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基于单片机的脉搏计.doc
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目 录
1 引言 ...........................................................................................................................2
1.1 目的和意义 .......................................................................................................2
1.2 研究概况及发展趋势综述 ...............................................................................3
1.3 本系统主要研究内容 .......................................................................................4
2. 总体方案论证与设计 .................................................................................................5
2.1 主控模块的选型和论证 ....................................................................................5
2.2 显示模块的选型和论证 ....................................................................................5
2.3 传感器的选型和论证 ........................................................................................5
2.4 时钟芯片的选型和论证 ....................................................................................6
2.5 系统整体设计概述 ............................................................................................6
3.系统硬件电路设计 .......................................................................................................7
3.1 主控模块 ............................................................................................................7
3.1.1 STC89C52 单片机主要特性 ..................................................................7
3.1.2 STC89C52 单片机的中断系统 ............................................................10
3.1.3 单片机最小系统设计 ..........................................................................10
3.2 LCD 液晶显示器简介 .....................................................................................10
3.2.1 液晶原理介绍 ......................................................................................10
3.2.2 液晶模块简介 .......................................................................................11
3.2.3 液晶显示部分与 STC89C52 的接口 ...................................................12
3.3 键盘模块设计 ..................................................................................................12
3.4 蜂鸣器模块设计 ..............................................................................................13
3.5 信号采集电路设计 ..........................................................................................13
3.5.1 传感器简介 ........................................................................................13
3.5.2 放大电路 ............................................................................................14
3.5.3 整形电路 ............................................................................................14
3.5 时钟模块的设计 ..............................................................................................14
3.5.1 DS1302 概述 .........................................................................................15
3.5.2 DS1302 内部 RTC 和 RAM 地址分配 ..............................................17
3.5.3 DS1302 时钟电路设计 .........................................................................19
4.系统软件设计 .............................................................................................................21
4.1 系统软件总体设计 ..........................................................................................21
4.2 程序设计原理 ..................................................................................................22
5.系统调试 .....................................................................................................................23
5.1 硬件调试 ..........................................................................................................23
5.2 软件调试 ..........................................................................................................23
5.3 调试结果 ..........................................................................................................23
6.结论 .............................................................................................................................24
附录 ................................................................................................................................26
系统整体原理图 ............................................................................................................26
元件清单 ........................................................................................................................26
系统源程序 ....................................................................................................................28
2
基于单片机的脉搏计
摘要:人体脉象中富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息。而脉搏的
病理生理性改变常引发各种心血管事件,脉搏生理性能的改变可以先于疾病临床
症状出现,通过对脉搏的检测可以对如高血压和糖尿病等引起的血管病变进行评
估。同时脉搏测量还为血压测量,血流测量及其他某些生理检测技术提供了一种
生理参考信号。
本文主要介绍了数字式脉搏计的具体实现方法,利用红外传感器产生脉冲信
号,经过放大整形后,输入单片机内进行相应的控制,从而测量出一分钟内的脉
搏跳动次数,快捷方便。通过观测脉搏信号,可以对人体的健康进行检查, 通常
被用于保健中心和医院。
系统可以供用户测量当时的脉搏次数,同时还可以设定上限次数和下限次数,
当测量的范围超过设定的范围则驱动蜂鸣器报警提醒,除此外用户还可以设定每
天闹钟提醒测量,时间可以自行设定.
系统主控芯片采用 STC89C52,可以把采集到的脉搏信号显示在 LCD1602 上。
关键词:STC89C52,独立键盘,LCD 显示管,红外传感器。
1 引言
1.1 目的和意义
脉搏是由心脏搏动而引起, 经动脉和血流传至远端的桡动脉处, 它携带有丰
富的人体健康状况信息。早在公元前 7 世纪脉诊就成为中医的一项独特诊病方法。
但自古以来中医独特的诊断方法及治病的疗效总是笼罩着一层神秘的面纱。中医
一直是靠手指获取脉搏信息, 这难免存在许多主观臆断因素, 况且这种用手指切脉
的技巧很难掌握,因此人们迫切期望尽早实现脉诊的科学化和现代化。随着传感器
技术及计算机处理技术的发展,人们希望能够将现代技术应用于中医脉象诊断,
以便更科学、更客观地揭示脉象的实质与特征。另一方面从西医的角度看,近年来
人们也试图根据脉搏波的变异性来评价和诊断人体心血管系统的病变,以便能找
到一个有效的心血管疾病早期无创诊断的方法。因此,对脉搏信号进行无失真的检
测、采集和处理是一项重要而很有意义的基础工作,它是对脉搏信号进一步分析并
依此对心脏及动脉血管系统疾病进行预报和诊断的前提。本论文的研究主要是基
于这方面来进行的,,从客观、物理的角度来诠释人体脉搏系统。
心率(Heart Rate):用来描述心动周期的专业术语,是指心脏每分钟跳动的
次数,以第一声音为准。在正常情况下,脉率和心率是一致的。正常成年人安静时
的心率有显著的个体差异,平均在 75 次/分左右(60—100 次/分之间)。初生儿的
心率很快,可达 130 次/分以上。在成年人中,女性的心率一般比男性稍快。健康
成人的心率为 60~100 次/分,大多数为 60~80 次/分,女性稍快;3 岁以下的小
儿常在 100 次/分以上;老年人偏慢。成人每分钟心率超过 100 次(一般不超过 160
次/分)或婴幼儿超过 150 次/分者,称为窦性心动过速。如果心率在 160~220 次
/分,常称为阵发性心动过速。心率低于 60 次/分者(一般在 40 次/分以上),称
为窦性心动过缓。如心率低于 40 次/分,应考虑有房室传导阻滞。心率过快超过 160
次/分,或低于 40 次/分,大多见于心脏病病人,病人常有心悸、胸闷、心前区不
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适,应及早进行详细检查,以便针对病因进行治疗。对某些阵发性心率过速或过
缓,往往在就医时测试出心率正常,以至使医生无法确诊,所以我们设计出这种
可以随时进行心率测量的心率计,不仅可以随时地监测一个人的健康状况,而且
为医生对这种病症的确诊提供证据。
人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张,使血流压力以波的
形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播,这种波称为脉搏波。脉搏波所呈现
出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息,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。
传统的脉搏测量采用脉诊方式,中医脉象诊断技术就是脉搏测量在中医上卓
有成效的应用,但是受人为的影响因素较大,测量精度不高。无创测量
(NoninvasiveMeas2urements)又称非侵入式测量或间接测量,其重要特征是测
量的探测部分不侵入机体,不造成机体创伤,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。
生物医学传感器获取生物信息并将其转换成易于测量和处理信号的一个关键器件。
光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器,通过对手指末端透光度
的监测,间接检测出脉搏信号。光电式脉搏传感器具有结构简单、无损伤、可重复
好等优点,本文讨论的就是基于光电式脉搏传感器的设计和具体实现。
1.2 研究概况及发展趋势综述
脉搏系统和脉搏信息的研究包括两大方面: 一是理论分析与计算(即建模方
面);二是信号检测与分析。从发表的文献来看, 国外在前一方面做了大量的研究,
也早于国内学者; 而国内在后一方面的研究多于国外。对脉搏信号的分析主要包
括以下方面:
(1)脉搏信号检测与提取
用脉搏记录仪器描绘脉搏波图像已有百余年的历史。1860 年法国人研制了杠
杆脉搏描记器,成为现代脉象描记的基础。脉象仪的总体构成包括脉象信号检测,
信号预处理和信号分析三个环节。我国医务界约从 50 年代初就开始了用西方传来
的脉搏描记技术,使脉象图形化。近十多年来,已经研制出了许多性能各异的脉
象仪,各类脉搏描记器最关键和差异较大的部分就是脉象传感器的研制。从测量
原理上讲,脉象传感器可分为机械式、压电式、光电容式等多种。
(2)脉搏信号处理与特征提取
目标信号检测的关键是提取信号的特征。在实际中,目标信号总是淹没在大量的
杂波或干扰中,而且目标信号的幅值或功率较杂波或干扰信号可能还低得多,这就
需要进行有效的信号处理。
时域分析法:目前国内对脉象信号的特征提取方法,多数采用时域分析法,即在时
间方向上分析波动信号的动态特征,通过对主波、重搏前波、重搏波的高度、比值、
时值、夹角、面积值的参量分析,找出某些特征与脉象变化的内在联系。时域分析
法包括直观形态法、多因素识脉法、脉象速率图法、脉图面积法。直观形态法。
频域分析法:频域分析主要是通过离散快速傅里叶变换,将时域的脉搏波曲线变换
到频域,得到相应的脉搏频谱曲线,通过频谱曲线的特征分析,从中提取与人体生
理病理相应的信息,实现脉象分类。与时域分析不同, 脉搏信号的频域特征可分辨
性好, 因此 80 年代以来国内外一些学者开始在频域内对脉搏信号进行分析, 初步
取得了有意义的结果。这种从频域和能量的角度来分析脉搏信号的思想是十分正
确的。我们从能量角度研究了几种不同疾病脉搏信号的特征频域特征和差异, 利
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用频域分析的延伸技术——倒谱与同态解卷,首次估计出了人体脉搏系统的传递
函数, 分析了脉搏系统的频率特性。
时频联合分析法:是把一维信号或系统表示成一个时间和频率的二维函数,时频平
面能描述出各个时刻的谱成分。常用的时频表示方法有短时傅立叶变换和小波变
换(WT) 。
短时傅立叶变换(STFT)方法:是一种广义情形,是一种线性时频表示方法,它依赖
于被分析信号的线性特性,即信号的频谱与在数据中提供正弦成分的幅度成线性
比例。其最主要的优点是容易实现、计算简洁有效,而它主要的缺陷是时间和频率
分辨率在整个时频平面上固定不变。另外的限制是对一个特殊的信号,需要一个特
殊的窗才能得到最佳分辨率。
小波变换(WT):是另外一种重要的线性时频表示,它在时频平面上具有可变的时
间和频率分辨率,把 FT 中的正弦基函数修改成在整个时频平面上具有可变时频分
辨率的基函数,使得它在高频区域能够提供高的时间分辨率,而在低频区域能够提
供高的频率分辨率。小波变换这种独特的能力使其成为分析脉搏这种非平稳信号
的有力工具。在目前已知的小波函数中,复值调制的 Gaussian 函数是使用最高的
小波之一。
1.3 本系统主要研究内容
本系统设计制作一个基于单片机的脉搏计。能实现以下几种功能:
(1)键盘扫描,通过单片机检测用户按下的是哪个按键并执行相应的功能。
(2)通过红外传感器把信号提取并通过滤波放大把信号整形成方波给单片机
计算一分钟内的脉搏次数。
(3)用户可以设置脉搏次数的上限和下限,超过上限或上限单片机会驱动蜂
鸣器发响。
(4)用户可以设置闹钟时间用来提醒用户定时测量脉搏次数。
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2. 总体方案论证与设计
根据所要实现的功能划分,系统一共需要以下几个模块:主控模块、显示模
块、信号采集电路,以下就针对这几个模块的选型和论证进行讨论。
2.1 主控模块的选型和论证
方案一:
采用 MSP430 系列单片机,该单片机是 TI 公司 1996 年开始推向市场的一种
16 位超低功耗的混合信号处理器。其内部集成了很多模拟电路、数字电路和微处
理器,提供强大的功能。不过该芯片昂贵不适合一般的设计开发。
方案二
采用 51 系列的单片机,该单片机是一个高可靠性,超低价,无法解密,高性
能的 8 位单片机,32 个 IO 口,且 STC 系列的单片机可以在线编程、调试,方便
地实现程序的下载与整机的调试。
因此选用方案二中的 51 系列单片机作为主控芯片。
2.2 显示模块的选型和论证
方案一:
采用点阵式数码管显示,点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成,对
于显示文字比较合适,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以
不用此种作为显示。
方案二:
采用 LED 数码管动态扫描,LED 数码管价格虽适中,对于显示数字也最合适,
而且采用动态扫描法与单片机连接时,占用单片机口线少。但是由于数码管动态
扫描需要借助 74LS164 移位寄存器进行移位,该芯片在电路调试时往往有很多障
碍,所以不采用 LED 数码管作为显示。
方案三:
采用 LCD 液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,
显示多样,清晰可见,对于本设计而言一个 LCD1602 的液晶屏即可,价格也还能
接受,需要的借口线较多,但会给调试带来诸多方便。
所以本设计中方案三中的 LCD1602 液显示屏作为显示模块。
2.3 传感器的选型和论证
方案一:
采用压电传感器用来提取人的脉搏信号,压电传感器是利用某些电介质受力
后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向
的外力作用而发生形变(包括弯曲和伸缩形变)时,由于内部电荷的极化现象,
会在其表面产生电荷的现象。通过此现象可以提取出人的脉搏信号。
方案二:
采用光电传感器提取人体脉搏信号,授予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,那么在恒定波长的光源的照射下,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。
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