基于单片机的便携式心率测试仪的设计毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的便携式心率测试仪的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

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，而其中关键是对脉搏传感器的研 究。 而由于脉搏传感器的不同，现今市场上的脉搏测试仪的脉率采集主要有三种方法：采用一对红色发光二极管实现、采用反射式的红外管实现和采用压电陶瓷芯片实现。 近年来国内外致力于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： 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。 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。 数字信号处理的运用将使干扰更小，测量更为准确。 多功能化越来越明显 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 目前的脉搏测量仪，一般都具有测试血氧，心电图等等功能，单纯的脉搏测量仪已经很少见。 随着电子技术的发展，脉搏测量仪必然可以实现更多的功能。 本设计的主要内容 本设计以单片机为核心 ，由脉搏检测传感器采集脉搏信号。 经过前置放大电路、滤波电路、整形电路后得到与脉搏相关的脉冲信号。 该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行脉长周期的计算。 然后得到每分钟的脉搏搏动次数（即心率），并在数码管上显示心率， 同时还设置了脉搏测量仪的上下限报警电路。 本 设计 的工作是围绕着 脉搏检测传感器检测脉搏波而单片机进行控制 进行的。 本设计 的 设计 内容安排如下： 第一章为 引言。 简要介绍了 心率测试仪设计的目的和意义，并对基于单机的便携式心率测试仪的 现状和应用 以及未来的发转走势做了简单的阐述， 指出了本设计 的 主要技 术 内容 ，即心率的测试。 第二章 为整体方案的分析。 顾名思义第二章是对整个方案的详细的对比与选择并确定最终方案。 在确定方案之前我必须先明确本设计的任务与要求，之后是各个部分的对比选择。 第 三 章是本 设计 的核心。 在这里 给出了整体的硬件电路设计思路，并且对电路的各个部分进行分析与解释。 第 四 章 叙述程序的编程方案，给出程序的框架结构图并 对 整个设计 进行总结， 而且 对以后的 设计 工作进行 了 展望。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 第 2 章 整体方案分析 任务 基于单片机的便携式心率测试仪的设计。 本设计以单片机为核心，由光电传感器采集 脉搏信号。 经过前置放大电路、滤波电路、 积 分和比较电路后得到与脉搏相关的脉冲信号。 该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行脉长周期的计算。 然后得到每分钟的脉搏搏动次数（即心率），并在数码管上显示，并且在 超出设定的正常脉搏跳动范围 时 ，驱动蜂鸣器报警。 要求 (1)通过脉搏传感器采样脉搏信号，设计脉搏波检测电路，通过译码管来显数脉搏次数。 (2)将脉冲波送入单片机，采用单片机构成脉搏波检测仪，要求实现脉搏波次数超出设定时限时驱动蜂鸣器报警。 系统 的整体方案 本设计的系统模块可以基本划分为 ： 脉搏传感器部 分、单片机处理电路部分、显示电路部分和报警电路部分。 本设计所设计的基于单片机的便携式脉搏测量仪 将 利用脉搏检测传感器采集脉搏信号，再对其 进行整形、计数和显示，就能实现实时检测脉搏次数的目的 ，再通过报警电路可实现报警功能。 本设计结构 硬件框图 如图 所示。 脉 搏 检 测 传 感 器 低 通 放 大 器 整 形 电 路单 片 机数 码 显 示 电 路 报 警 电 路 图 硬件框图 方案的对比和论证 脉搏 检测 传感器的选择 传感器又称为换能器、变换器等。 脉搏传感器是脉搏检测系统中重要的组成黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 部分。 光电式传感器 血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍，据此特点，采用光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号。 反向偏压的光敏二极管，它的反向电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性，在一定光强范围内，光敏二极管的反向电流与光强呈线性关系。 指端血管的容积和透光度随心搏改变时，将使光电三极管极管收到不同的光强，并由此产生的光电流均随之作相应变化。 常用检测脉搏的光电传感器 一般是 红外对管。 红外对管将对管夹于手指端部，通过手指的血液浓度会随着心脏的跳动发生变化，红外对管对应的信 号便会发生相应的变化，采集此信号经过放大，滤波，比较等处理便可以得到理想的信号。 红外对管 对脉搏的 检测的基本原理：随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变。 当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小；当血液流回心脏，组织的半透明度增大。 这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。 光电式传感器具有 灵敏度高，易于操作 ， 响应速度快，结构简单 等优点。 虽然 外部光源的变化对测量结果的影响较大 ，但我们进行测量的地方一般都是在室内，有稳定的光源，所以在正常的操作过程中只要稍微注意下光源的问题就可以了。 压 电式传感 器 目前常用的是一次性心电电极 ， 它是用印刷方法制得的 Ag/ Agcl 传感器。 这种传感器采用接扣与敏感区分离的方法 ， 能明显的减少由于人体运动产生的干扰。 电极的好坏对采集到的心电信号质量起着至关重要的作用 ， 采用的电极应有贴力强 ， 能紧附在人体表面 ， 柔软 、 吸汗 、 极化电压低 、 导电性良好等特点。 当选用电极传感器时 ， 需要 3 个电极分别置于左右手和左腿 ， 构成标准导联。 临床上为了统一和便于比较所获得的脉搏信号 ， 在检测脉搏信号时 ， 对电极的位置 ，引线与放大器的连接方式都有严格的统一规定。 目前市场上有一种采用新型高分子压电材料聚偏 氟乙烯研制的压电传感器 ，其灵敏度高 ,频带范围好 ， 结构简单 ， 便于使用。 当手指前端受到轻微的压力时 ，可以感觉到手指前端在血压的作用下有一张一弛的感觉 ， 将这个信号用传感器提取出来 ， 转变为电信号，通过指脉的波形检测，就可以获得人体的脉搏信号。 压电式传感器有着 结构简单，实时性好，工作频带宽，应用电路简单 等诸多优点 ， 并 且价格低廉。 但压电式传感器 直接与人体相接触，容易因为人体肌肉的颤动等而产生干扰。 而肌肉的颤动不是人能主动控制的，所以说这部分的误差很黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 难控制。 并且 使用压电式传感器测脉搏还 容易受到外界其他信号的干扰。 集成传感器 当前 ， 市面上有很多类型的集成心电传感器 ， 其灵敏度高 ， 集成度高 ， 直接就可以反映出心率的变化 ， 且已包含了滤波等抗干扰电路 ， 波形经过放大可以直接处理使用。 缺点是价格非常昂贵 ， 一般均在五百元以上 ， 就本次设计来说，考虑到经费以及锻炼自己的目的，不选择使用该型传感器。 综合 考虑种种情况 ， 结合本系统的设计要求以及经费的考虑 ，本设计 采用光电式传感器。 单片机的选择 单片机的选择主要是在 AT89C2051 和 AT89S52 之间做选择。 AT89S52 单片机 AT89S52 是一种低功耗、高性能的 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 的系统可编程 Flash 存储器。 使用 Atmel 公司的高密度非易失性存储技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。 片上的 Flash 允许程序存储在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 AT89C2051 单片机 AT89C2051 是一种低 电压 、高性能的 CMOS 8 位微控制器，片内含 2K 字节可反复擦除的 Flash 只读程序存储器 和 128B 的随机数据存储器 ，器件采用 Atmel公司的高密度非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS51 指令系统。 芯片 置通用8 位中央处理器和 Flash 存储单元 ， AT89C2051 在电子类产品中有广泛的应用。 经过比较，本设计采用 AT89S52 单片机。 显示部分 的选择 根据题目要求，设计出来的系统是可以设定报警的范围的。 在单片机的应 用系统中，为了便于人们观察和监视单片机的运行情况，常常需要用显示器显示运行的中间结果、状态等信息，因此显示器也是不可缺少的外部设备之一。 显示器的种类很多，从液晶显示、发光二极管显示到 CRT 显示器，都可以与微机配接。 在 单片机应用系统中常用的显示器主要有发光二极管数码显示器，简称 LED 显示器。 LED 显示器具有耗电省、成本低廉、配置简单灵活、安装方便、耐振动、寿命长等优点。 但与 LCD 相比 显示内容有限，不能显示图形，因而其应用有局限性。 LED 数码管显示器是由发光的二极管显示字段组成的。 在单片机应用系统中使用最多的就是七段 LED 数码管，有共阴极和共阳极两种。 七段 LED 数码管显示器有 8 个发光二极管，其中从 a~g 管脚输入显示代码，可显示不同的数字黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 或字符， Dp 显示小数点。 共阴极 LED 数码管显示器的公共端为发光二极管阴极，通常接地， 当发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮。 共阳极的 LED数码管显示器的公共端为发光二极管的阳极，通常接 +5V 电源，当发光二极管的阴极为低电平时，发光二极管点亮。 通过比较，我们可以发现 LED 动态显示更加适合本设计，所以就采用此方法。 设计时要考虑的问题 环境光对脉搏传感器测量的影响 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。 电磁干扰对脉搏传感器的影响 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在 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，而且能够在一定程黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 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。 测量过程中运动噪声的影响 测量过程中，通常情况下手指和光电式 脉搏传感器可能产生相对的运动，这样会使脉搏的测量产生误差，可以通过两个方面减少运动噪声误差：一是改善指套式传感器的机械运动性，比如说使指套能够更紧的套在手指上，不易松动；二是从脉搏处理的角度，通过算法来减少误差。 对于本设计的传感器的设计来说，采用的是第一个途径。 本章小结 本章主要介绍了常见的用于脉搏检测的三种传感器，并对这三种感器的优缺点进行了比较。 本设计采用的单片机芯片的型号是 AT89S52，在本章主要介绍了它的一些特点。 最后，给出了最终的设计方案和硬件框图。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 第 3 章 硬件电路设计分析 控。