废。祖先曾经教导我们：一年之计在于春，一日之计在于晨。作为即将走向社会的我们又何尝不是如此？一个没有规划的人生，就象一场没有球门的足球赛，一场乱踢；一个没有规划的人生，就象一叶在茫茫大海上漫无目标的小舟，随波飘荡。在我们即将走向社会的时候，我们必须对自己的职业生涯进行规划。罗素曾说：选择职业就是选择你自己的将来。因此我们要针对社会需要，结合自身的情况及早做好相应准备，为我们走向社会打下坚实的基础。俗话说：磨刀不误砍柴功。为适应社会需要，促进自我发展，我们除了学好本专业外，还应辅修相关转业知识，积极参加社会实践活动，培养工作能力，努力提高综合素质，同时努力培养特长，形成自身竞争优势。最后，再次感谢学院给了我们机会，以及自动化工程学院的各位老师和许多的朋友、同学在各个方面给予了我很多的帮助和支持，谢谢你们！参考文献1.欧阳俊.基于BL-410 的指端脉搏波采集系统应用研究.2004.第11卷第2期2.韩文波.光电式脉搏波监测系统.长春光学精密机械学院学报.1999.第22卷第4期3.朱国富，廖王博亮明涛，.袖珍式脉搏波测量仪.电子技术应用.1998.第1期4.王斌主编.模拟电子技术实验与课程设计.西北工业大学出版社，2006年5.程咏梅，夏雅琴，尚岚.人体脉搏波信号检测系统.北京生物医学工程.2006.第25卷6.刘文，杨欣，张铠麟.基于AT89C2051单片机的指脉检测系统的研究.医疗装备.20057.张毅坤.单片微型计算机原理及应用. 西安电子科技大学出版社. 1998.9第1版8任为民.电子技术基础课程设计. 中央广播电视大学出版社.1997年5月第1版9.朱月秀.单片机原理与应用.科学出版社.2004.210.李世馨.模拟电子技术基础.高等教育出版社.2001.12 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