基于单片机人体脉搏测量仪的设计和实现.docx

目录
1 绪 论 3
1.1 研究背景及意义 3
1.2 脉搏测量仪的研究现状 3
1.3 研究的主要内容 4
2 脉搏测量仪的设计方案 5
3 硬件电路设计与实现 7
3.1 主控制模块 7
3.2 信号采集与处理模块设计 8
3.2.1 ST188红外光电传感器 8
3.2.2 双运算放大器LM358P 8
3.2.3 信号采集电路 9
3.2.4 信号处理电路 10
3.3 显示模块 10
3.4 键盘电路模块 11
3.5 时钟电路 11
3.6 复位电路 12
3.7 报警电路 12
3.8 电源模块 13
4 系统软件部分设计 14
4.1主程序设计 14
4.2 中断程序 15
4.3 显示模块 17
5 脉搏仪测试与结果分析 20
5.1 程序调试 20
5.2 脉搏测量仪原理图调试 20
5.3 脉搏测量仪在Proteus的仿真 20
5.4 PCB排版布线及硬件焊接 21
5.5 测试数据与结果分析 23
6 总结与分析 24
参考文献 25

1 绪 论
1.1 研究背景及意义
脉象诊疗已经在中国存在有几千多年历史了，就是中国传统中医必需研究对象，因为传统医学采取相关手段，对病人进行病情诊疗，病情诊疗会因为病人或医者影响，就会造成测量正确度问题。现代科技发展步步提升，生命学和信息学联络是越来越紧密了，出现了很多样式各异脉搏测量仪器，尤其是电子式脉搏测量仪现世，让平时在测量脉搏时很便捷了。使诊疗愈加正确、诊疗能够愈加完善。
现现在已经有大家慢慢认识到，在日常中绿色健康生活方法，和对相关疾病防治关键性。在检测人体脉搏信号领域里，当今世界上已经有很多优异知识体系，在当今医学技术里面，人体心血管健康能进行无创检测方法和仪器不停涌现。研究一个无害而且实用测量仪器，使愈来愈多人关心自己心血管健康状态，能够在心血管疾病还处于轻度状态时，进行快一步发觉，而且还能够平时生活中进行预防。
采取光电传感技术，实现光电法提取指尖脉搏信息，送入控制芯片进行计数并在显示设备上显示脉搏技术，制成脉搏测量仪器性能良好，结构简单，在脉诊方面含有一定应用和推广实效。
1.2 脉搏测量仪研究现实状况
在日新月异医疗学中，检测脉搏跳动，来取得患者身体健康状态电子科技医疗器件是越来越多了。脉搏信号是显示出身体健康情况渠道，检测脉搏信号仪器在传统检测中有它优势所在。在研究脉搏系统期间，对很多已经出现在网络、市场上脉搏仪器进行了调查，发觉网络、市场上有很多较高效率，而且比较正确测量产品，在仔细调查后，发觉其中很多仪器全部存在部分不足，所以就没有把其设计路线和处理其中问题设计方案应用到大范围电子产品生产方面去，也就没有大规模应用到医学领域中去。比如有些脉搏测量仪器还是比较高效且正确，不过在物价高涨现代社会，产品价格是很高，在一般消费者比较多情况下，是不能承受。有医疗测量仪器需要比较严格检测环境，才能检测出人体脉搏信号，如此要求严格测量环境，根本不能在日常消费者当中所处条件里正确测量。另外有仪器是在操作过程当中，因为操作过程比较繁琐，所以就无法推广并看成产品进行广泛销售。依据走访调查，了解到现现在还有很多经济比较落后地方全部是采取听诊来进行测量，没有相对比较廉价且正确仪器所替换。
1998年01月朱国富等做袖珍式动脉脉搏波监测仪是基于单片微机8098作为控制器，利用光电式传感器采集信号[1]。
09月刘文等设计了利用51系列单片机开发指脉采集系统，实现对人体脉搏数据采集、存放、报警等功效[2]。该系统成本低，实用性强。
10月将为等设计了基于32位CMOS单片机人体脉搏波形测量仪，实现了在LCD上直接显示出脉搏波形，该体系基础达成了仪器测量精度，而且系统响应速度方面得到了提升了[3]，系统有良好正确度，使用便捷，耗材低。
2月李宏恩等设计了以AT89C51单片机为关键,将光电传感器采集到信号经过电路处理后输入到AT89C51内,利用单片机内部定时器来计算时间,然后将脉冲次数进行累加,就能够计算出脉搏每分钟跳动次数[4]。
1.3 研究关键内容 
用STC89C52单片机作为系统设计关键控制和处理单元，而且用红外传感器ST188对人体脉搏信号进行采集，接下来把脉搏信号经相关电路放大、滤波、整形，进行A/D转换，输入给单片机系统进行处理，利用软件和硬件处理技术实现对脉搏信号比较正确测量，设计出指尖放在ST188表面上，系统能够在2到5秒钟内测出脉搏在1分钟跳动数据，并显示在1608液晶屏上，能够设置脉搏测量仪测量脉搏信号上下限，报警模块会依据设置进行蜂鸣报警。

2 脉搏测量仪设计方案
在脉搏测量仪设计中，信号采集和获取是关键。在设计过程中，脉搏信号能够无误、有效、真实地采集，那么设计就能够顺利进行。动脉信号极弱，振幅很有限，难于进行采集和获取。生物各部分生理信号全部是相互干扰、相互影响，在这种情况下，脉搏信号就会受到噪声干扰。
脉搏信号频率是很低，正常人每分钟脉搏跳动次数在60到100之间，频率在1Hz到1.67Hz，平均在70次左右。能够选择合理传感器来对脉搏信号进行测量，才能够取得无误、有效、真实地采集，才能完整而又正确反应一个人身体活动生理信息，设计脉搏仪才能正常且高效地工作。
采取红外传感器进行对脉搏信号采集，光电系统通常是指能够敏感到紫外光至红外光光能量，并将这个光能量变换成电信号器件。光电式传感器测量比较微小位移改变有很显著作用，而且红外传感器对材料、电路模块控制和光电管特征要求是相对要高。
光电式检测信号是使用红外传感器测试出血脉中流动时对光透过率、反射率不一样，就将收到信号进行光电转换。选择ST188传感器对信号进行采集是最适宜。
选择STC89C52单片机系统，该设计可靠性能够得到提升，而且简化电路设计，从而使系统耗材降低。
显示模块选择LCD液晶显示器，因为液晶显示器信息量大，使用寿命相关长，而且能够在低压情况下驱动。LCD含有独特优点特征，对信息显示效果也是很好，而且控制方面也比较简便使用等等。
蜂鸣器模块采取蜂鸣器在超出上限低于下限时报警，并添加一个蜂鸣器开关。
按键功效由4个按键开关组成，用于对单片机复位，设置上下限，数值加，数值减。
电源模块是采取DC电源插座，还有自锁开关实现对系统断电续电，并保护系统。硬件电路设计框图图2-1所表示。

图2-1 硬件电路设计框图
3 硬件电路设计和实现
硬件电路设计也是实现系统功效关键部分，由主控制模块进行系统控制，LCD模块进行数据显示，传感器进行脉搏采集，运放电路进行数据处理，按键电路进行数据调整和系统复位，蜂鸣电路进行异常报警，电源电路是为系统提供工作电压。硬件电路图3-1所表示。

图3-1 硬件电路原理图
3.1 主控制模块
STC89C52单片机能够让开发者经过计算机并行端口或串行端口直接将可实施文件烧写到单片机中，这么就能够在开发板上进行仿真，在电路设计中，单片机每个引脚功效全部要充足实现，图3-2为STC89C52引脚图。

图3-2 STC89C52RC引脚图
电源引脚：40引脚为VCC引脚，连接5V电源，20引脚为GND引脚，必需接地。那么第40引脚就直接接到电源正极[5]。
输入/输出端口：图3-2，40引脚下一个是第39引脚，是P0起始引脚，直到第32脚这8个脚是P0；1引脚到8引脚为P1；21到28引脚为P2；10引脚到17引脚为P3；39引脚、1引脚、21引脚、10引脚就是4个Port开始引脚，所以把这四个引脚称为输入/输出端口。能连接各个辅助电路实现硬件连接，如显示电路，按键电路，蜂鸣器电路等。P3口：①能够作为输入/输出口，外接输入/输出设备；②作为第二功效使用。P0作为I/O口输出时，输出低电平为0输出高电平为高组态，就是说P0不能真正输出高电平，假如要为所接负载提供电流，就一定要用到上拉电阻。
复位引脚：全部微处理全部需要复位动作，复位引脚是9引脚，接高电平超出2个机器周期，即可产生复位动作。
频率引脚：18引脚、19引脚是时钟脉冲引脚，连接震荡电路。
存放器引脚：31引脚是存取外部存放器使能引脚，设计中只使用内部存放器，所以就把使能引脚直接接到电源正极[5]。
外部存放器引脚：因为用到是内部存放器，所以29引脚、30引脚就使用悬空。
3.2 信号采集和处理模块设计
3.2.1 ST188红外光电传感器
信号采集用是反射式红外光电传感器，由红外发光二极管和红外光敏三极管组成。A_K为发射管；C_E为接收管。电路图图3-3所表示。

图3-3 ST188传感器电路图
3.2.2 双运算放大器LM358P
LM358P内部有两个独立、高增益、内部频率赔偿双运算放大器， 1引脚、2引脚、3引脚为第一极运算放大通道，运放1引脚是OUT端，运放2引脚是反相INT端，运放3引脚是同相INT端；5、6、7引脚为另一运放通道，7引脚是输出端，6引脚是反相输入端，5引脚是同相输入端；8引脚接VCC；4引脚是接地或负电源[6]。LM358P引脚结构图3-4所表示。

图3-4 LM358引脚结构
3.2.3 信号采集电路
打开电源后，发光二极管发射红外光照射到血管上，其中部分光信号经过血管反射被光敏三极管所接收且转换成电信号送至测量处理电路，测出血管中血液流动状态[7]。血管中血液流动平滑时，发射出去光经过反射，接收管收到发射光没有幅度上大改变，采集电路就没有信号输出；当血管受压血液不流动时，传感器也无输出信号；只有当血管受到了压力作用时，血管里面血液就会依据压力作用产生断续，反射光也跟着之产生改变，就会让接收管电流发生改变，所以传感器就会输出脉搏信号。激励电阻R4选择470欧姆是基于红外接收管所考虑，传感器输出脉冲信号是很微弱低频信号，脉搏数是50次/分为0.78Hz，200次/分为3.33Hz。脉搏采集电路图3-5所表示。

图3-5 脉搏采集电路
3.2.4 信号处理电路
经过传感器输出信号是低频信号而且还伴有干扰信号，信号经R5和C4滤除高频干扰，再由耦合电容C5、C6加到放大输入端，电容作用传输电流信号，进入运算放大器电路处理后变为电压信号既脉冲信号，信号要经过两级放大，即滤波放大和整形放大，经过滤波放大后信号还是不规则脉冲信号，而且还有低频信号干扰，就必需利用整形电路进行处理 [9]。R9为反馈电阻，运放电路中选第二级作为滞回电压比较器，处于开环状态，电压增益很大，目标是深入提升电路抗干扰能力，而且还在LM358P输出端XL连接一个作为系统工作状态发光二极管。信号处理电路图3-6所表示。

图3-6 信号处理电路
3.3 显示模块
LCD1602是因为在显示器要显示数据是16X2,就是能够显示出两行数据，上下两行全部能够显示16个字符和数字，LCD1602显示模块有标准16脚接口。
接口以下：第1引脚GND是接地；第2引脚为VCC是接5V电源正极；第3引脚，V0是LCD1602液晶显示器对比度调整端，接VCC时对比度是最弱，接GND时对比度是最高，在使用时假如对比度过高[10]，会因为响应速度原因使图像发生模糊，所以在使用时用R2接VCC和R1接地调整对比度；第4脚RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器；第5脚RW为读写信号线，高低电平时分别进行读操作和写操作；第6脚，EN端为使能端,高电平时读取信息，负跳变时实施指令；第7脚和第14脚，D0到D7是8位双向数据端，在LCD7到14脚和单片机32到39引脚之间要用到排阻103，P0口做输出口时，只有接上拉电阻才能有高电平输出。；第15脚和第16脚，空脚或背灯电源，15脚背光正极就接VCC，16脚背光负极就接地。 LCD1602和单片机接口电路图3-7所表示。

图3-7 LCD显示电路
3.4 键盘电路模块
因为I/O口足够用，键盘设计采取线性键盘，三个引脚经过按键接地，有程序控制扫描。K2、K3、K4按键分别接到单片机P10、P11、P12上；K2是设置上下限，按一次显示设置下限，按第二次显示设置上限，按K3进行数值加，按K4进行数值减，方便在超出限制时有报警提醒。键盘电路图3-8所表示。

图3-8 键盘电路
3.5 时钟电路
时钟电路图3-9所表示，时钟电路就是振荡电路，在单片机系统第18、19引脚上外接一个12MHz晶振，是为了给单片机系统提供工作频率[11]。振荡电路是由两个30pF电容和一个12MHz晶振组成，单片机系统工作周期经过计算是1us。

图3-9时钟电路
3.6 复位电路
系统上电后单片机进入工作状态，开始=测量工作，假如需要复位，那么按下弹片K1开关，系统再次进入稳定工作状态，重新开始测量。假如在测量时手指离开过传感器，那么就需要进行复位。C1电容作用是：上电自动复位作用。复位电路图3-10所表示。

图3-10 复位电路
3.7 报警电路
在单片机24引脚连接一个蜂鸣器，在测量脉搏过程中，依据设置上下限，当脉搏大于上限M次/分钟或小于下限N次/分钟[12]，蜂鸣器进行报警。有时候会因为干扰造成蜂鸣器长时间报警，加一个开关进行控制。三极管作用：因为从单片机端口输出信号较小，假如直接接上蜂鸣器，可能会因为电流能力太小，蜂鸣器并不能正常工作，且会不发出声响，所以增加一个三极管对输出信号进行放大，增大功率来驱动蜂鸣器[13]。图3-11所表示。

图3-11报警电路
3.8 电源模块
VCC接一个DC插座，和一个自锁开关S1，使用时用USB电源线接入USB端口，DC插头插入DC插座进行供电。STC89C52RC工作电压在5V电压下,电源电路图图3-12所表示。

图3-12 电源电路
4 系统软件部分设计
4.1主程序设计
主程序是程序中心部分，能够调用子程序，系统主程序控制单片机系统按预定运行，它是单片机系统程序框架。系统上电后，对系统进行初始化，LCD显示并打开定时器，进入循环，开始扫描按键程序，再显示出来，再次扫描按键程序，结束程序。程序步骤图图4-1所表示。

图4-1 主程序步骤图
主程序：
void main() //主函数
{
InitLcd();
Tim_Init();
lcd_1602_word(0x80,16,"Pulse Rate: "); //初始化显示
TR0=1;
TR1=1; //打开定时器
while(1) //进入循环
{
if(Key_Change) //有按键按下并已经得出键值
{
Key_Change=0; //将按键使能变量清零，等候下次按键按下
View_Change=1;
switch(Key_Value) //判定键值
}
if(View_Change)//显示变量
{
View_Change=0;//变量清零
if(stop==0) //脉搏正常时
{
if(View_Data[0]==0x30) //最高位为0时不显示
View_Data[0]=' ';
}
else //脉搏不正常（计数超出5000，也就是两次信号时间超出5s）不显示数据
{
View_Data[0]=' ';
View_Data[1]=' ';
View_Data[2]=' ';
}
switch(View_Con) //显示函数
}
}
}
4.2 中止程序
定时器服务程序，定时器中初始化，定时10ms；有定时中止产生，无信号时返回到定时中止；有信号输入时，Maibo_Con就+1，当Maibo_Con不是大于等于3时，返回到定时中止；当Maibo_Con是大于等于3时，信号输入就保持了30ms，说明是脉搏信号；假如是第一个脉搏信号那么返回到定时中止继续检测第二个脉冲信号；是第二次脉冲信号是就计算两次脉冲信号时间差，从而得到1分钟脉搏数；在显示模块上进行显示出来。步骤图4-2所表示。

图4-2 中止程序步骤图
中止程序：
void Time1() interrupt 3 //定时器1服务函数
{
static uchar Key_Con,Maibo_Con;
TH1=0xd8; //10ms
TL1=0xf0; //重新赋初值
switch(Key_Con) //无按键按下时此值为0
{
case 0: //每10ms扫描此处
{
.................
}
case 1: //10ms后二次进入中止后扫描此处（Key_Con为1）
{
..............
}
case 2: //20ms后检测按键
{
.........
}
}
switch (Maibo_Con)//此处和上面按键检测类似
{
case 0: //默认Maibo_Con是为0
{
........
}
..........
case 4:
{
...........
}
}
}
4.3 显示模块
开始，申明变量和函数，显示初始化，进行扫描键盘，判定是否有按键按下，有5ms延迟函数，显示内容，LCD1602显示模块图4-3所表示：

图4-3 显示模块步骤图
显示子程序：
void lcd_1602_word(uchar Adress_Com,uchar Num_Adat,uchar *Adress_Data)
{
uchar a=0;
uchar Data_Word;
LCD_WriteCom(Adress_Com); //选中地址
for(a=0;a<Num_Adat;a++) //for循环决定显示字符个数
{
Data_Word=*Adress_Data; //读取字符串数据
LCD_WriteData(Data_Word); //显示字符串
Adress_Data++; //显示地址加一
}
}

/***************1602函数*******************/
void LCD_WriteData(uchar LCD_1602_DATA) /********LCD1602数据写入***********/
{
delay5ms(); //操作前短暂延时，确保信号稳定
LCD_E=0;
LCD_RS=1;
LCD_RW=0;
_nop_();
LCD_E=1;
LCD_DATA=LCD_1602_DATA;
LCD_E=0;
LCD_RS=0;
}

/********LCD1602命令写入***********/
void LCD_WriteCom(uchar LCD_1602_COM)
{
delay5ms();//操作前短暂延时，确保信号稳定
LCD_E=0;
LCD_RS=0;
LCD_RW=0;
_nop_();
LCD_E=1;
LCD_DATA=LCD_1602_COM;
LCD_E=0;
LCD_RS=0;
}

void InitLcd() //初始化液晶函数
{
delay5ms();
delay5ms();
LCD_WriteCom(0x38); //display mode
LCD_WriteCom(0x38); //display mode
LCD_WriteCom(0x38); //display mode
LCD_WriteCom(0x06); //显示光标移动位置
LCD_WriteCom(0x0c); //显示开及光标设置
LCD_WriteCom(0x01); //显示清屏
delay5ms();
delay5ms();
}

5 脉搏仪测试和结果分析
5.1 程序调试
设计程序编写使用是Keil4软件，调试过程以下：在Keil4里面Project下新建一个项目；在工程文件中新建一个file文件，将程序输入进去后并保留为.c文件，设置时钟脉冲频率为12MHz,在Output下，勾选产生16进制数文件，即.hex文件；对程序进行编译零错误后，就完成了程序开发，将生成.hex文件烧写到STC89C52单片机中。程序编译结果图5-1所表示。

图5-1 程序编译结果
5.2 脉搏测量仪原理图调试
在Altium Designer 软件中进行原理图绘制和调试，在元件库里面找到相关器件，在工作界面进行绘制。在完成原理图连线后，应仔细检验接线是否到位，用Compile进行编译，检验出原理图绘制错误，修改里面错误，直到整体电路全部符合电气特征。
5.3 脉搏测量仪在Proteus仿真
绘制完原理图后，根据电路原理图在Proteus Professional软件做仿真图。根据原理图在Proteus Professional中选择对应电子元件，排布好电子元器件位置对电路进行连线，连接完后进行检验无误后，将在Keil4中编译生成.hex文件导入Proteus Professional单片机中对电路进行仿真。仿真图图5-2所表示。

图5-2 仿真图
在此次原理仿真当中，因为只需要进行单片机处理部分仿真，所以输入端选择了波形发生器，利用波形发生器产生不相同频率方波来替换脉搏波信号。为了测试其性能，将给单片机不一样大小频率方波信号。
5.4 PCB排版布线及硬件焊接
完成调试仿真后根据原理图来完成PCB板绘制，在Altium Designer软件中绘制PCB图，将PCB文件发给PCB制作厂家，制作好PCB如5-3所表示。接下来根据原理图将元器件焊接到制作好电路板上，并完成实物制作，实物图5-4所表示。

图5-3 PCB布线

图5-4 脉搏测量仪

5.5 测试数据和结果分析
将焊接好实物，进行实际检测，测试方案是：对同一个人同一时间进行不一样方法进行测量。脉搏测量仪是在2s内计算出人体脉搏数值，假如数值在接下来几秒内一直改变，那么就要等改变不大时出现数值时，就是人体1分钟脉搏次数了；而听诊器测量脉搏次数则是要用到1分钟，所以在检测中安排了数次检测，部分测试结果如表5-1所表示。
表5-1 部分测试结果
测试
次序
听诊器测到数据（次/分）
脉搏测量仪示值（次/分）
二者之间相差
1
73
77
4
2
76
79
3
3
72
74
2
4
77
78
1
5
70
69
1
6
80
80
0
从表5-5中结果分析，在实际测量中，用听诊器测量数据和脉搏测量仪检测到数据会出现误差，这个是在检测同一个人脉搏实时数据，出现误差最大为4，最小为0，因为脉搏仪在短时间内就得到了数据，听诊器还要测满1分钟，在这段时间内，会出现人体生理改变，脉搏会忽慢忽快，造成了误差产生。能够在表5-5中看出，误差保持在0到4之间，这个误差范围是能够许可，所以本系统基础达成设计要求。

6 总结和分析
基于单片机脉搏测量仪系统轻易进行操作使用，其响应速度和精度相对很好，应用广泛，含有实际意义。脉搏测量极为特殊性，比如血脉振动幅度小，大多数会受到其它信号干预，造成需要信号难以采集和获取，或无法确保采集获取到脉搏信号正确可靠性，而且脉搏信号处理过程是比较麻烦和复杂，所以在每个模块设计中，全部应该小心仔细，全方面考虑，确保每一部分电路正确性。系统可工作在直流电压为5V伏左右，工作电流为100mA左右；系统在通电后，将手指放在红外传感器上，等候测试2s到5s可检测到人体信号，并在液晶屏上显示出来。这次设计因为时间比较紧，还有就是本人掌握知识有限，在此次设计中存在很多不足，而且系统测试能力有限。本设计整体设计方案相对于以前已经有设计来说，改善和提升幅度也不是很大，有一定不足。
现现在电子器件日新月异，在设计各个电路模块时，能有更为方便或成熟正确方法来实现，这对于提升脉搏测量仪正确性和效率有很大意义。脉搏测量仪在医疗科学市场是有着对人体健康意义和商业效益电子医疗器件，相信在科技发达以后脉搏仪会越来越优异，为现在这个世纪里同胞健康标准和医学领域里面针对很多心血管类疾病防治，做出现代大学生对社会进步一份小小贡献。

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