基于单片机的脉搏监测系统设计.docx
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基于单片机的脉搏监测系统设计
基于单片机的脉搏监测系统设计
毕业设计说明书
基于单片机的的脉搏监测系统设计
学生姓名：
刘光权学号：
1005084146
学院：
信息与通信工程
专业：
生物医学工程
指导教师：
陈树越
2014年5月
基于单片机的的脉搏监测系统设计
摘要
随着时代的进步,科技的的发展,人们生活节奏的加快,生活水平的提高,人们对人体健康意识也随之提高,希望能随时的对自身某些参数进行健康监护。
电子脉搏仪的出现，使脉搏测量变得非常简单。
为了提高脉搏测量仪的简便性和精确度，本课题设计了一种基于51单片机的脉搏测量仪。
系统以AT89C51单片机为核心，以红外发光管和光敏三极管为传感器，由光敏三极管感应产生脉冲，经信号处理电路放大滤波后输入到单片机，利用单片机系统内部定时器来计算时间，单片机通过对脉冲累加得到脉搏跳动次数，时间由定时器定时而得。
系统运行中每分钟显示一次测得脉搏次数。
经测试，系统工作正常，达到设计要求。
关键词：
脉搏，光电式传感器，单片机。
TheDesignOfThePulseMonitoringSystemBasedOnSingleChipMicrocomputer
Abstract
Withtheprogressoftime,thedevelopmentoftechnology,peopleacceleratedpaceoflife,improvementoflivingstandards,peoplealsowillraiseawarenessofhumanhealth,hopingtofeelsomeoftheparametersoftheirownhealthcare.Theemergenceofelectronicpulsemeter,sothatthepulsemeasurementbecomesverysimple.Toimprovetheeaseandaccuracyofpulsemeasuringinstrument,thesubjectisdesignedbasedon51single-chippulsemeasuringinstrument.AT89C51coresystemtoinfraredLEDandphototransistorsensorgeneratesapulsefromthephototransistorsensor,amplifiedbythesignalprocessingcircuitfilteredinputtothemicrocontroller,usingSCMsysteminternaltimertocalculatethetime,themicrocontrollerthroughtheaccumulationofpulsesgetthepulsebeatstimebythetimertimedderived.Systemoperationisdisplayedonceperminutemeasuredpulserate.Aftertesting,thesystemisworkingproperly,tomeetthedesignrequirements.
Keywords：
pulse;photoelectricsensor;microcontroller.
1引言
1.1脉搏测量仪概述
脉搏携带有丰富的人体健康状况的信息，自公元三世纪我国最早的脉学专著《脉经》问世以来，脉学理论得到不断的发展和提高。
在中医四诊（望、闻、问、切）中，脉诊占有非常重要的位置[1]。
脉诊是我国传统医学中最具特色的一项诊断方法，其历史悠久，内容丰富，是中医“整体观念”、“辨证论证”的基本精神的体现与应用。
脉诊作为“绿色无创”诊断的手段和方法，得到了中外人士的关注。
但由于中医是靠手指获取脉搏信息，虽然脉诊具有简便、无创、无痛的特点易为患者接受，然而在长期的医疗实践中也暴露出一些缺陷。
首先，切脉单凭医生手指感觉辨别脉象的特征，受到感觉、经验和表述的限制，并且难免存在许多主观臆断因素，影响了对脉象判断的规范化；其次，这种用手指切脉的技巧很难掌握；再则，感知的脉象无法记录和保存影响了对脉象机理的研究[2]。
脉诊的这种定性化和主观性，大大影响了其精度与可行性，成为中医脉诊应用、发展和交流中的制约因素。
为了将传统的中医药学发扬光大，促进脉诊的应用和发展，必须与现代科技相结合，实现更科学、客观的诊断[3]。
医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。
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。
为了提高脉搏测量的精确与速度，多种脉搏测量仪被运用到医学上来，从而开辟了一条全新的医学诊断方法[4]。
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、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[5]。
脉象探头式样很多，有单部、三部、单点、多点、刚性接触式、软性接触式、气压式、硅杯式、液态汞、液态水、子母式等组成,脉象探头的主要原件有应变片、压电晶体、单晶硅、光敏元件、PVDF压电薄膜等，其中以单部单点应变片式为最广泛，不过近年来正在向三部多点式方向设计[6]。
目前脉搏测量仪在多个领域被广泛应用，除了应用于医学领域，如无创心血管功能检测、妊高症检测、中医脉象、脉率检测等等，商业应用也不断拓展，如运动、健身器材中的心率测试都用到了技术先进的脉搏测量仪[7]。
1.2脉搏测量仪的发展与应用
随着科学技术的发展，脉搏测量技术也越来越先进，对脉搏的测量精度也越来越高，国内外先后研制了不同类型的脉搏测量仪，而其中关键是对脉搏传感器的研究。
起初用于体育测量的脉搏测试集中在对接触式传感器的研究，利用此类传感器所研制的指脉、耳脉等测量仪各有其优缺点。
指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降：
耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。
但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确[8]。
过去在医院临床监护和日常中老年保健中出现的日常监护仪器，如便携式电子血压计，可以完成脉搏的测量,但是这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每次测量都需要一个加压和减压的过程，存在体积庞大、加减压过程会有不适、脉搏检测的精确度低等缺点[9]。
近年来国内外致力于开发无创非接触式的传感器，这类传感器的重要特征是测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，能够自动消除仪表自身系统的误差，测量精度高，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[10]。
其中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。
具有结构简单、无损伤、精度高、可重复使用等优点。
通过光电式脉搏传感器所研制的脉搏测量仪已经应用到临床医学等各个方面并收到了理想效果[11]。
人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，是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，这种波成为脉搏波[12]。
从脉搏波中提取人体的心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[13]。
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电生理信号,因此必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求[14]。
1.3本文的研究内容
本系统研发主要包括了系统硬件和系统软件。
硬件的设计包括了各功能模块的方案论证和电路设计，各模块硬件电路调试和总体调试。
软件的设计主要包括主程序，脉冲检测记数与显示。
2脉搏监测系统结构
2.1脉搏监测系统的结构
脉搏测监测系统是利用脉搏传感器作为变换原件，把采集到的用于检测脉搏跳动的脉搏信号转换成电信号，用电子仪表进行测量和显示的装置。
本系统的组成包括脉搏传感器、信号处理、单片机电路、数码显示、电源等部分。
1．脉搏传感器
即将非电量转换成电量的转换元件。
2．信号处理
即处理脉搏传感器采集到的低频信号的模拟电路（包括放大、滤波、整形等）。
3.单片机电路
即利用单片机自身的定时中断计数功能对输入的脉冲电平进行运算得出心率。
4．数码显示
即把单片机计算得出的结果用8位LED数码管静态扫描来显示，便于直接准确无误的读出数据。
5.电源
即向传感器、信号处理、单片机提供的电源，可以是5V-9V的交流或直流的稳压电源。
2.2脉搏监测系统工作原理
随着电子测量技术的迅速发展，现代电子测量仪器以极快的速度向数字化、自动化的方向发展。
制成的脉搏测量仪器性能良好，结构简单，有较好的应用和推广价值。
而其中关键是对脉搏传感器的研究。
起初用于体育测量的脉搏测试集中在对接触式传感器的研究，利用此类传感器所研制的指脉、耳脉等测量仪各有其优缺点。
指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降：
耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。
但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确。
过去在医院临床监护和日常中老年保健中出现的日常监护仪器，如便携式电子血压计，可以完成脉搏的测量,但是这种便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每次测量都需要一个加压和减压的过程，存在体积庞大、加减压过程会有不适、脉搏检测的精确度低等缺点。
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。
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。
本设计采用单片机AT89C51为控制核心，实现脉搏测量仪的基本测量功能。
通过脉搏传感器采集脉搏信号，由脉搏信号（非电量）变成微弱的电信号，经过放大电路、滤波电路和整形电路后，变成脉冲输入单片机计数，算出脉率并输出到数码管显示。
脉搏测量仪硬件框图如下图2.1所示：
图2.1脉搏测量仪的工作原理
3系统总体设计
3.1系统硬件电路设计方案
3.1.1传感器选择
（1）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/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。
（2）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。
（3）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。
三种方案的优缺点比较
（1）光电式：
优点：
灵敏度高，易于操作,响应速度快，结构简单。
检测距离长，对检测物体的限制少，响应时间短，可实现非接触的检测，可实现颜色判价格便宜，使用寿命长。
缺点：
外部光源的变化对测量结果的影响较大；
（2）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。
（3）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，结合本系统的设计要求以及经费的考虑，最终选择光电式传感器。
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。
3.1.2单片机的选择
本设计作为一个简单脉搏测量仪，最后需给出脉搏波动频率。
以单片机作为信息处理中心，通过对单片机进行编程，完成信号输入检测、信息分析处理及信息显示。
（1）AVR单片机
AVR单片机是ATMEL公司生产的单片机。
1997年,由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术,共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。
相对于出现较早也较为成熟的51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代51系列单片机。
其特点是高速度（50ns）、低功耗,硬件应用Harward结构，具有预取指令功能，使得指令可以在一个时钟周期内执行，而MSC-51要12个时钟周期执行一条指令。
AVR单片机如LPC2131等。
（2）凌阳单片机
凌阳是台湾凌阳公司推出的单片机，具有高速度、低价、可靠、实用、体积小、功耗低和简单易学等特点，它的CPU内核采用凌阳推出的MicrocontrollerandSignalProcessor16位微机处理器芯片，以下简称µ’nSP。
围绕micro;’nSP所形成的16位u’nSP系列单片机，以下简称µ’nSP家族。
采用的是模块式集成结构，它以µ’nSP内核为中心集成不同规模的ROMPAM和功能丰富的各种外设部件。
µ’nSP内核是一个通用的和结构。
除此之外的其它功能模块均为可选结构。
以及这种结构可大可小可有可无，借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可成为各种系列的派生产品，以适合不同场合，这样做无疑会使每种派生产品具有更强的功能和更低的成本。
µ’nSP家族有有以下特点：
体积小，集成度高，可靠性好易于扩展。
µ’nSP家族把各功能把各功能部件模块化地集成在一个芯片里。
内部采用总线结构，因为减少了各功能部件之间的连接，提高了其可靠性和抗干扰能力，另外，模块化的结构易于系列的扩展，以适应不同用户的需求。
具有较强的中断处理能力。
μ’nSPTM家族的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。
高性能价格比：
μ’nSPTM家族片内带有高寻址能力的ROM，静态RAM和多功能的I/O口，另外μ’nSPTM的指令系统提供出具有较高运算速度的16位，16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用添加了DSP功能，使得μ’nSPTM家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利又比专用的DSP芯片廉价。
如SPCE061等。
（3）51单片机
51单片机是对目前所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。
该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。
目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。
51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。
51单片机是INTEL公司生产的。
它具有结构简单，价格便宜，易于开发的特点。
通用型，有总线扩展，有较强的位处理功能，有全双工异步串行通信口。
但是其功能相对较少，访问外部数据有瓶颈，作电压范围窄。
本设计中，单片机只需要对脉搏信号的波动频率进行测量、计算和显示，对单片机的要求不是很高。
而对51单片机，本人比较熟悉，所以，本设计中选择51单片机作为信息处理中心。
在51系列单片机中，AT89系列单片机是美国ATMEL公司推出的一种新型高性能低价位、低电压低功耗的8位CMOS微型计算机。
AT89S51就是其中一款，它可以完全满足本设计的设计要求，而且，AT89S51的价格较低。
3.1.3信号调理电路的选择
信号调理电路包括对信号的放大和滤波两个部分[17][18]。
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。
3.2系统软件设计方案
3.2.1脉搏波动频率测量方案的选择
脉冲信号的频率是指在单位时间内由信号所产生的交变次数或脉冲个数，即
。
可以看出测量fx必须将N或t两个量之一作为闸门或基准，对另一个量进行测量。
对于不同的频率范围，有三种不同的测量方法。
（1）周期测量法：
适用于低频信号。
采用单片机内的一个定时/计数器，以单片机内的标准机器周期作为标准时基信号Ts。
被测信号的周期作为信号闸门，由程序控制开关对时基进行计数得nx，因此被测信号周期为
，每分钟脉搏跳动次数为
。
（2）多周期同步法：
适用于中频信号。
其特点是标准频率信号不是用来填充待测信号的周期，而是与待测信号分别输入到两个计数器进行同步计数。
（3）频率测量法：
适用于高频信号。
充分利用单片机内的两个定时/计数器，一个作为定时器，给出标准闸门信号，另一个作为计数器。
人体脉搏波动频率一般为60～80次/min，其频率成分主要分布在0～20Hz之间，属于次声，最高频率不超过40Hz，一般情况下为1Hz左右，属于低频信号。
所以，本设计中选择周期测量法。
3.2.2单片机工作方式的选择
单片机数据传送方式一般有以下几种：
（1）查询方式：
由于CPU与外设之间存在时序、速度等差异，在数据传送前必须检测接口状态，探查外设是否数据准备就绪。
查询方式优点是结构简单，硬件开销小；缺点是CPU在整个传送过程中需要不断检测外设状态，由于CPU的速度远远高于外设，因此通常处于等待状态，工作效率很低。
（2）中断方式：
CPU无需检测外设是否数据准备就绪，不占据CPU时间，因此CPU与外设并行工作，提高了CPU的工作效率，还满足了外设的实时要求。
本设计中，选择中断方式。
3.2.3显示电路方案选择
脉搏信号经过单片机处理，得到脉搏波动频率之后，需要在显示电路中直观地显示出来。
所以，需要选用合适的显示设备及显示电路，来实现对脉搏波动频率信息的显示。
人体脉搏信号从时域上看，是一个周期性较强的准周期信号。
脉搏波动频率一般为60～80次/min。
本设计中，显示位数较多。
可以选择LCD字符液晶屏来对脉搏波动频率信息进行显示。
它具有：
电参数（VDD=5.0V10%,VSS=0V,Ta=25）
显示内容：
16字符x2行
字符点阵：
5x8点
驱动方式：
1/16D
可供型号：
TNSTN（黄绿模灰模黑白模）
反射型带EL或LCD背光源
LCD常用显示方法有两种：
静态显示和动态扫描显示。
（1）静态显示：
所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形显示。
这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小，较小的电流能得到较高的亮度且字符不闪烁。
静态显示适用于显示器位数较少时。
（2）动态扫描显示：
所谓动态显示，就是一位一位地轮流点亮显示器各个位（扫描），对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。
利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必需保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。
当显示位数较多时，用静态显示所需的I/O太多，一般采用动态显示的方法。
本设计中，显示的脉搏波动频率，同时显示脉搏次数和测试时间，选用动态显示。
4基本元器件介绍
4.1AT89C51介绍
AT89C5l是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（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（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89CSl单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
4.1.1AT89C51的主要性能
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，
·和MCS-51产品的兼容
·2K字节可重编程闪速存储器
·耐久性：
1,000写／擦除周期
·2.7V～6V的操作范围
·全静态操作：
0Hz～24MHz
·两级加密程序存储器
·128×8位内部RAM
·15根可编程I/O引线
·两个16位定时器/计数器
·六个中断源
·可编程串行UART通道
·直接LED驱动输出
·片内模拟比较器
·低功耗空载和掉电方式
4.1.2AT
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