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1、 目 录摘 要1关键词1Abstract2Key Words21 引言32 系统整体设计思路33 硬件设计43.1 心音、脉搏传感器的选择43.1.1 心音传感器的选择43.1.2 脉搏传感器的选择43.2 心音信号处理电路的设计53.2.1 心音前置放大电路53.2.2 心音带通滤波电路63.2.3 心音后级放大电路73.3 脉搏信号处理电路的设计83.3.1 脉搏初级放大电路83.3.2 脉搏滤波电路83.3.3 脉搏后级放大电路93.4 系统主控电路设计103.4.1 A/D转换电路103.4.2 ADC0809与AT89C51的接口连接103.4.3 片外RAM与AT89C51扩展连接
2、113.4.4 串口通信电路123.4.5 系统主控电路图134 软件设计144.1 系统主程序144.2 子程序设计144.2.1 A/D转换子程序144.2.2 串口通信子程序155 仿真结果与分析16结论20参考文献21致谢22附录A23附录B25附录C26I心音、脉搏采集系统设计摘 要：针对当前单独的心音或脉搏信号采集系统的不足，本论文设计了一个以AT89C51单片机为控制核心，运用传感器、A/D转换、RAM扩展、串口通信为技术手段的信号综合采集系统。该系统首先采用传感器对人体的心音和脉搏信号进行采集，然后经过信号处理电路对信号进行滤波放大等处理，最后通过控制电路将采集到的数据存储到R
3、AM存储单元中并显示在计算机上。仿真结果表明，该系统能够综合采集心音和脉搏信号，最后可以在PC机上显示。这种实时显示功能，能够非常方便医生对病人的诊断，同时也可以使诊断更准确。关键词：心音；脉搏；传感器；信号处理；A/D转换A Heart Sound and Pulse Signal Gathering System (2010 Year Student of The Electronic and Information Engineering Major and Physics and Telecommunication Engineering-Dept. Hunan City Univer
4、sity, Yiyang, Hunan, 413000, China)Abstract: Aimed at the current of single heart sounds or pulse signal acquisition systems , this paper have designed one taking AT89C51 monolithic integrated circuit as the control core, using the sensor, A/D transforms, RAM expands, the serial port correspondence,
5、 PC-side application software for the technology to an integrated acquisition system. This system firstly uses the sensor carries on gathering the heart sounds and the pulse signal of human body, then through the processing circuit to filter and amplify signal. Finally, the control circuit will capt
6、ure the heart sounds and pulse data stored in RAM storage unit and displayed on the computer. The simulation result indicated that this design integrated collect the heart sound and the pulse, and displayed on the computer. This kind of real time display function is convenient doctor for patients di
7、agnosis, and also can make diagnosis more accurate.Key Words：heart sound; pulse; sensor; signal recuperation; A/D transforms1 引言心音和脉搏是反映人体健康的两项重要指标，富含有人体大量的生理及病理信息，是临床评估健康状态的最基本参数。因此，采集心音和脉搏信号对于医学中具有非常重要的意义。本文对该领域的背景、现状和发展趋势进行充分调研，发现当前心音和脉搏采集系统存在两个问题。第一，现在人们广泛采用听诊器进行心音分析诊断，这种传统简便的方式是根据医务人员的知识和经验对听到的
8、心音作出主观的分析判断，准确性较差1。采集脉搏信号则是通过传统医学最古老的方式脉诊。中医诊脉是凭医生的手指感觉和经验来判断的，缺乏客观指标2。这些方法采集信号，都是医生主观分析判断的结果，准确性不高，因此实施智能化、数字化是非常有必要的。第二，现有的心音和脉搏采集系统是单独的信号采集系统，它们无法对两种信号进行关联分析3。因此针对这两个问题，本文设计了一个以AT89C51单片机为控制核心，应用传感器、A/D转换、RAM扩展、串口通信等为技术手段的信号综合采集系统。该系统先采用传感器对人体的心音和脉搏信号进行采集，然后将采集到的信号经过模拟滤波、放大电路进行处理，再经过A/D转换电路，最后通过单
9、片机控制存储到外存储单元中和输出到串口通信电路，串口通信电路把信号送到PC机接口，最后显示信号。这种实时显示对于医学中心血管监护方面具有重要的参考价值，它可以非常方便医生对病人的诊断，同时也可以使诊断更准确。本文通过传感器采集到的心音、脉搏信号的幅度一般都在-10+10mV左右，而A/D转换器的输入范围为-10+10V，所以模拟信号处理电路的放大增益应该在1000倍左右。通过仿真结果表明，本系统能够达到采集的心音信号频率范围为20600Hz，放大倍数为1000倍，脉搏信号频率范围为0.0520Hz，放大倍数为1001100倍。并且最后通过主控电路，可以在PC机上实时显示采集波形信号。2 系统整
10、体设计思路本系统主要由心音信号和脉搏信号采集电路、心音和脉搏初级放大、滤波、后级放大电路、AT89C51单片机、A/D转换模块、外部存储器扩展模块和串口电路发送模块组成。对微弱的心音、脉搏信号进行采集必须选择合适的传感器，通过传感器采集的信号经过各处理电路的放大、滤波后，再经过A/D转换传给单片机控制存储、输出，最后通过串口通信输出到PC机，直接显示出来。系统总原理框图如图2.1所示。图2.1 系统总原理框图3 硬件设计心音和脉搏传感器输出的信号微弱并夹杂着噪声干扰，所以必须要进行滤波和放大处理。3.1 心音、脉搏传感器的选择3.1.1 心音传感器的选择采集系统首先要解决的是如何将心音信号转化
11、成电信号，进行数字处理。由于心音的频率较低（20Hz600Hz4），在人耳可听频域范围的低频段，因此选用话筒（将声信号转换成电信号的换能器）作为声音传感器。声音传感器有很多种类，如电容式、动圈式和驻极体式等。各类传感器相关性能如下：电容式话筒（全称静电容量变化型传声器）的灵敏度最好，声音特性最为平坦，但是须加以极化电压才能工作，容易受干扰，价格也较贵；动圈式话筒的指向性最好，价格也不贵，但是灵敏性欠佳，频率响应不够宽（最佳状态为40Hz16KHz，而人耳平均听力极限约为20Hz20KHz5）；驻极体式话筒的灵敏性高，价格低，但指向性不佳。本系统对传感器的选取原则是：灵敏度高，抗干扰能力强，除了
12、要提取微弱的心音信号外，还要求它不受人声，工频等信号的干扰。通过对各方因素考虑，设计中选用驻极体式话筒。3.1.2 脉搏传感器的选择目前常见的脉搏采集方法有：心电电位方法、光电方法、压力传感器方法、电容传感器方法和电声传感器方法6。以上这些方法中，心电电位的方法和光电传感器的方法在目前临床应用的比较普遍。而电容、电声和压力传感器的方法在临床上多用于无创血压测量中的脉搏测量。目前医疗产品中临床上的脉搏采集发展到光电传感器采集脉搏方法为主7。光电传感器种类也比较多，大多都可用于对脉搏采集。它们有光敏电阻、光敏电池、光敏二极管等。以上几种光电传感器各有自己的特点，可用于不同情况下的脉搏采集。（1）光
13、敏电阻，它的特点是价格低廉，输出电流大、受温度的影响小、抗干扰能力比较强、可靠性好、器件本身不容易发生故障，它的缺点是响应时间慢。（2）光电二极管和光电三极管它的特点是灵敏度高，响应时间快、但它受温度影响比较大、受光面小、而且有非常强的方向性、抗干扰能力弱、它的另一个特点是不同型号的管子对光谱响应有很大不同。（3）光敏电池传感器它的特点是受光面积大、输出电流小、灵敏度高、响应速度快、光谱比较宽、受温度影响比较小，抗干扰能力一般8。综合以上光学传感器的特点，本文选用光敏电阻传感器，利用它的体积小、方向性小、光谱宽，抗干扰能力强、可靠性好，安装方便等特点，用它设计的脉搏采集系统可以满足要求。3.2
14、 心音信号处理电路的设计3.2.1 心音前置放大电路根据心电信号的特点，前置级应该满足下述要求：（l）高输入阻抗。被提取的心电信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。（2）高共模抑制比KCMR。人体所携带的工频干扰以及所测量的参数以外的生理作用的干扰，一般为共模干扰，前置级须采用KCMR高的差动放大形式，能减少共模干扰向差模干扰转化。（3）低噪声、低漂移。主要作用是对信号源的影响小，拾取信号的能力强，以及能够使输出稳定9。前置放大电路如图3.1所示，IN1端为传感器的电信号输出端，OUT1端为心音信号通过前置放大电路后，输入带通滤波电路的信号。在本设
15、计中，选择一款低噪声（19nV/Hz）、低功耗（每个通道35uA）、高输入阻抗的LM324运放器，且该运放器具有高达80dB的共模抑制比和1.3MHz的频带宽度，可供单电源使用，非常适用于微弱信号的放大电路中10。在电路设计中，若前置级增益过大，则电路的直流稳定性将会受到影响，加之考虑到心音信号非常微弱，所转换成的电信号也是非常微弱的。所以在有效获取心音信号且又不影响直流稳定性的情况下，增益选择为约100倍。在此通过调节R7的大小，就可以获得相应的放大倍数，其放大倍数为1+R7/R6。图3.1 心音前置放大电路3.2.2 心音带通滤波电路因前置放大电路的输出信号包含有低频分量信号和高频分量信号。它并不是纯粹的心音信号，其中夹杂着不少的工频干扰信号，这些干扰有：心音传感器和皮肤的摩擦音、人体呼吸噪音或其他活动产生的干扰音、记录仪器所产生的干扰信号11和前置放大器的失调漂移等。这些干扰信号不仅会导致心音信号被淹没，也不利于后续电路的处理。由于心音信号的频率范围为20600Hz4，因此设计一个截止频率的二阶低通滤波电路和一个截止频率的高通滤波器，将这两个滤波电路串联构成一个带通滤波电路来滤除
