简易脉搏测试仪.docx
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简易脉搏测试仪
简易脉搏测试仪
(高职高专组)
摘要:
本系统以STC89C52单片机作为控制器,通过键盘设置脉搏的上下界限。
并可再次通过键盘查询保存的测试过的记录。
本设计通过LCD12864液晶显示每秒钟脉搏信号所形成的波形图。
将测得的实际脉搏数通过透射式红外线发射管和控制AD芯片转换为相应的数据反馈给主控芯片,使脉搏次数在液晶屏上的显示。
通过STC89C52单片机自身实现了脉搏的测量,当测量结束蜂鸣器鸣叫提醒;也实现了当脉搏次数超过了上限值或低于下限值时蜂鸣器报警。
关键词:
STC89C52单片机;LCD12864液晶显示;A/D转换
Abstract:
ThissystembySTC89C52microcontrolasthecontroller,throughthekeyboardsetupperandlowerboundsofthepulse.Andmayberetainedbykeyboardqueryagaintestedtherecord.ThisdesignthroughLCD12864LCDpulsesignalwaveformfigureformedbyeverysecond.TheactualpulsenumberofmeasuredbytransmissiontypeinfraredtransmittingtubeandcontrolADchipisconvertedtothecorrespondingdatabacktothemaincontrolchip,thepulsenumberdisplayedontheLCDpanel.ThroughSTC89C52microcontrolleritselftorealizethemeasurementofthepulse,whenmeasuredoverabuzzersingremind;AlsorealizewhenthepulseofTheTimesmorethantheupperlimitorbelowthelowerlimitvaluewhenthebuzzeralarm.
Keywords:
STC89C52microcontrol;LCD12864LCDdisplay;A/Dconversion
目录
1系统方案4
1.1控制模块的论证与选择4
1.2信号调理部分的论证与选择4
1.3光电脉搏信号拾取部分的论证与选择5
1.4滤波模块的选择5
1.5显示模块的选择5
1.6系统模块方框图6
2系统理论分析与计算6
2.1设计时应该考虑的问题以及解决的措施6
2.2光电发射接收参数分析与计算7
2.3脉搏信号参数分析、信息采样与处理参数分析计算7
3电路与程序设计8
3.1电路的设计8
3.1.1光电转换电路、调理电路的设计8
3.1.2报警电路8
3.2.1程序功能描述9
3.2.2程序流程图9
4测试方案与测试结果10
4.1测试方案、条件及仪器10
4.1.1测试方案10
4.1.2测试条件及仪器10
4.2测试结果10
5结论11
6参考文献....................................................................................................................11
附录一:
元件清单12
附录二:
原理图13
1系统方案
1.1控制模块的论证与选择
方案一:
采用STC89C52作为控制核心。
51单片机价格低廉,C语言程序编写容易,控制方便,结构简单,价格便宜,易于开发。
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。
方案二:
采用FPGA(现场可编程门阵列)作为系统的控制器。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能,规模大,密度高。
由于其集成度高,使其成本偏高,同时其芯片引脚较多,实物硬件电路板布线复杂,加重了电路设计和实际焊接的工作。
方案三:
采用ARM7芯片LPC2148,具有512Kflash程序存储空间、主频达48M、三个定时器、四个外部中断、内部RTC、采用三级流水线模式运行程序,拥有I2C、SPI、UART等通信接口。
同时其芯片引脚也较多,不便控制。
且价格较贵。
方案选择:
本系统可以采取89C52、FPGA、ARM三种控制器。
虽ARM比89C51单片机具有更强大的控制功能、更快的运行速度,可更快捷地进行高精度的测量,但本设计运行速度要求不高,89C52就能满足所需要的功能。
因此综合考虑选择89C52作为控制部件。
1.2信号调理部分的论证与选择
方案一:
采用反射式红外光传感器ST188采集脉搏信号,它具有高发射频率,高灵敏度光电晶体管,检测距离大等特点。
但由于是反射式受环境影响大。
方案二:
采用透射式红外线发射管和红外线接收管采集脉搏信号,它们具有灵敏度高,响应快,结构简单,性能稳定、可靠,能避开强烈的电磁干扰,有很高的绝缘性,可重复好等优点。
而且受环境的影响较小,又满足项目的要求。
综上所述,ST188在信号采集时,所受的环境影响大,导致测量的误差较大。
而用透射式红外线发射管和红外线接收管测量产生的误差小且能够满足项目的要求。
故选择方案二。
1.3光电脉搏信号拾取部分的论证与选择
方案一:
采用电源、电阻、发射管串联的电路。
这种电路结构简单,通过发射管的电流主要由限流电阻决定。
但是电源的波动以及温度引起的发射管压降变化会改变通过发射管的电流,从而导致红外光源的光强波动,进而引起接收的信号波动,影响测量结果。
方案二:
利用三极管、稳压源组成红外发射管恒流驱动电路。
此种方案稳定了发射管中的电流,从而减弱了光源波动,提高了接收信号的稳定性。
因此采用这种方案。
1.4滤波模块的选择
方案一:
传统分立元件RC组成无源滤波器。
通过模拟开关选择不同的RC来控制不同的截止频率、品质因数等特性参数,但是它存在带内不平坦、频带范围窄且恒定、结构复杂等缺点。
方案二:
运算放大器构成有源滤波器。
通过集成运算放大器与不同的R、C组成滤波器,能够过选择不同的RC网络来实现截止频率和品质因数可变的高通、低通滤波器的设计。
通过比较,方案二比方案一更能满足题目的要求,故选择方案二。
1.5显示模块的选择
方案一:
采用LCD1602作为系统显示器件,5V供电,操作简单,但显示的内容较少,无法显示曲线,不能达到题目要求。
方案二:
采用诺基亚5110液晶屏,支持多种串行通信协议,传输速率高,低电压、低功耗,体积小,采用串行接口与主处理器进行通信,也可以显示汉字。
方案三:
采用LCD12864液晶显示,可视面积大,画面效果好,抗干扰能力强,低电压,低功耗,硬件电路结构或显示程序都简洁得多,调用方便简单,而且可以节省软件终端资源。
1.6系统模块方框图
根据题目要求以及本组对各个模块的选择方案的实际情况,综合考虑,选定的系统如图1-1所示:
图1-1系统模块方框图
2系统理论分析与计算
2.1设计时应该考虑的问题以及解决的措施
在光电式脉搏传感器中,光敏器件接收到的光信号不仅包含脉搏信息的透射光的信号,而且包含测量环境下的背景光信号,由于动脉波动引起的光强变化比背景光的变化微弱得多,因此在测量过程当中要保持测量背景光的恒定,减少背景光的干扰。
测量环境下的背景光包含环境光和在测量过程中引起的二次反射光。
为了减少环境光对脉搏信号测量的影响,同时考虑到传感器使用的方便性,采用密封的指套式包装方式,整个外壳采用不透光的介质和颜色,尽量减小外界环境光的影响,为了避免测量过程中的二次反射光的影响,在指套式传感器的内层表面涂上一层吸光材料,这样能有效减少二次反射光的干扰。
加上指套式外壳后的脉搏传感器测量到的脉搏波形比较平滑。
这是因为加指套式的脉搏传感器中环境光在测量过程中基本不受外界环境光的影响,而且能够有效减少二次反射光,使照射到手指上的光波长单一,所以得到的脉搏信号较为稳定,没有明显的重叠杂波信号,能够很好的体现出脉搏波形的特征。
通过光电转换得到的包含脉搏信息的电信号一般比较微弱,容易受到外界电磁信号的干扰,在传统的光电式脉搏传感器电路中,由于光敏器件和放大电路是分离的,那么在信号的传递过程就很容易受到外界电磁干扰,通常在一级放大电路采用电磁屏蔽的方式来消除电磁干扰。
本系统采用了新型的光敏器件,在芯片内部集成光敏器和一级放大电路,有效地抑制了外界电磁信号对原始脉搏信号的干扰。
工频干扰是电路中最常见的干扰,脉搏信号变化缓慢,特别容易受到工频信号的干扰,因此对工频信号干扰的抑制是保证脉搏信号测量精度的主要措施之一。
通常脉搏信号的频率范围0.3~30Hz之间,小于工频50Hz,因此通过低通滤波器可以有效滤除工频干扰,这在信号调理电路中容易实现;同时可以在控制电路中对光源进行脉冲调制,这样不但能够降低系统的功耗,而且能够在一定程度上减小外界的电磁干扰,在脉搏信号数据采集后,可以通过数据处理法方法进一步滤除工频信号的干扰。
2.2光电发射接收参数分析与计算
当手指放在红外线发射二极管和红外线接收三级管中间,随着心脏的跳动,血管中血液的血流量将发生变化。
由于手指放在光的传递路径中,血管中血液的饱和度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,红外接收三极管的的电流也跟着变化,这就导致红外接收三极管输出脉冲信号。
2.3脉搏信号参数分析、信息采样与处理参数分析计算
将脉搏信号采集进来后,因为信号中伴有各种噪声干扰,所以首先进行高通滤波,去除低频干扰;再进行初级信号放大,同时进行低通滤波,去除高频信号,取中间合适的信号;然后再用RC振荡电路将信号整形,整形后再次用同相比例放大电路进行信号放大并且低通滤波,其两次信号放大10201倍。
公式为:
3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1光电转换电路、调理电路的设计
本系统采用透射式红外线发射管和红外线接收管,来实现对脉搏信号的采集,直接输出数字量,可以直接和单片机进行通讯,大大简化了电路的复杂度。
脉搏信号采集电路如图3-1所示:
图3-1光电转换电路、调理电路
3.1.2报警电路
当脉搏次数超过设置的脉搏次数最大上限值或低于最小下限值时,蜂鸣器发出警报,当一次脉搏测量结束时,蜂鸣器鸣叫提醒,报警电路如图3-2所示:
图3-2报警电路
3.2程序设计
3.2.1程序功能描述
光电转换与滤波放大处理电路将人体的脉冲信号转化为电信号,经过TLC1549AD转换将模拟信号转化为数字信号,送给STC89C51单片机进行脉冲计数,并用LCD12864实时显示所采集到的信号波形和脉冲频率。
3.2.2程序流程图
本系统程序设计都是采用Keil开发软件,C语言程序。
C语言较方便,通俗易懂。
而且本系统采用的是模块化编程思路,使得程序更具有移植性和可读性。
主程序软件流程如图3-3所示:
图3-3主程序软件流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试方案、条件及仪器
4.1.1测试方案
系统调试分硬件调试、软件调试和综合调试三部分。
先对硬件电路进行,检测电路焊接无误并上电调试通过,再对电路进行软件调试,完成以上两项之后进行软硬件联调并测试电路性能,记录测试数据。
测试脉搏数据时:
一边用便携式脉搏测试仪测量一分钟的脉搏数,一边用手按住动脉用秒表计时测量脉搏数。
重复测试脉搏数据,更换被测试对象,多记录几组数据。
4.1.2测试条件及仪器
检查多次,硬件电路必须与系统原理图完全相同,并且检查无误,硬件电路保证无虚焊,上电调试并通过验证。
秒表、数字万用表、DS1152E-EDU数字示波器、RXN-303D-II稳压电源等。
4.2测试结果
测试结果如表4-1所示:
表4-1脉搏误差测试数据记录表
测量次数
测量时间
脉搏次数
(脉搏测量仪)
脉搏次数(手按动脉测量)
误差
队员1
第1次
1min
79
84
5.9%
第2次
1min
88
88
0
第3次
30s
38
39
2.5%
第4次
30s
43
42
2.3%
队员2
第1次
1min
92
90
2.2%
第2次
1min
90
91
1.1%
第3次
30s
39
38
2.6%
第4次
30s
42
40
5.05%
5结论
通过本系统的简易脉搏测试仪有以下特点:
(1)采用单片机控制,可以实现智能控制,即不改变硬件的情况下,可以通过在程序里调用不同的控制策略来模拟电源测试时的各种工作需要。
(2)本设计实现了测量人体脉搏频率的功能,能准确的测试出人体的脉搏频率,理想达到设计指标的要求。
除此之外还可以通过液晶屏形象显示脉搏振动波形
(3)易于控制加载和去载,便于负载调节。
(4)用10位串行A/D进行数模转换。
本论文是采用STC89C51来实现脉搏测试的设计,利用LCD液晶显示屏作为显示器件,通过透射式红外线发射管和红外线接收管采集脉搏信号,实现对脉搏的测量。
具有可控性好,易于操作的优点。
参考文献:
[1]韩文波,曹维国,张精慧.光电式脉搏波监测系统[J].长春光学精密机械学院学报,1999,第22卷第4期,2.
[2]沈建华,杨艳琴,瞿晓曙,MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用.北京:
清华大学出版社,2004.
[3]程咏梅,夏雅琴,尚岚.人体脉搏波信号检测系统[J].北京生物医学工程,2006,第25卷第5期,1—3.
[4]郁道银,谈恒英.工程光学[M].机械工业出版社,1998年11月,279—281.
[5]程光,赵崇侃.指动脉搏波光电传感器的研制[J].南京医学院学报,1991年第11卷第4期,329—330.
附录一:
元件清单
编号
元件名称
说明
数量/个
D1、D3
LED
红外发射管
1
D2
PHOTO
红外接收管
1
A1
LM358
运放
1
Q1
9013
三极管
1
R1
RES2
150Ω电阻
1
R2
RES2
33K电阻
1
R3、R6
RES2
300K电阻
2
R4、R7
RES2
4.7K电阻
2
R5、R8
RES2
470K电阻
2
R9
RES2
1K电阻
1
R10
RES2
470Ω电阻
1
R11
RES2
2K电阻
1
R12
RES2
10K电阻
1
C1、C3
CAP
0.1uF电容
2
C2、C4
CAP
0.01uF电容
2
C5
CAP
10uF电容
1
A2
A/D1549
\
1
附录二:
原理图
- 配套讲稿:
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