基于单片机的人体脉搏检测系统设计(编辑修改稿)

基于单片机的人体脉搏检测系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

格低廉。 缺点：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。 并且容易受到外界其他信号的干扰。 （ 3）集成式 : 优点 :集成度高 ,包含了滤波 ,放大电路 ,可以直接输出信号 ,便于操作 ,有效的减少了各种干扰。 缺点 :降低了本任务的难度 ,如果采用该传感器，只需将其直接接上单片机即可实现功能，且价格非常昂贵。 考虑到种种情况，结合本系统的设计要求以及经费的考虑，最终选择压电式传感器。 该传感器价格较低，而且输出电压变化较为明显，可以 实现我们的实验目的。 压电陶瓷片 [12][13]的外观和电路符号如下图 所示。 压电片包括三个部分，镀银层，压电陶瓷，以及铜片。 外部压力作用于铜片时，压电陶瓷就可以感受压力而产生电信号，并最终通过镀银层将该信号输出。 在使用时， 压电陶瓷片要通过导线与电路板连接 ,注意在焊接压电陶瓷片时 ,时间不能太长以免烫坏压电陶瓷片的镀银层。 图 压电陶瓷片的符号及外观 第 8 页 共 40 页 由于压电陶瓷片的资料比较少，为了确定使用该传感器能够实现本次设计的目的，先要对其进行实验，来确定它的输出电压是否符合要求。 使用实验室 砝码来测试，其结果如下表表 21 所示。 表 21 压电陶瓷片输出电压测试表 压力 (N) 输出电压 (mV) 由于只需要 4mv5mv 左右的电压输出，就可以实现设计要求 [14]。 由本次试验，可以得知压电陶瓷片可以实现我们所要达到的目标。 单片机的选择 本设计作为一个简单脉搏测量仪，最后需给出脉搏波动频率。 以单 片机作为信息处理中心，通过对单片机进行编程，完成信号输入检测、信息分析处理及信息显示。 （ 1） AVR 单片机 AVR 单片机 [15][16]是 ATMEL 公司生产的单片机。 1997 年 ,由 ATMEL 公司 挪威 设计中心的 A 先生与 V先生利用 ATMEL 公司的 Flash 新技术 , 共同研发出 RISC 精简指令集的高速 8 位单片机，简称 AVR。 相对于出现较早也较为成熟的 51 系列单片机， AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代 51 系列单片机。 其特点是 高速度 (50ns)、低功耗 ,硬件应 用 Harward 结构，具有预取指令功能，使得指令可以在一个时钟周期内执行，而 MSC51 要 12 个时钟周期执行一条指令。 AVR 单片机如 LPC2131 等。 （ 2）凌阳单片机 凌阳是台湾凌阳公司推出的单片机，具有高速度、低价、可靠、实用、体积小、功耗低和简单易学等特点， 它的 CPU 内核采用凌阳推出的 Microcontroller and Signal Processor 16 位微机处理器芯片，以下简称 amp。 micro。 ’nSP。 围绕 micro。 ’nSP 所形成的 16位 u’nSP 系列单片机，以下简称 amp。 micro。 ’nSP 家族。 采用的是模块式集成结构，它以amp。 micro。 ’nSP 内核为中心集成不同规模的 ROM PAM 和功能丰富的各种外设部件。 amp。 micro。 ’nSP 内核是一个通用的和结构。 除此之外的其它功能模块均为可选结构。 以及 第 9 页 共 40 页 这种结构可大可小可有可无，借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可成为各种系列的派生产品，以适合不同场合，这样做无疑会使每种派生产品具有更强的功能和更低的成本。 amp。 micro。 ’nSP 家族有有以下特点：体积小 ，集成度高，可靠性好易于扩展。 amp。 micro。 ’nSP 家族把各功能把各功能部 件模块化地集成在一个芯片里。 内部采用总线结构，因为减少了各功能部件之间的连接，提高了其可靠性和抗干扰能力，另外，模块化的结构易于系列的扩展，以适应不同用户的需求。 具有较强的中断处理能力。 μ’nSPTM家族的中断系统支持 10 个中断向量及 10 余个中断源，适合实时应用领域。 高性能价格比： μ’nSPTM家族片内带有高寻址能力的 ROM，静态 RAM 和多功能的 I/O 口，另外μ’nSPTM的指令系统提供出具有较高运算速度的 16 位， 16 位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用添加了 DSP 功能，使得 μ’nSPTM家族运用在复杂 的数字信号处理方面既很便利又比专用的 DSP 芯片廉价。 如 SPCE061 等。 （ 3） 51 单片机 51 单片机是对目前所有兼容 Intel 8031 指令系统的单片机的统称。 该系列单片机的始祖是 Intel 的 8031 单片机，后来随着 Flash rom 技术的发展， 8031 单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的 8 位单片机之一，其代表型号是 ATMEL 公司 的 AT89系列，它广泛应用于工业测控 系统之中。 目前很多公司都有 51 系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。 51 单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。 51 单片机是 INTEL 公司生产的。 它具有结构简单，价格便宜，易于开发的特点。 通用型，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。 但是其功能相对较少，访问外部数据有瓶颈，作电压范围窄。 本设计中，单片机只需要对脉搏信号的波动频率进行测量、计算和显示，对单片机的要求不是很高。 而对 51 单片机，本人比较熟悉，所以，本设计中选择 51 单片机作为信息处理中心。 在 51 系列单片机中， AT89 系列单片机是美国 ATMEL 公司推出的一种新型高性能低价位、低电压低功耗的 8 位 CMOS 微型计算机。 AT89S51 就是其中一款，它可以完全满足本设计的设计要求，而且， AT89S51 的价格较低。 信号调理电路的选择 信号调理电路包括对信号的放大和滤波两个部分 [17][18]。 由于传感器输出的电压比较 第 10 页 共 40 页 小，在几毫伏左右，且频率较低，需要低噪声，低漂移，高输入阻抗的放大器，所以选择使用仪表放大器。 肌电干扰可能会导致放大器的静态工作点偏移，甚至使放大器达到饱和，所以第一级放大 器的放大倍数不能太高。 因此还需要另一个放大器。 此外，为了滤去高频信号和市电的干扰，还需要设计一个低通滤波器。 这部分电路的框图如图 所示。 图 信号调理单元框图 系统软件设计方案 脉搏波动频率测量方案的选择 脉冲信号的频率是指在单位时间内由信号所产生的交变次数或脉冲个数，即/fx N t。 可以看出测量 fx 必须将 N 或 t 两个量之一作为闸门或基准，对另一个量进行测量。 对于不同的频率范围，有三种不同的测量方法。 （ 1）周期测量法：适用于低频信 号。 采用单片机内的一个定时 /计数器，以单片机内的标准机器周期作为标准时基信号 Ts。 被测信号的周期作为信号闸门，由程序控制开关对时基进行计数得 nx，因此被测信号周期为 Tx nx Ts，每分钟脉搏跳动次数为60/N Tx。 （ 2）多周期同步法：适用于中频信号。 其特点是标准频率信号不是用来填充待测信号的周期，而是与待测信号分别输入到两个计数器进行同步计数。 （ 3）频率测量法：适用于高频信号。 充分利用单片机内的两个定时 /计数器，一个作为定时器 ，给出标准闸门信号，另一个作为计数器。 人体脉搏波动频率一般为 60～ 80 次 /min，其频率成分主要分布在 0～ 20Hz 之间，属于次声，最高频率不超过 40Hz，一般情况下为 1Hz 左右，属于低频信号。 所以，本设计中选择周期测量法。 单片机工作方式的选择 单片机数据传送方式 [19]一般有以下几种： （ 1）查询方式：由于 CPU 与外设之间存在时序、速度等差异，在数据传送前必须检测接口状态，探查外设是否数据准备就绪。 查询方式优点是结构简单，硬件开销小；缺点是 CPU 在整个传送过程中需要不断检测外设状态，由于 CPU 的速度远远高于外设， 第 11 页 共 40 页 因此通常处于等待状态，工作效率很低。 （ 2）中断方式： CPU 无需检测外设是否数据准备就绪，不占据 CPU 时间，因此CPU 与外设并行工作，提高了 CPU 的工作效率，还满足了外设的实时要求。 本设计中，选择 中断 方式。 显示电路方案的选择 脉搏信号经过单片机处理，得到脉搏波动频率之后，需要在显示电路中直观地显示出来。 所以，需要选用合适的显示设备及显示电路，来实现对脉搏波动频率信息的显示。 人体脉搏信号从时域上看，是一个周期性较强的准周期信号。 脉搏波动频率一般为60～ 80 次 /min。 本 设计中，显示位数较多。 可以选择 LCD 字符液晶屏来对脉搏波动频率信息进行显示。 它具有： 电参数 (VDD= 10%,VSS=0V,Ta=25 ) 显示内容： 16 字符 x 2 行 字符点阵： 5 x 8 点 驱动方式： 1/16D 可供型号： TN STN(黄绿模灰模黑白模 ) 反射型带 EL 或 LCD 背光源 LCD 常用显示方法有两种：静态显示和动态扫描显示。 （ 1）静态显示：所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的 I/O 接口用于笔划段字形显示。 这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管 它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中 CPU 的开销小，较小的电流能得到较高的亮度且字符不闪烁。 静态显示适用于显示器位数较少时。 （ 2）动态扫描显示：所谓动态显示，就是一位一位地轮流点亮显示器各个位（扫描），对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。 利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必需保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。 当显示位数较多时，用静态显示所需的 I/O 太多，一般采用动态显示的方法。 本设计中，显示的脉搏波动频率，同时显示脉搏次数和测试时间，选用动态显示。 3 系统硬件设计 第 12 页 共 40 页 本设计中，脉搏波动频率测量的实现是通过脉搏传感器采集脉搏信息输出电压信号，经信号放大电路对其进行放大。 然后，将放大后的脉搏信号经过整形电路将模拟信号转化成数字信号，将脉搏信号转换为同频率的脉冲。 通过对单片机进行编程来实现对脉搏波动频率的测量和计算，并在显示电路中直观的显示出来。 本章对各部分电路的设计进行详细论述与分析。 一级放大电路的设计 一级放大电路 [20]是整个系统设计的重点 ,脉搏测量仪要求在脉搏信号频率范围内，不失真的放大所采集的微弱信号 ,这要求所用的放大器必须具有低噪声 ,低漂移 ,低失调参数 ,高共模抑制比 ,高输入阻抗 ,线形度小等特点。 为了达到上述要求 ,并联型双运放放大电路 [21]能满足其要求 图 并联型双运放放大电路 前两个运放为同向比例放大器 ,输入阻抗很高 ,它对共模信号有很高的抑制比。 由于Rx连接于这两个放大器的求和点之间 ,当一个差分电压加到医用放大器的输入端时 ,整个输入的电压都呈现在 Rx 两端。 由于 Rx两端的电压等于 V2V1,所以流过 Rx的电流等于(V2V1)/Rx,因此输入信号将通过放大器获得增益并且得到放大。 这种电路的优点在于： a,高共模抑制比； b,通常只需改变电阻 Rx 大小可改变增益。 以上电路需要三个运放，在调试的时候会比较复杂。 现在的很多仪表放大器的内部电路与这个电路相同，而且仪表放大器都有成品可以买到 ,只需调整外界电阻就可以调整放大器的放大倍数，准确而且方便。 第 13 页 共 40 页 以下是几种常用的集成仪表放大器 [22][23],其主要参数如表 31 表 31 三种集成医用放大器参数 器件 输入失调电压 输入偏置电流 输入失调电流 输入噪声 AD620 50uV 13 INA128 125nV 10 OPA131 1mV 50pA 50pA 21 脉搏信号是在强噪声下的微弱信号，它对前置放大器的共模抑制比，输入阻抗，输入噪声，输入失调电压有较严格的要求，由表 31 知 AD620 是最为理想的。 AD620 参数如表 32 所示。 表 32 AD620 参数表 项目 规格 备注 增益范围 1～ 1000 只需一个电阻 就可以设定 电源供应范围 ~ 18V 低耗电量 最大供应电流 = 可用电池供电， 方便 运用于便携式器材 精确度高 40ppm 的最大非线性度； 最大偏置电压为 50181。 V ； 最大漂移电压 ℃ 低讯号 1khz 时低输入噪声 9nV/Hz 使用场合 ECG 量测量与用以器材、压力测量 ,V/I 转换 资料拾取系统等 AD620 的芯片引脚如图 所示 第 14 页 共 40 页 x KG 图 AD620 芯片引脚图 其中增益为。