电气自动化 光电脉搏测试系统研究 学位论文Word下载.docx

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刘晓莉

职　　称

论文提交日期

2012.12.20

论文答辩日期

2012.12.26

摘要

脉搏测试仪是用来测量一个人脉搏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分，因此，在现代医学上具有重要的作用。

目前检测脉搏的仪器虽然很多，但是价格都比较昂贵，本文拟设计一款适合家庭使用的简易的脉搏测试仪。

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。

但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频弱信号，脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号，必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。

本文的设计使用光电传感器来获得人体的脉搏信息，通过信息处理，单片机的控制将脉搏信息传递到LCD显示屏上，从而可以直观清晰的获得人体脉搏跳动的频率等信息，自此构成了我们设计的脉搏测试系统。

从中可以得知脉搏跳动是否正常以及每分钟跳动的次数。

最后，本文对脉搏测试系统的进一步发展提出了自己的看法。

关键字:

光电传感器、单片机、LCD显示

目录

1绪论

脉诊是中医传统诊断中最主要的一个诊断方法，已有近千年的历史，它是种无创伤的检测方法，简便易行。

但是，传统的诊断方法属于主观诊断，其结果容易受到生理、心理等变化的影响，使临床处理的有效性降低。

如果采用电子测量技术，就能够精确测量，还可以借助现代化的工具进行更高效、合理的判断和分析。

随着集成电路的发展，脉搏测量计必然向微型化、大众化、智能化发展。

脉搏测试系统可以从脉搏波中提取人体的生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。

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生理信号,必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。

1.1文章的研究现状

中医脉诊具有历史悠久，内容丰富的特点，将中医“整体观念，辨证论治"

的思想得到了很好的体现和应用。

早在秦汉时期的黄帝内经的《灵枢》和《素问》中曾提到过：

从《灵枢》的记载中可知秦代以前的医师通常用人迎、寸口对比的诊脉方法来对疾病部位进行诊察。

而《素问》中又指出：

“五脏相音，可以意识，五色微诊，可以目察，能合色脉，可以万全。

"

明确记录了古人脉诊使用了通过对颜面、手腕和足踩3部的血管脉搏搏动进行比较来诊断病症。

到了汉代，《难经》又进一步确立寸口部位的寸关尺脉与其浮、中、沉诊法为定为三部九候的诊脉方法。

东汉末年，中医鼻祖张仲景在总结前人的成果后开创了病、脉、诊综合治病的先河。

国外研究状况，公元前四世纪，希腊的Herophilus就曾重点注意到了脉搏的节律、速率、强度和形状，他还认为认为脉搏的搏动可以通过音乐的形式来进行表达。

随后，Calen成为国外第一个采用检查手腕处脉搏来对疾病进行诊断的方法的医学家。

国外在关于脉诊理论方面也出现过不少相关的著作，总结了许多与脉诊有关的临床经验，其中波兰Struthius于1540年撰写的《脉诊的艺术》一书，占有比较重要的地位，书中描绘出了脉搏图形，是西方最早的脉搏图解。

1700年著名的物理学家牛顿对动脉弹性腔的意义进行了论证，1733年生理学家斯蒂

文•哈尔斯提出动脉管的系统模型。

1741年爱尔兰的Niheu发表了“从脉搏观察各种疾病变化的新方法"

的文章。

到了近代，英国人Marye最早研制出采用弹簧为动力的杠杆式脉搏传感器，并使用其对挠动脉脉搏波形图进行了记录。

近年来日本、美国等国家的医生、学者在对医学与针灸研究中设计出了一些对脉象进行客观化描述的描记仪器和装置。

其主要功能是描记脉象波形图，在临床上，也可用作观察脉象变化的工具。

但这些仪器装置大多数没有形成产品，没有得到市场化，当然在临床上也没有见到广泛应用的报道。

这其中较有代表性的仪器如：

美国医学博士John．H．Laub研制的一种针灸临床用的新型无创脉搏波记录仪、日本的田口贤辉设计的一种“压力、脉搏测定装置"

和代用文彦设计的一种“局部加压型可偿还脉装置”以及日本Sony公司曾经推出的一种采用三个驻体微音器作为脉搏波转换元件的脉搏波形仪器141。

1.2文章的研究目的

我们的目的很明确，可以了解单片机的发展历史以及最新的发展动态，脉搏测试的发展现状，可以从研究中得到设计系统的经验，了解了人体脉搏的一些知识，为发展我国的中医事业做贡献，中医就是靠把脉得知患者的病情，我们可以作出一个仪器，这个仪器就能够把脉而且准确度很高。

更加深层次的加深了对单片机控制电路的理解，切实结合实际经验来设计，认真务实，锻炼我们的动手能力。

1.3文章的研究内容

根据脉搏信号的特点，利用单片机设计和实现脉搏信号的实时采集系统，并将采集的信号放大以便于能够清晰的在显示屏上显示，从而得到脉搏跳动的一些信心，如每次跳动的快慢，每分钟跳动的次数等等信息。

内容涉及到传感器的选择，有光电脉搏传感器，压力测试脉搏传感器，还有光电容积脉搏波法、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，而我们此次研究选择的是光电脉搏传感器，这是由于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。

本章小结

.而我们此次研究选择的是光电脉搏传感器，由于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。

还有单片机的选择在后文中会介绍到.

2几种脉搏测试仪简介

2.1：

电子脉搏仪的研究

研究中采用简单的74LS160作为计数器，因为它是十进制计数器无需改装，直接使用。

因为脉搏测试器中需要上百位的数字。

因此，将三片74LS160直接按并行进位方式连接即的千进制计数器。

三块芯片的ENPLOADCLR都为高电平以保证电路的工作。

其中第二第三块芯片ENT为高电平，第一块芯片ENT受555定时器的控制。

当555定时器输出为低电平时，74LS160输入端接收到的是高电平，开始计数；

输出为高电平时，74LS160接收到的是低电平，停止计数（计数结束）。

此时显示的就是15s内的脉冲数了。

工作原理：

打上电源开关，电路各部分开始工作。

首先是信号发生器发生的信号，经过四倍频电路，频率变成了原来的四倍；

倍频器的主要作用就是为了计数器能在15s内计算出1min钟的脉冲数。

脉冲数进入七段数码管计数器，计数开始。

来一个脉冲计数器就加一。

15s后，定时器输出端电平翻转，计数器停止工作。

显示出脉搏跳动的次数。

2.2：

光电脉搏测试仪

光发射电路

经实验可知,采用GaAs红外发光二极管作为光源时，可基本抑制由呼吸运动造成的脉搏波曲线的漂移。

脉搏波检测以光电检测技术为基础，因此受周围杂散光、暗电流等各种干扰影响较大。

为了克服这一问题本系统采用脉冲振幅光调制技术。

脉冲调制传送的是调制信号的采样值，只要采样频率奈奎斯特采样频率，则可由采样脉冲来恢复原信号，而不会导致失真。

系统对红外二极管的驱动脉冲信号的频率选定为工频整数倍400Hz以降低工频干扰。

脉冲载波由ADuC841内部16位数模转换器产生。

为了保证红外发光二极管的光源稳定，本文采用运放op495和NPN型三极管作为恒流源电路向发光二极管提供稳定的工作电流，光源驱动电路如图2-1所示。

光电转换电路

光敏二极管的特性是将光信号转换为电流，而随后的A/D转换电路是以电压为检测对象。

因此，接收电路中应采用电流电压变换电路，将电流信号转换为电压信号。

运算放大器与电阻R形成电流电压变换电路，如图2-2所示。

（图中S_GND为信号地，运算放大器工作正负电源为5V、0V，为避免信号丢失，将信号抬高至VS_GND=1V。

）电路输出电压

。

图2-1发光二极管驱动电路图

图2-2光敏二极管的电流电压转换电路图

信号采集及处理系统

由于光电脉搏波属于缓慢变化的微弱生理信号，信噪比低，极易受到环境噪声和肢体运动的干扰。

传统的光电脉搏波信号检测电路都采用高增益放大器，以获得较高的检测灵敏度，这种设计思路导致了检测信号动态范围缩小，在受到运动干扰时，将导致由于干扰信号而带来的光电脉搏波信号检测的饱和失真。

本系统采用过采样技术，通过对信号的高速采样来提高采样精度，相当于用高分辨率的ADC对信号进行模数转换，达到了提高信噪比并改善动态范围的效果。

因此本系统对经过光电转换后的信号进行模数转换而不需要任何信号调理（放大和滤波）电路。

3脉搏测量仪系统结构

脉搏测量仪的设计，必须是通过采集人体脉搏变化引起的一些生物信号，然后把生物信号转化为物理信号，使得这些变化的物理信号能够表达人体的脉搏变化，最后要得出每分钟的脉搏次数，就需要通过相应的硬件电路及芯片来处理物理变化并存储脉搏次数。

在硬件设计中一般的物理信号就是电压变化，有了这个系统的设计思路，本课题就此开始实施。

3.1光电脉搏测量仪的结构

光电脉搏测量仪是利用光电传感器作为变换原件，把采集到的用于检测脉搏跳动的红外光转换成电信号，用电子仪表进行测量和显示的装置。

本系统的组成包括光电传感器、信号处理、单片机电路、数码显示、电源等部分。

1．光电传感器

即将非电量（红外光）转换成电量的转换元件，它由红外发射二极管和接收三极管组成，它可以将接收到的红外光按一定的函数关系（通常是线性关系）转换成便于测量的物理量（如电压、电流或频率等）输出。

2．信号处理

即处理光电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（包括AT89C51、外部晶振、外部中断等）。

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

即向光电传感器、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。

3.2工作原理

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。

脉搏测量仪硬件框图如下图3-1所示：

图3-1脉搏测量仪的工作原理

当手指放在红外线发射二极管和接收三极管中间，随着心脏的跳动，血管中血液的流量将发生变换。

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，红外接收三极管的电流也跟着改变，这就导致红外接收三极管输出脉冲信号。

该信号经放大、滤波、整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机的外部中断信号。

单片机电路对输入的脉冲信号进行计算处理后把结果送到数码管显示。

3.3光电脉搏测量仪的特点

与传统的脉搏测量仪相比，光电式脉搏测量仪具有以下特点：

1.测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，通常在体外。

2.传感器可重复使用且速度快，精度高。

3.测试的适用电压为5V-9V的直流电压。

4.稳定性好、磨损小、寿命长、维修方便。

5.由于结构简单，因此体积小、重量轻、性价比优越。

6.测量的有效范围为50次-199次/分钟。

4基本元器件介绍

4.1AT89C51简介

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。

AT89C51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，如图4-1所示：

（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

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

和MCS-51产品的兼容

2K字节可重编程闪速存储器

耐久性：

2.7V～6V的操作范围

全静态操作：

·

低功耗空载和掉电方式

低功耗空载和掉电方式。

AT89C2051的引脚说明

AT89C2051是一个有20个引脚的芯片,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。

如表4-1所示：

AT89C2051芯片的主要引脚功能为：

1.Vcc：

电源电压。

2.GND：

地。

3.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。

4.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。

5.RST：

复位输入。

RST一旦变成高电平,所有的I/O引脚就复位到“1”。

当振荡器正在运行时,持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。

每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。

6.XTAL1：

作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。

7.XTAL2：

作为振荡器反相放大器的输出。

表4-1 

P3口的功能

端口引脚

功能

P3.0

RXD（串行输入端口）

P3.1

TXD（串行输出端口）

P3.2

INT0（外中断0）

P3.3

INT1（外中断1）

P3.4

TO（定时器0外部输入）

P3.5

T1（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。

复位电路

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4-3所示：

振荡电路

本文晶振选择频率为12MHz，电容选择30pF如图4-4所示。

经计算得单片机工作胡机器周期为：

12×

（1÷

12M）=1us。

4.2光电传感器简介

光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

　光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。

光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。

它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；

也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。

光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。

近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。

在此次设计中我们采用的是光电传感器中最常见普遍的光敏二极管做红外接收二极管和光面三极管做红外发送三极管。

光敏二极管

　光敏二极管是最常见的光传感器。

光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（<

&

micro;

A），称为光敏二极管的暗电流；

当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。

在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。

光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

光敏三极管

光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。

光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。

为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。

工作时集电结反偏，发射结正偏。

在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；

当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。

光电传感器检测原理

检测原理是:

随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变：

当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小，当血液流回心脏，组织半透明度则增大；

这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显[5]。

因此本设计将光敏二极管产生的红外线照射到人体的手指部位，经过手指组织的反射和衰减由装在该部位旁边的光敏三管来接收其透射光并把它转换成电信号。

由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的反射和衰减也是周期性脉动的,于是光敏接收三极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。

故只要把此电信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示[9]，即可实时的测出脉搏的次数。

4.3LED的综述

在单片机的应用系统中，为了便于人们观察和监视单片机的运行情况，常常

需要用显示器显示运行的中间结果、状态等信息，因此显示器也是不可缺少的外

部设备之一。

显示器的种类很多，从液晶显示、发光二极管显示到CRT显示器，

都可以与微机配接。

在单片机应用系统中常用的显示器主要有发光二极管数码显

示器，简称LED显示器。

LED显示器具有耗电省、成本低廉、配置简单灵活、安装方便、耐振动、寿命长等优点。

但显示内容有限，不能显示图形，因而其应用有局限性[11]。

LED的结构

LED数码管显示器是由发光的二极管显示字段组成的。

在单片机应用系统中使用最多的就是七段LED数码管，有共阴极和共阳极两种。

七段LED数码管显示器有8个发光二极管，其中从a~g管脚输入显示代码，可显示不同的数字或字符，Dp显示小数点。

共阴极LED数码管显示器的公共端为发光二极管阴极，通常接地，当发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮。

共阳极的LED数码管显示器的公共端为发光二极管的阳极，通常接+5V电源，当发光二极管的阴极为低电平时，发光二极管点亮。

本设计中采用的是4位七段共阳极数码管显示器，一共具有12个引脚，4个位选端，8个字选端。

图4-5中所示，1、2、3、4是位选端；

a~g、Dp是字选端。

内部结构如图4-5所示。

LED数码管的显示方法

静态显示方式是指当显示器显示某一字符时，发光二极管的位选始终被选中。

在这种显示方式下，每一个LED数码管显示器都需要一个8位的输出口进行控制。

由于单片机本身提供的I/O口有限，实际使用中，通常通过扩展I/O口的形式解决输出口数量不足的问题。

静态显示主要的优点是显示稳定，在发光二极管导通电流一定的情况下显示器的亮度大，系统运行过程中，在需要更新显示内容时，CPU才去执行显示更新子程序，这样既节约了CPU的时间，又提高了CPU的工作效率。

其不足之处是占用硬件资源较多，每个LED数码管需要独占8条输出线。

随着显示器位数的增加，需要的I/O口线也将增加。

动态显示方式是指一位一位地轮流点亮每位显示器（称为扫描），即每个数码管的位选被轮流选中，多个数码管公用一组段选，段选数据仅对位选选中的数码管有效。

对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。

显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。

通过调整电流和时间参数，可以既保证亮度，又保证显示。

若显示器的位数不大于8位，则显示器的公共端只需一个8位I/O口进行动态扫描（称为扫描口），控制每位显示器所显示的字形也需一个8位口（称为段码输出）。

通过比较，我们可以发现LED动态显示更加适合本设计，所以就采用此方法。

5基本结构模块

5.1脉搏波检测电路

传感器由红外发光二级管和红外接收三极管组成。

采用发光二极管作为光源时，可基本抑制由呼吸运动造成的脉搏波曲线的漂移。

红外接收三极管在红外光的照射下能产生电能，它的特性是将光信号转换为电信号。

在本设计中，红外接收三极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。

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[8]。

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