基于单片机的智能脉搏测试仪设计毕业论文

基于单片机的智能脉搏测试仪设计毕业论文内容摘要：

端。 XTAL2： 振荡器反相放大器的输出端。 脉搏信号采集 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 ,具有结构简单、无损伤、精度高、可重复好等优点。 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。 8 光电传感器的原理 根据朗伯一比尔 (Lamber— Beer)定律，物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比。 当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织吸收、反射衰减后，测量到的光强将在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。 脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的，在人体指尖组织中的动脉成分含量高，而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄，透过手指后检测到的光强相对较大，因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。 手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织，其中非血液组织的光吸收量是恒定的，而在血液中，静脉血的搏动相对于动脉血 是十分微弱的，可以忽略。 因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的，那么在恒定波长的光源照射下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号。 光电传感器的结构 传感器由红外发光二级管和红外接收三极管组成。 采用 GaAs 红外发光二极管作为光源时，可基本抑制由呼吸运动造成的脉搏波曲线的漂移。 红外接收三极管在红外光的照射下能产生电能，它的特性是将光信号转换为电信号。 在本设计中，红外接收三极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。 从光源发出的光除被手指组织吸收以外，一部分由血 液漫反射返回，其余部分透射出来。 光电式脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射式和反射式 2 种。 其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置，接收的是透射光，这种方法可较好地反映出心律的时间关系。 因此本系统采用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 所示。 图 透射式光电传感器 光电传感器检测原理 9 检测原理是 : 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，组织半透明度则增大；这 种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。 因此本设计将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的手指部位，经过手指组织的反射和衰减由装在该部位旁边的光敏三管来接收其透射光并把它转换成电信号。 由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的反射和衰减也是周期性脉动的 , 于是红外接收三极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。 故只要把此电信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示，即可实时的测出脉搏的次数。 信号采集电路 图 是脉搏信号的采集电路， U3 是红外发射和接收装置，由于红外 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，所以对 R21 阻值的选取要求较高。 R21 选择 270Ω 同时也是基于红外接收三极管感应红外光灵敏度考虑的。 R21 过大，通过红外发射二极管的电流偏小，红外接收三极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。 反之， R21 过小，通过的电流偏大，红外接收三极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。 当手指离开传感器或检测到较强的干扰光线时，输入端的直流电压会出现很大变化，为了使它不致泄露到 U2B 输入端而造成错误指示，用 C C9 串联组成的双极性耦合电容把它隔断。 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，但是由于红外接收三极管中存在暗电流，会造成输出电压略低。 二是有脉期。 当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收三极管中的暗电流减小，输出电压上升。 但该传感器输出信号的频率很低，如当脉搏只有为 50 次 /分钟时，只有 ， 200 次 /分钟时也只有 ，因此信号首先经 R2 C10 滤波以滤除高频干扰，再由耦合电容 C C9 加到线性放大输入端。 10 图 信号采集电路 信号放大 整形 脉搏信号介绍 由于光电传感器所输出的信号波源强度比较弱，且为类似于正弦波波形，如图 所示，所以对信号进行放大整形处理，使其以较强方波形式输出。 图 脉搏仿真信号正弦波 放大整形电路 11 图 放大整形电路 图 为正弦信号通过放大整形电路之后得到的方型波。 图 整形后的方波 图 为脉搏信号在放大整形前后的对比。 图 脉搏信号对比 12 单片机处理电路 如图 ，本部分运用了 ATMEL公司的 89C51单片机作为核心元件，在这里运用单片机能更快更准确地对数据进行运算 ，而且可以根据实际情况进行 编程，所用外围元件少，轻巧省电，故障率低。 来自传感和整形输出电路的脉冲电平输入单片机 89C51 的 引脚 ，单片机设为 下降沿 中断触发模式，故每次脉冲下降沿到达时触发单片机产生中断并进行计时，来一个脉冲脉搏次数就加一；定时器中断主要完成 十秒钟 的定时功能。 单片机对 十秒钟 内的脉冲次数进行累加 并进行计算得出所测人一分钟的脉搏次数 ，通过 P0、 P1 口把测量过程和结果送到 液晶 显示出来。 图 单片机处理电路 显示电路 LCD 的综述 13 显示部分采用 SMC 1602 液晶屏进行数据显示，其主要技术参数为： 表 2 液晶屏技术指标 接口信号说明如表 3 所示。 表 3 液晶屏接口信号说明 14 图 数码管显示电路 LM358 介绍 LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的 双运算放大器 ，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。 它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其 他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 内部频率补偿 直流电压增益高 (约 100dB) 单位增益频带宽 (约 1MHz) 电源电压范围宽：单电源 (3— 30V) 双电源 (177。 一177。 15V) 低功耗电流，适合于 电池 供电 低输入偏流 15 低输入失调电压和失调电流 共模输入电压范围宽，包括接地 差模输入电压范围宽，等于 电源 电 压范围 输出电压摆幅大 (0 至 ) 脉搏测量仪电路原理图 16 图 电路原理图 4 软件系统 主程序流程： 系统主程序控制单片机系统按预定的操作方式运行 , 它是单片机系统程序的框架。 系统上电后 ,对系统进行初始化。 初始化程序主要完成对单片机内专用寄存器、定时器工作方式及各端口的工作状态的设定。 系统初始化之后 , 进行定时器中断、外部中断、显示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序。 流程如 17 图 所示。 图 主程序流程图 定时器中断程序流程： 定时器中断服务程序由 十秒钟 钟计时、按键检测、有无测试信号判断等部分组成。 当定时器中断开始执行后，对 十秒 钟开始计时， 50ms 计时到之后继续检测下 50ms，直到 10s 到了再停止并保存测得的脉搏次数。 同时可以对按键进行检测，只要复位测试值就可以重新开始测试。 主要完成一分钟的定时功能和保存测得的脉搏次数。 流程如图 所示。 开始 初始化 外部中断计数 显示程序 18 图 定时器中断程序流程图 INT 中断 程序流程： 外部中断服务程序完成对外部信号的测量和计算。 外部中断采用边沿触发的定时器 0 中断进入 定时器初始值设置 到 1S。 到 10S。 处于检测。 保存脉搏数 返回 继续计时 按键检测 N N Y Y Y 19 方式，当处于测量状态的时候，来一个脉冲脉搏次数就加一，由单片机内部定时器控制 十秒 钟， 并通过计算 得出一分钟内的脉搏次数。 流程如图 所示。 图 INT 中断程序流程图 显示程序流程： 显示程序包括显示上次的脉搏次数、本次测量中的时间和脉搏的次数。 从中断程序中取得结果后，先显示上次的脉搏次数，经过 10ms 的延时后再显示测试中的脉搏次数，再经过 10ms 的延时 显示测试中的时间。 流程如图 所示。 外部中断 0 进入 处于检测。 脉搏数 +1 返回 等待按键按下 Y 20 图 显示程序流程图 软件说明 本程序采用 C 语言，程序的可读性非常好。 程序中对前一次测量的脉搏数据进行了自动保存，并且用数码显示。 程序在执行过程若发现有干扰则忽略该干扰而不显示，进一步减少读入数据的误差。 显示子程序 取结果 延时 显示测试中的脉搏次数 延时 返回 21 5 抗干扰措施及使用方法 抗干扰措施 为了提高测量仪的精确度，系统首先要解决的是硬件方面的干扰问题。 光电式脉搏测量仪的测量过程中，前端测量到的 脉搏信号十分微弱，容易受到外界环境干扰，其中主要的干扰源有测量环境光干扰、电磁干扰、测量运动噪声。 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 22 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。