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1、聊城大学东昌学院毕业论文 课题名称： 智能脉搏记录仪 设计时间： 2012.12.052013.5.18 系 部： 机电工程系 班 级： 姓 名： 指导教师： 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，利用光电传感器采集信号，通过硬件电路整形放大后，实现单片机对脉搏的累加计数。系统运行中能显示脉搏次数，系统停止运行时，能够显示总的脉搏次数。经测试，系统工作正常，能准确达到设计要求。关键词：脉搏计数 AT89C51单片机 光电传感器AbstractPulse meas
2、uring instrument has been widely used in our daily life. In order to increase its simplicity and accuracy, this subject designs one system based on single-chip microcomputer . The system takes the AT89C51 microcontroller as the core, uses the optical sensor to collect signals. After shaping and enla
3、rging by hardware circuits, the microcontroller can make the pulse accumulated counting. The system can display the time of the pulse during operation. It can also show the total number when it stops. After testing, the system works well and meets the design requirements accurately. Keywords：Pulse c
4、ounting AT89C51 single-chip microcomputer Photoelectric sensor1绪论11.1 引言21.2 脉搏的概念31.3 脉搏信号的性质31.4 脉搏记录仪概述12.基本结构模块52.1脉搏波检测电路52.2脉搏信号拾取电路52.3信号放大72.4波形整形部分93.整体电路分析103.1光发射电路103.2光电转换电路103.3信号采集及处理系统113.4过采样技术的应用113.5整体硬件电路设计124.软件设计144.1 程序设计144.2 程序源代码155 结 论19参考文献20附 录21第一章 绪论1.1引言脉搏波所呈现出来的形态、强度
5、、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。本系统采用STC89S51单片机为核心而制作的一种实用型脉搏测量仪。采用HK-2000A 集成化脉搏传感器作为传感器对人体的脉搏心率警醒数据采集。得到的信号送入STC89S51单片机进行处理。单片机将采集到的脉搏心率在数码管上实时显示出来，同时还设置了脉搏测量仪的上下限报警电路。本文首先描述本设计的整体思路，然后介绍各个部分设计中的细节问题，最后提出一些完善本设计的改进意见。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。脉搏
6、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。1.2脉搏的概念脉搏即动脉搏动，脉搏频率即脉率。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7080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90100次，学龄期儿童每分钟8090次。另外，运动和情绪激动时可
7、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项目。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。注：安装泵式人工心脏者无脉搏。1.3脉搏信号的性质一般情况下，脉搏信号可以看成是周期性的确定性信号，但实际上它们并不完全是确定的，脉搏信号也并非恒定不变的，而是不断地出现一些微小的
8、变化，尤其是它会随人体的各种生理病理因素及周围环境条件的变化，其波形会随机性地变化，正在于此，它在医学诊断中具有重要的意义。脉搏信号具有如下具体特点：(1)强干扰下的微弱信号 由于脉搏信号幅度很小，大约是微伏到毫伏的数量级范围。因此，极容易引入干扰，这些干扰有来自50Hz的工频干扰，有来自肌体抖动、精神紧张带来的假象信号等。(2)频率低但能量相对集中的信号 人体的脉搏频率非常低，约为0.54Hz，一般情况下为1Hz左右，脉搏信号可看成一个准直流信号，也可看成是一个甚低频交变信号。根据脉搏功率谱能量分析，健康人脉搏能量绝大多数分布于15Hz，而病人脉搏在1Hz以下和较高频段（如5Hz以上或10H
9、z以上）仍有相当一部分的能量分布。1.4脉搏记录仪概述1选题的背景和意义 脉搏携带有丰富的人体健康状况的信息，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。2应用现状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
10、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。第二章 基本结构模块2.1脉搏波检测电路目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：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。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。用光电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生物医学仪器工作的专家和学者的重视。本系统设计了指套式的透射型光电传感器, 实现了光电隔离,减少了对后级模拟电路的干扰，结构如图1 所示。图2-1 透射式光电传感器图传感器由发光二级管和光敏二极管组
11、成, 其工作原理是: 发光二极管发出的光透射过手指,经过手指组织的血液吸收和衰减，由光敏二极管接收。由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的吸收和衰减也是周期性脉动的, 于是光敏二极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。2.2脉搏信号拾取电路如图2所示，IClA为单位增益缓冲器，用于产生2.5V的基准电压。 图2-2 信号拾取器图红外接收二极管在红外光的照射下能产生电能，单个二极管能产生O.4 V电压，0.5 mA电流。BPW83型红外接收二极管和IR333型红外发射二极管工作波长都是940 nm，在指夹中，红外接收二极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性
12、。红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大。在图l中，RO选100 是基于红外接收二极管感应红外光灵敏度考虑的。R0过大，通过红外发射二极管的电流偏小，BPW83型红外接收二极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R0过小，通过的电流偏大，红外接收二极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当红外发射二极管发射的红外光直接照射到红外接收二极管上时，IC1B的反相输入端电位大于同相输入端电位，Vi为“O”。当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期。虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是，由于红外接收二极管中存在暗电流，仍有lA的暗电流会造成Vi电位略低于
13、2.5 V。二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收二极管中的暗电流减小，Vi电位上升。由此看来，所谓脉搏信号的拾取实际上是通过红外接收二极管，在有脉和无脉时暗电流的微弱变化，再经过IClB的放大而得到的。所拾取的信号为2V左右的电压信号。2.3信号放大按人体脉搏在运动后最高跳动次数达240次/分计算来设计低通放大器，它由IC2A和C04等组成，如图2所示。转折频率由R07、C04、R08和C05决定，放大倍数由R08和R06的比值决定。图2-3 低通滤波器图根据二阶低通滤波器的传递函数，可得 （1）放大倍数为 H=-R08/R06 =-22 （2）取0.707倍零频增益计
14、算高频转折频率，即fH = 7.7Hz （3）按人的脉搏最高为4 Hz考虑，低频特性是令人满意的。需要说明的是，以上分析是在忽略C03的条件下做出的，如果考虑C03的话，那么：由此可见，C03没有影响频率特性的分析，它的作用只是隔直。二级放大器兼比较器如图4所示。Rpll用以调整系统的放大倍数，C06用以防止放大器自激。采用二级放大，零点漂移不很明显，在O.1 V左右。所以将比较器的阈值电压设计成O.25 V，以确保滤除干扰信号。采用比较器的好处是能有效地克服零点漂移所造成的影响，提高测量的准确性。图2-4 二级放大器和比较器图2.4波形整形部分波形整形电路如图5所示，IC3A是CD4528型单稳态多谐振荡器，有效脉宽为0.05 s其宽度由R22和C20决定。IC3B也组成一个单稳态多谐振荡器，脉宽为240ms。D2、Dl和T3等组成一个或非门，只有C，E两点均为低电平时，信号放大器整机输出才是高电平。设计这个电路的目的是为了在输出端输出一个窄脉冲，并且要在由R13和C07决定的时间内任何信号都不会干扰输出。R23和C21充电时间的长短决定了计数脉冲的宽度，一般不希望它太宽。波形整形时序如图6所示。图2-5 波形整形线路图第三章 整体电路分析3.1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
