脈搏測量儀設(shè)計(jì)

1、第1章 概 述隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量技術(shù)也越來越先進(jìn)，對脈搏的測量精度也越來越高，國內(nèi)外先后研制了不同類型的脈搏測量儀，而其中關(guān)鍵是對脈搏傳感器的研究。起初用于體育測量的脈搏測試集中在對接觸式傳感器的研究，利用此類傳感器所研制的指脈、耳脈等測量儀各有其優(yōu)缺點(diǎn)。指脈測量比較方便、簡單，但因?yàn)槭种干系暮瓜佥^多，指夾常年使用，污染可能會使測量靈敏度下降：耳脈測量比較干凈，傳感器使用環(huán)境污染少，容易維護(hù)。但因耳脈較弱，尤其是當(dāng)季節(jié)變化時，所測信號受環(huán)境溫度影響明顯，造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確3。過去在醫(yī)院臨床監(jiān)護(hù)和日常中老年保健中出現(xiàn)的日常監(jiān)護(hù)儀器，如便攜式電子血壓計(jì)，可以完成脈搏的測量,但是這種便攜式

2、電子血壓計(jì)利用微型氣泵加壓橡膠氣囊，每次測量都需要一個加壓和減壓的過程，存在體積龐大、加減壓過程會有不適、脈搏檢測的精確度低等缺點(diǎn)。近年來國內(nèi)外致力于開發(fā)無創(chuàng)非接觸式的傳感器，這類傳感器的重要特征是測量的探測部分不侵入機(jī)體，不造成機(jī)體創(chuàng)傷，能夠自動消除儀表自身系統(tǒng)的誤差，測量精度高，通常在體外，尤其是在體表間接測量人體的生理和生化參數(shù)。其中光電式脈搏傳感器是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器，通過對手指末端透光度的監(jiān)測，間接檢測出脈搏信號。具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、精度高、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。通過光電式脈搏傳感器所研制的脈搏測量儀已經(jīng)應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)等各個方面并收到了理想效果。人體心室周期性的收縮和舒張導(dǎo)

3、致主動脈的收縮和舒張，是血流壓力以波的形式從主動脈根部開始沿著整個動脈系統(tǒng)傳播，這種波成為脈搏波4。從脈搏波中提取人體的心理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強(qiáng)度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征,因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價值和應(yīng)用前景5。但人體的生物信號多屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻的弱信號, 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號,因此必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求。第2章 總體設(shè)計(jì)思想2.1 基本原理脈搏波所呈現(xiàn)出來的形態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等方

4、面的綜合信息，能反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理疾病的血流特征。本系統(tǒng)采用STC89S51單片機(jī)為核心而制作的一種實(shí)用型脈搏測量儀。采用HK-2000A 集成化脈搏傳感器作為傳感器對人體的脈搏心率警醒數(shù)據(jù)采集。得到的信號送入STC89S51單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)將采集到的脈搏心率在數(shù)碼管上實(shí)時顯示出來，同時還設(shè)置了脈搏測量儀的上下限報警電路。本文首先描述本設(shè)計(jì)的整體思路，然后介紹各個部分設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)問題，最后提出一些完善本設(shè)計(jì)的改進(jìn)意見。從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。幾乎世界上所有的民族都用過“摸脈”作為診斷疾病的手段。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)

5、(波形)、強(qiáng)度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征,因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價值和應(yīng)用前景。2.2 設(shè)計(jì)框圖本設(shè)計(jì)中，采用HK-2000A 集成化脈搏傳感器，HK-2000A 集成化脈搏傳感器采用高度集成化工藝將 力敏元件(PVDF壓電膜)、靈敏度溫度補(bǔ)償元件、感溫元件、信號調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)。壓電式原理采集信號，模擬信號輸出，輸出同步于脈搏波動的脈沖信號，脈搏波動一次輸出一正脈沖。該產(chǎn)品可用于脈率檢測，如運(yùn)動、健身器材設(shè)備中的心率測試。單片機(jī)只需要對脈搏信號的波動頻率進(jìn)行測量、計(jì)算和顯示，對單片機(jī)的要求

6、不是很高。而對51單片機(jī)，本人比較熟悉，所以，本設(shè)計(jì)中選擇51單片機(jī)作為信息處理中心。設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)是可以設(shè)定報警的范圍的。對顯示部分采用以下方案：采用數(shù)碼管。數(shù)碼管具有功耗小、輕薄短小無輻射危險，簡單方便等特點(diǎn)。根據(jù)以上分析，結(jié)合器件和設(shè)備等因素，確定如下方案： 1. 采用STC89C51單片機(jī)作為控制器，分別對輸入、顯示、信號的處理和控制。2. 傳感器部分采用光HK-2000A 集成化脈搏傳感器，該器件結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。 3. 顯示用數(shù)碼管顯示實(shí)時脈搏數(shù)和蜂鳴器報警上下限數(shù)值。系統(tǒng)的基本框圖如下圖2.1所示：數(shù)碼管顯示電路STC89C51單片機(jī)處理電路脈搏傳感器電路蜂鳴器報

7、警電路震蕩電路圖2.1 基本框圖第3章 設(shè)計(jì)步驟和調(diào)試過程3.1 總體設(shè)計(jì)電路STC89C51單片機(jī) 單片機(jī)處理電路圖3.1 單片機(jī)處理電路STC89C51系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī)，指令代碼與傳統(tǒng)8051單片機(jī)完全兼容。3.1.2 單片機(jī)復(fù)位電路圖3.2 單片機(jī)復(fù)位電路圖時鐘電路工作后，在REST管腳上加兩個機(jī)器周期的高電平，芯片內(nèi)部開始進(jìn)行初始復(fù)位。3.1.3 脈搏傳感器電路圖3.3 脈搏傳感器接收電路 報警電路圖3.4 LED燈與蜂鳴器電路根據(jù)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，人體脈搏正常在60到120之間，當(dāng)數(shù)碼管所顯示的示數(shù)大于120時LED紅燈亮，蜂鳴器響應(yīng)報警；示數(shù)

8、小于60時LED黃燈亮，蜂鳴器響應(yīng)報警；示數(shù)大于120時小于60時，LED綠燈亮，蜂鳴器不響。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的端口輸出電流能力低，無法直接驅(qū)動那些器件，故增加三極管加大功率 ，驅(qū)動蜂鳴器工作。3.2 模塊設(shè)計(jì)和相應(yīng)模塊程序 程序設(shè)計(jì)在軟件設(shè)計(jì)中，一般采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，它具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。把一個多功能的復(fù)雜的程序劃分為若干個簡單的、功能單一的程序模塊，有利于程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試，有利于程序的優(yōu)化和分工，提高了程序的閱讀性和可靠性，使程序的結(jié)構(gòu)層次一目了然。應(yīng)用系統(tǒng)的程序由包含多個模塊的主程序和各種子程序組成。各程序模塊都要完成一個明確的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)某個具體的功能，在具體需要時調(diào)用相應(yīng)的模塊即可。這里

9、采用順序結(jié)構(gòu)，通過對按鍵的掃描，判斷要實(shí)現(xiàn)什么功能。 圖3.5 程序流程圖3.2.2 主程序源代碼設(shè)計(jì)源程序的編寫有多種語言，經(jīng)過對原理的分析和自身的實(shí)際情況本課程設(shè)采用C語言編寫，其主要程序代碼如下：/*初始化函數(shù) /void init() t=0; TMOD=0x11; /定時器0，1的定時方式1都打開 TH1=-5000/256;/定時器1定時5ms TL1=-5000%256; TH0=0x3c; /定時器0定時50ms TL0=0xb0; EA=1; / 開總中斷 ET1=1;/開定時器1中斷 TR1=1;/開定時器1 TR0=1;/開定時器0 ET0=1;/開定時器0中斷 IT0=

10、1; /下降沿促發(fā) EX0=1; /開中斷03.3 實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果由仿真圖可知，該程序可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)書中所要求的脈搏檢測的功能，包括常人脈搏、嬰兒脈搏及老人脈搏三部分，并通過數(shù)碼管顯示其脈搏。為了實(shí)現(xiàn)脈搏測量重復(fù)性，特別設(shè)置單片機(jī)復(fù)位按鍵和測試復(fù)位按鍵。同時方便觀察脈搏次數(shù)變化，采用動態(tài)掃描顯示的方式，使用共陽極數(shù)碼管，可以隨時方便觀察脈搏跳動變化。當(dāng)測試結(jié)束時，增加的報警功能，起到對病人進(jìn)行預(yù)警作用，當(dāng)3種燈任何一種燈亮起時，即表示測試結(jié)束。當(dāng)然本次脈搏測量儀還有很多改進(jìn)地方，比如HK-2000A 集成化脈搏傳感器對微弱跳動特別敏感，在測量時，手腕手指手掌等身體移動都會影響測量，因此在測量時需要

11、防止其他部位移動?？?結(jié)通過這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我動手、思考和解決問題的能力。我覺得做課程設(shè)計(jì)同時也是對課本知識的鞏固和加強(qiáng)，平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完設(shè)計(jì)，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如單片機(jī)管腳用途，平時看課本，這次看了，下次就忘了，主要是因?yàn)闆]有動手實(shí)踐過吧！認(rèn)識來源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識的動力和最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在內(nèi)容設(shè)計(jì)方面，比較深入的學(xué)習(xí)了單片機(jī)方面的知識，補(bǔ)充了自己知識上的不足，更重要的是給自己找到了一個新的發(fā)展方向。參考文獻(xiàn)1 劉云麗,徐可欣等.微功耗光電式脈搏測量儀.電子測量技術(shù).2005.第二期2 李世馨.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).高等

12、教育出版社.2001.12 33 朱國富，廖明濤，王博亮.袖珍式脈搏波測量儀.電子技術(shù)應(yīng)用.1998.第1期4 歐陽俊.基于BL-410 的指端脈搏波采集系統(tǒng)應(yīng)用研究.2004.第11卷第2期5 程詠梅，夏雅琴，尚嵐.人體脈搏波信號檢測系統(tǒng).北京生物醫(yī)學(xué)工程.2006.第25卷6 任為民.電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì). 中央廣播電視大學(xué)出版社.1997年5月第1版7 張毅坤.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用. 西安電子科技大學(xué)出版社. 1998.9第1版8 劉文，楊欣，張鎧麟.基于AT89C2051單片機(jī)的指脈檢測系統(tǒng)的研究.醫(yī)療裝備.20059 朱月秀.單片機(jī)原理與應(yīng)用.科學(xué)出版社.2004.210 韓文波

13、.光電式脈搏波監(jiān)測系統(tǒng).長春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報.1999.第22卷第4期附錄1 仿真電路圖附錄2 PCB電路板 附錄3 程序?qū)崿F(xiàn)程序如下：#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar i=0xfe;/顯示位選初值uchar ge,shi,bai;uint count =887;/脈搏次數(shù)uint t;uchar disp=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;/共陽數(shù)碼管編碼sbit P0_0=P00;/黃燈sbit P0_1=P

14、01;/紅燈sbit P0_2=P02;/綠燈sbit P2_4=P24;/按鍵/sbit P3_2=P32;sbit P3_6=P23;/蜂鳴器bit BELL=0;/響鈴標(biāo)志/*/* /*軟件延時函數(shù) /* / /*/void delay10ms(void)uchar i,j; for(i=20;i0;i-)for(j=248;j0;j-);/*/* /*顯示函數(shù) /* / /*/void display(uchar i,uchar number) P2=i; P1=dispnumber;/*/* /*定時器0中斷處理函數(shù) /*用于定時一分鐘 / /*/void timer0(void)

15、interrupt 1 TH0=0x3c; TL0=0xb0; t+; if(t=1200) EA=0; t=0; bai=count/100; shi=(count%100)/10; ge= (count%100)%10; if(count120) /設(shè)置最高值 P0_1=0;P3_6=0;BELL=1; else P0_2=0; EA=1; TR0=0;/開定時器0 ET0=0;/開定時器0中斷 EX0=0;/開外部中斷 /*/* /*定時器1中斷處理函數(shù) /* / /*/void timer1_int(void) interrupt 3 TH1=-5000/256; TL1=-5000%

16、256; bai=count/100; /提取三位數(shù)字 shi=(count%100)/10; ge= (count%100)%10; switch(i)/選擇數(shù)碼管位 case 0xfe: display(i,ge);break;case 0xfd: display(i,shi);break;case 0xfb: display(i,bai);break; i=i1; /流水效果 i=i|0x01; if(i=0xf7) /右移三位后置初值 i=0xfe; if(BELL) /蜂鳴器響 P3_6=0; /*/* /*初始化函數(shù) /* / /*/void init() t=0; TMOD=0x11; /定時器0，1的定時方式1都打開 TH1=-5000/256;/定時器1定時5ms TL1=-5000%256; TH0=0x3c; /定時器0定時50ms TL0=0xb0; EA=1; / 開總中斷 ET1=1;/開定時器1中斷 TR1=1;/開定時器1 TR0=1;/開定時器0 ET0=1;/開定時器0中斷 IT0=1; /下降沿促發(fā) EX0=1; /開中斷0/*/* /*按鍵軟件處理函數(shù) /* / /*/void key()if(P2_4=0)delay10ms();delay10ms()