1、单片机的脉搏测量仪的设计方案基于单片机的脉搏测量仪的设计摘要脉搏测量仪在我们的日常生活中已经得到了非常广泛的应用。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，以红外发光二极管和光敏三极管为传感器，并利用单片机系统内部定时器来计算时间，由光敏三极管感应产生脉冲，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。传感器把采集到的用于检测脉搏跳动的红外光转换成电信号，这些电信号通过信号处理系统进行滤波、放大、整形得到符合要求的脉搏电信号，传给单片机，并通过单片机进行处理，最后由数码管显示每分钟的脉搏次数。系统停止运行时，
2、能够显示总的脉搏次数和时间。经测试，系统工作正常，达到设计要求。这样的脉搏测量系统性能良好，结构简单，耗电低，体积小，输出显示稳定。通过该课题学习掌握了脉搏测量的原理、方法、实现过程。学会了相关的单片机知识，能够较全面的融合电路、电子技术、信号采集和处理、程序设计等等的专业知识。随着电子技术的发展，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,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。2） 数字化技术等先进技术的应用。 Automatic measuring pulse and the pulse generated by automati
3、c analysis.(2 The application of the advanced technologies such as digital technology.(3 More functional is more and more obvious.Keywords: AT89C51 microcontroller。 pulse measuring instrument。 sensor。 signal acquisition引言1第1章绪论21.1选题的背景及意义21.2 国内外研究现状与水平21.3 研究的主要内容3第2章硬件电路方案设计与选择论证52.1 系统基本方案52.2系统
4、各模块的最终方案5第3章硬件电路系统73.1 AT89C51的介绍73.1.1 AT89C51单片机的硬件组成73.1.2 AT89C51单片机的引脚功能73.2 晶振电路93.3 复位电路103.4 脉搏信号采集电路103.4.1光电传感器检测原理103.4.2信号采集电路113.5 放大电路113.6 波形整形电路123.7 显示电路133.7.1 LED 的综述133.7.2 LED数码管的显示方法143.8 报警电路15第4章软件设计164.1 主程序流程164.2 定时器中断程序流程174.2.1 定时器0程序流程174.2.2 定时器1程序流程184.3 外部中断0程序流程194.
5、4 显示程序流程20结论与展望21致谢22参考文献23附录A 电气原理图24附录B外文文献及其译文25附录 C 主要参考文献题录及摘要32附录 D 主要源程序34插图清单图 2-1 脉搏测量仪硬件框图6图 3-1 AT89C51单片机的片内硬件组成框图7图 3-2 DIP引脚图8图 3-3 振荡电路图10图 3-4 复位电路图10图 3-5 信号采集电路11图 3-6 放大电路12图 3-7 整形电路13图 3-8 整形前后波形对比13图 3-9 共阴极数码管结构14图 3-10 显示电路14图 3-11 报警电路15图 4-1 主程序流程图16图 4-2 定时器0中断程序流程图17图 4-3
6、 定时器1中断流程图18图 4-4 外部中断0程序流程图19图 4-5 显示程序流程图20表格清单表 3-1 P3口的第二功能9引言脉搏波所呈现出来的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，能反映出人体心血管系统中许多生理疾病的血流特征,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。几乎世界上所有的民族都用过“摸脉”作为诊断疾病的手段。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。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
7、工作进入了一个新的境界。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3。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。本设计以AT89C51单片机为核心，以光电式传感器检测脉搏信号，信号通过信号处理系统进行滤波、放大、整形得到符合要求的脉搏电
8、信号，传给单片机，并通过单片机进行处理，最后由数码管显示每分钟的脉搏次数。对于脉搏数不在正常范围内的，该系统能够给以报警。第1章 绪论1.1 选题的背景及意义 随着科技发展的不断提高，生命科学和信息科学的结合越来越紧密，出现了各种新颖的脉搏测量仪器，特别是电子脉搏仪的出现，使脉搏测量变得非常方便。正常人的脉搏和心跳是一致的。正常成人为60到100次/分，常为每分钟70-80次，平均约72次/分。老年人较慢，为55到60次/分。正常人脉率规则，不会出现脉搏间隔时间长短不一的现象。正常人脉搏强弱均等，不会出现强弱交替的现象。脉搏的频率受年龄和性别的影响，婴儿每分钟120140次，幼儿每分钟90-1
9、00次，学龄期儿童每分钟80-90次。另外，运动和情绪激动时可使脉搏增快，而休息，睡眠则使脉搏减慢。成人脉率每分钟超过100次，称为心动过速；每分钟低于60次，称为心动过缓。临床上有许多疾病，特别是心脏病可使脉搏发生变化。因此，测量脉搏对病人来讲是一个不可缺少的检查工程。中医更将切脉作为诊治疾病的主要方法。心动周期中，由于心室收缩和舒张的交替进行脉管发生周期性扩张和回位的搏动。病情危重，特别是临终前脉搏的次数和脉率都会发生明显的变化。脉搏的变化也是医生对病人诊断的其中一项依据。脉诊在我国已具有2600多年临床实践，是我国传统中医的精髓，其历史悠久，内容丰富，是中医“整体观念”、“辨证论证”的基
10、本精神的体现与应用。但祖国传统医学采用“望、闻、问、切”的手段进行病情诊断，受人为的影响因素较大，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。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4。1.2国内外研究现状与水平在先进科学技术的推动下，医疗仪器的相关技术日新月异，全球医疗仪器的
11、发展朝微小化迈进。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，便携式、低功耗的脉搏测量仪会越来越受到人们的青睐。长期以来，各种静态的、动态的、随身携带的、远程遥控的脉搏测量仪已经相继问世。脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法，脉搏测量可利用电子仪器测量出精度更就的数据。人体脉搏信号中包含丰富的生理信息，也逐渐引起了临床医生的很大兴趣，达到了方便、快捷、准确的测量脉搏的目的。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。近年来国内外致力于
12、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。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
13、字信号处理的运用将使干扰更小，测量更为准确。、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7。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来满足采集的要求。本课题主要内容是基于单片机的光电式传感器的脉搏测量仪的研制，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，这些电信号通过信号处理系统进行滤波、放大、整形得到符合要求的脉搏电信号，传给单片机，并通过单片机进行处理
14、，最后由数码管显示每分钟的脉搏次数。所以，本课题最终的研究对象是如何通过单片机程序实现采集微弱的脉搏信号以及如何将微弱的脉搏信号转换成清晰的脉搏波并读出脉搏跳动的次数。第2章 硬件电路方案设计与选择论证2.1 系统基本方案根据题目的要求可以将系统模块基本划分为：脉搏传感器部分、波形放大与整形部分、单片机处理电路部分及显示电路部分。为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案病进行了论证。转换成为便于测量的电量。脉搏传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式决定了脉搏测量精度，因此其选型对整个设计具有决定性的作用。本设计中，采用光电脉搏传感器，与传统的脉搏测量仪相比，光电式脉搏测量仪具有以下特
15、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、抗干扰能力强、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。 2）单片机选择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。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AT89
16、C51单片机作为信息处理中心。3）放大滤波电路部分因为是对人体脉搏信号进行放大，而脉搏信号频率比较低，只有几赫兹，传感器检测的信号比较微弱，而且有噪声，所以可以采用一阶有源低通滤波电路。4）整形电路部分测量脉搏就要对脉搏个数进行计算，而要单片机对脉搏进行计数，就需要将波形转化为矩形波，传感器传过来的脉冲是很不规则的波形，单片机计数会有很大问题。为确保一个波形只计数一次，就需要对波形进行整形。此处选择施密特触发器，这个电路结构简单，比较容易实现，整形效果也不错。5）显示部分此设计只需要显示测试时间和测试的脉搏数即可，这些都是数字，因此对显示部分采用以下方案：采用数码管。数码管具有功耗小、轻薄短小
17、无辐射危险，简单方便等特点。而且编程也比较简单。2.2系统各模块的最终方案根据前一节分析，结合器件和设备等因素，确定如下方案： 1. 采用AT89C51单片机作为控制器，分别对输入、显示、信号的处理和控制。2. 传感器部分采用光电脉搏传感器，该器件结构简单、可靠性高、抗干扰能力强。 3. 放大滤波部分用一阶有源滤波电路。4. 整形部分用施密特触发器。5. 显示用数码管显示实时脉搏数和蜂鸣器报警。系统的基本框图如下图2-1所示。图2-1脉搏测量仪硬件框图第3章 硬件电路系统3.1AT89C51的介绍单片机就是在一片半导体硅片上集成了中央处理器CPU）、存储器RAM、ROM）、并行I/O口、串行I
18、/O口、定时器/计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线的微型计算机。本系统基于51系列单片机来实现。3.1.1AT89C51单片机的硬件组成AT89C51单片机的片内硬件组成结构如图3-1所示。图3-1 AT89C51单片机的片内硬件组成框图它把那些作为控制应用所必需的基本功能部件都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上，具有如下功能部件和特性：1.8位微处理器5.可寻址片外64K字节 程序存储器ROM6.片内21个特殊功能寄存器(SFR-Special Function Register7.4个8位并行I/O口(P0-P38.1个全双工串行口(UART9.2个16位 定时器/计数器(TIMER
19、/COUNTER10.可处理5个中断源,两级中断优先级3.1.2 AT89C51单片机的引脚功能目前AT89C51单片机多采用40个引脚双列直插式封装DIP）方式如图3-2所示。图3-2DIP引脚图引脚按其功能可分为如下3类： 电源及时钟引脚VCC、VSS；XTAL1、XTAL2；控制引脚RST、和；I/O口引脚P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。下面介绍一些引脚的功能：Vcc：电源电压GND：接地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/0口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗转入端用。做为普通
20、I/O口使用时,外部一般接10k上拉电阻。当P0口某位为高电平时，可提供400A的电流；当P0口某位为低电平4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P3口：可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备。作为第二功能使用，每一位功能定义
21、如表3-1 所示。表3-1 P3口的第二功能P3口引脚功能P3.0RXD(串行输入端口P3.1TXD(串行输出端口P3.2(外中断0P3.3(外中断1P3.4T0(定时器0外部输入P3.5T1(定时器1外部输入P3.6(外部数据存储器写选通P3.7(外部数据存储器读选通RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振器频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。PSEN：程序存储允许时每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。：EA0，单片机只访问外部程序存储器。只读取外部的程序存储器中的内容，读取的地址范围为0000HFFFFH64KB），片内的4KB Flash 程序存储器不起作用。EA1，单片机访问内部程序存储器。在PC值不超出0FFFH即不超出片内4KB Flash存储器的地址范围）时，单片机读片内程序存储器4KB）中的程序，但当PC值超出0FFFH 即超出片内4KB Flash地址范围）时，将自动转向读取片外60KB1000H-FFF
