基于51單片機的脈搏測量儀設計

基于單片機的脈搏測量儀設計

摘要： 脈搏測量儀在我們的日常生活中已經(jīng)得到了非常廣泛的應用,通過觀測脈搏信號，可以對人體的健康進行檢查，通常被用于保健中心和醫(yī)院。為了提高脈搏測量儀的簡便性和精確度，本課題設計了一種基于51單片機的脈搏測量儀。系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，以光電傳感器利用單片機系統(tǒng)內(nèi)部定時器來計算時間，由光電傳感器感應產(chǎn)生信號，單片機通過對信號累加得到脈搏跳動次數(shù)，時間由定時器定時而得。系統(tǒng)運行中可以通過觀察指示燈閃爍，若均勻閃爍說明測量值準確。系統(tǒng)停止運行時，能夠顯示總的脈搏次數(shù)和時間。經(jīng)測試，系統(tǒng)工作正常，達到設計要求。

本設計利用紅外光電傳感器產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過放大整形后，輸入單片機內(nèi)進行相應的控制，從而測量出一分鐘內(nèi)的脈搏跳動次數(shù)，快捷方便。系統(tǒng)可以供用戶測量當時的脈搏次數(shù)，同時還可以設定上限次數(shù)和下限次數(shù)，當測量的范圍超過設定的范圍則驅動蜂鳴器報警提醒，除此外用戶還可以設定每天鬧鐘提醒測量，時間可以自行設定，結果最終可以把采集到的脈搏信號顯示在數(shù)碼管上。

關鍵詞：STC89C52；脈搏測量儀；LCD顯示器；光電傳感器

Design of pulse?measuring instrument based on single chip

Abstract：Pulse measurement apparatus has been widely used in our daily life. In order to improve the measurement apparatus is simple and accuracy, this paper designs a pulse measuring instrument based on 51 single chip microcomputer. System to STC89C52 microcontroller as the core, with photoelectric sensor, and calculates the internal timer SCM system, the signal from the photoelectric sensor, microcontroller based on the accumulated pulse beat frequency signal, by the time the timer. In the running of the system can be observed through the indicator lights out, if even flicker that accurate measuring value. The system stops running, can display the total pulse number and time. After testing, the system works normally, meet the design requirements.

The design of the infrared photoelectric sensor generates a pulse signal, after plastic surgery to enlarge, the input of SCM within the corresponding control, which measured within a minute of the pulse beat frequency, fast and convenient. Through observing the pulse signal, can check the health of the body, usually used for health centres and hospitals. The system can be used for measuring the pulse number of users, but also can set the upper limit of the number of times and, when the range of the measurement range over the set of drive buzzer alarm, but users can also set the alarm clock to remind the daily measurement, time can be set, the results were finally able to pulse signal acquisition to display on the 數(shù)碼管.occurring.

Keywords：STC89C52; photosensor; LCD display; Pulse measuring instrument

引 言

脈搏測量在有脈搏時遮擋光線，無脈搏時透光強，所采用的傳感器是紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管。通過觀測脈搏信號，可以對人體的健康進行檢查，通常被用于保健中心和醫(yī)院。系統(tǒng)可以供用戶測量當時的脈搏次數(shù)，同時還可以設定上限次數(shù)和下限次數(shù)，當測量的范圍超過設定的范圍則驅動蜂鳴器報警提醒，除此外用戶還可以設定每天鬧鐘提醒測量，時間可以自行設定[1]。

從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學界的重視。系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，以光電傳感器利用單片機系統(tǒng)內(nèi)部定時器來計算時間，由光電傳感器感應產(chǎn)生信號，單片機通過對信號累加得到脈搏跳動次數(shù)，時間由定時器定時而得。系統(tǒng)運行中可以通過觀察指示燈閃爍，若均勻閃爍說明測量值準確。幾乎世界上所有的民族都用過“摸脈”作為診斷疾病的手段。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征,但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號, 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號, 必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求。

第一章 概述

1.1 選題的背景和意義

脈搏攜帶有豐富的人體健康狀況的信息，自公元三世紀我國最早的脈學專著《脈經(jīng)》問世以來，脈學理論得到不斷的發(fā)展和提高。在中醫(yī)四診（望、聞、問、切）中，脈診占有非常重要的位置。脈診是我國傳統(tǒng)醫(yī)學中最具特色的一項診斷方法，其歷史悠久，內(nèi)容豐富，是中醫(yī)“整體觀念”、“辨證論證”的基本精神的體現(xiàn)與應用。脈診作為“綠色無創(chuàng)”診斷的手段和方法，得到了中外人士的關注。但由于中醫(yī)是靠手指獲取脈搏信息，雖然脈診具有簡便、無創(chuàng)、無痛的特點易為患者接受，然而在長期的醫(yī)療實踐中也暴露出一些缺陷。首先，切脈單憑醫(yī)生手指感覺辨別脈象的特征，受到感覺、經(jīng)驗和表述的限制，并且難免存在許多主觀臆斷因素，影響了對脈象判斷的規(guī)范化；其次，這種用手指切脈的技巧很難掌握；再則，感知的脈象無法記錄和保存影響了對脈象機理的研究。脈診的這種定性化和主觀性，大大影響了其精度與可行性，成為中醫(yī)脈診應用、發(fā)展和交流中的制約因素。為了將傳統(tǒng)的中醫(yī)藥學發(fā)揚光大，促進脈診的應用和發(fā)展，必須與現(xiàn)代科技相結合，實現(xiàn)更科學、客觀的診斷[1]。

醫(yī)院的護士每天都要給住院的病人把脈記錄病人每分鐘脈搏數(shù)，方法是用手按在病人腕部的動脈上，根據(jù)脈搏的跳動進行計數(shù)。為了節(jié)省時間，一般不會作1分鐘的測量，通常是測量10秒鐘時間內(nèi)心跳的數(shù)，再把結果乘以6即得到每分鐘的心跳數(shù)，即使這樣做還是比較費時，而且精度也不高。為了提高脈搏測量的精確與速度，多種脈搏測量儀被運用到醫(yī)學上來，從而開辟了一條全新的醫(yī)學診斷方法。

早在1860年Vierordt 創(chuàng)建了第一臺杠桿式脈搏描記儀，國內(nèi)20世紀50年代初朱顏將脈搏儀引用到中醫(yī)脈診的客觀化研究方面。此后隨著機械及電子技術的發(fā)展，國內(nèi)外在研制中醫(yī)脈象儀方面進展很快，尤其是70年代中期，國內(nèi)天津、上海、江西等地相繼成立了跨學科的脈象研究協(xié)作組，多學科共同合作促使中醫(yī)脈象研究工作進入了一個新的境界。脈象探頭式樣很多，有單部、三部、單點、多點、剛性接觸式、軟性接觸式、氣壓式、硅杯式、液態(tài)汞、液態(tài)水、子母式等組成,脈象探頭的主要原件有應變片、壓電晶體、單晶硅、光敏元件、PVDF壓電薄膜等，其中以單部單點應變片式為最廣泛，不過近年來正在向三部多點式方向設計[2]。

目前脈搏測量儀在多個領域被廣泛應用，除了應用于醫(yī)學領域，如無創(chuàng)心血管功能檢測、妊高癥檢測、中醫(yī)脈象、脈率檢測等等，商業(yè)應用也不斷拓展，如運動、健身器材中的心率測試都用到了技術先進的脈搏測量儀。

1.2 脈搏測量儀的發(fā)展與應用

隨著科學技術的發(fā)展，脈搏測量技術也越來越先進，對脈搏的測量精度也越來越高，國內(nèi)外先后研制了不同類型的脈搏測量儀，而其中關鍵是對脈搏傳感器的研究。起初用于體育測量的脈搏測試集中在對接觸式傳感器的研究，利用此類傳感器所研制的指脈、耳脈等測量儀各有其優(yōu)缺點。指脈測量比較方便、簡單，但因為手指上的汗腺較多，指夾常年使用，污染可能會使測量靈敏度下降：耳脈測量比較干凈，傳感器使用環(huán)境污染少，容易維護。但因耳脈較弱，尤其是當季節(jié)變化時，所測信號受環(huán)境溫度影響明顯，造成測量結果不準確。過去在醫(yī)院臨床監(jiān)護和日常中老年保健中出現(xiàn)的日常監(jiān)護儀器，如便攜式電子血壓計，可以完成脈搏的測量,但是這種便攜式電子血壓計利用微型氣泵加壓橡膠氣囊，每次測量都需要一個加壓和減壓的過程，存在體積龐大、加減壓過程會有不適、脈搏檢測的精確度低等缺點。

近年來國內(nèi)外致力于開發(fā)無創(chuàng)非接觸式的傳感器，這類傳感器的重要特征是測量的探測部分不侵入機體，不造成機體創(chuàng)傷，能夠自動消除儀表自身系統(tǒng)的誤差，測量精度高，通常在體外，尤其是在體表間接測量人體的生理和生化參數(shù)。

其中光電式脈搏傳感器是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器，通過對手指末端透光度的監(jiān)測，間接檢測出脈搏信號。具有結構簡單、無損傷、精度高、可重復使用等優(yōu)點。通過光電式脈搏傳感器所研制的脈搏測量儀已經(jīng)應用到臨床醫(yī)學等各個方面并收到了理想效果。

人體心室周期性的收縮和舒張導致主動脈的收縮和舒張，是血流壓力以波的形式從主動脈根部開始沿著整個動脈系統(tǒng)傳播，這種波成為脈搏波。從脈搏波中提取人體的心理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學界的重視。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征,因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學價值和應用前景。但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號, 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號,因此必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求。

第二章 總體方案的論證與設計

2.1主控模塊的選型和論證

方案一：

采用MSP430系列單片機，該單片機是TI公司1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器。其內(nèi)部集成了很多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器，提供強大的功能。不過該芯片昂貴不適合一般的設計開發(fā)[3]。

方案二

采用51系列的單片機，該單片機是一個高可靠性，超低價，無法解密，高性能的8位單片機，32個IO口，且STC系列的單片機可以在線編程、調(diào)試，方便地實現(xiàn)程序的下載與整機的調(diào)試。

因此選用方案二中的51系列單片機作為主控芯片。

2.2顯示模塊的選型和論證

方案一：

采用點陣式數(shù)碼管顯示，點陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對于顯示文字比較合適，如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費，且價格也相對較高，所以不用此種作為顯示。

方案二：

采用LED數(shù)碼管動態(tài)掃描，LED數(shù)碼管價格雖適中，對于顯示數(shù)字也最合適，而且采用動態(tài)掃描法與單片機連接時，占用單片機口線少。

所以本設計中方案二中的數(shù)碼管顯示屏作為顯示模塊。

2.3傳感器的選型和論證

方案一：

采用壓電傳感器用來提取人的脈搏信號，壓電傳感器是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生的壓電效應制成的傳感器。所謂壓電效應是指某些電介質(zhì)在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變（包括彎曲和伸縮形變）時，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，會在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。通過此現(xiàn)象可以提取出人的脈搏信號。

方案二：

采用光電傳感器提取人體脈搏信號，授予手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織，其中非血液組織的光吸收量是恒定的，而在血液中，靜脈血的搏動相對動脈血是十分微弱的，可以忽略，因此可以認為光透過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起，那么在恒定波長的光源的照射下，通過檢測透過手指的光強將可以間接測量到人體的脈搏信號[4]。

由于光電傳感器較壓電傳感器容易在一般的地方可以買得到，因此這里選用光電傳感器來提取人體脈搏信號。

2.5系統(tǒng)整體設計概述

系統(tǒng)總體設計由STC89C52、按鍵、數(shù)碼管、光電傳感器、時鐘模塊、運放等構成，如圖2.1所示，系統(tǒng)設有四個按鍵，可以設置上下限脈搏數(shù)，當超過范圍的時候單片機會驅動蜂鳴器發(fā)響，脈搏測量的時候需要人把手輕輕的按在光電傳感器上面，由于人脈搏跳動的時候，血液的透光性不一樣會導致接收器那邊接收的信號強弱不一樣，間接的把人脈搏信號傳回，通過運放對其進行放大、整形后連接到單片機的IO口，單片機利用外部中斷對其進行計數(shù)，最終換算成人一分鐘脈搏的跳動次數(shù)，最終顯示在數(shù)碼管上。

第三章 系統(tǒng)硬件電路設計

3.1主控模塊

主控模塊模塊在整個系統(tǒng)中起著統(tǒng)籌的作用，需要檢測鍵盤等各種參數(shù)，同時驅動數(shù)碼管顯示相關參數(shù)，在這里我們選用了51系列單片機中的STC89C52單片機作為系統(tǒng)的主控芯片。

51系列單片機最初是由Intel 公司開發(fā)設計的，但后來Intel 公司把51 核的設計方案賣給了幾家大的電子設計生產(chǎn)商，譬如 SST、Philip、Atmel 等大公司。因此市面上出現(xiàn)了各式各樣的均以51 為內(nèi)核的單片機[6]。這些各大電子生產(chǎn)商推出的單片機都兼容51 指令、并在51 的基礎上擴展一些功能而內(nèi)部結構是與51一致的。

STC89C52有40個引腳，4個8位并行I/O口，1個全雙工異步串行口，同時內(nèi)含5個中斷源，2個優(yōu)先級，2個16位定時/計數(shù)器。STC89C52的存儲器系統(tǒng)由4K的程序存儲器(掩膜ROM)，和128B的數(shù)據(jù)存儲器(RAM)組成。

STC89C52單片機的基本組成框圖見圖3.1所示。

圖3.1 STC89C52單片機結構圖

3.1.1 STC89C52單片機主要特性

1. 一個8 位的微處理器(CPU)。

2. 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM(128B)，用以存放可以讀／寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結果、最終結果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等，SST89 系列單片機最多提供1K 的RAM。

3. 片內(nèi)程序存儲器ROM(4KB)，用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。但也有一些單片機內(nèi)部不帶ROM/EPROM，如8031，8032，80C31 等。目前單片機的發(fā)展趨勢是將RAM 和ROM 都集成在單片機里面，這樣既方便了用戶進行設計又提高了系統(tǒng)的抗干擾性。SST 公司推出的89 系列單片機分別集成了16K、32K、64K Flash 存儲器，可供用戶根據(jù)需要選用。

4. 四個8 位并行I／O 接口P0~P3，每個口既可以用作輸入，也可以用作輸出。

5. 兩個定時器／計數(shù)器，每個定時器／計數(shù)器都可以設置成計數(shù)方式，用以對外部事件進行計數(shù)，也可以設置成定時方式，并可以根據(jù)計數(shù)或定時的結果實現(xiàn)計算機控制。為方便設計串行通信，目前的52 系列單片機都會提供3 個16 位定時器/計數(shù)器。

6. 五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在新推出的單片機都不只5 個中斷源，例如SST89E58RD 就有9 個中斷源。

7. 一個全雙工UART(通用異步接收發(fā)送器)的串行I／O 口，用于實現(xiàn)單片機之間或單機與微機之間的串行通信。

8. 片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高允許振蕩頻率為12MHz。SST89V58RD 最高允許振蕩頻率達40MHz，因而大大的提高了指令的執(zhí)行速度。

圖3.2 STC89C52單片機管腳圖

STC89C52單片機管腳如圖3.2所示，部分引腳說明：

1．時鐘電路引腳XTAL1 和XTAL2：

XTAL2(18 腳)：接外部晶體和微調(diào)電容的一端；片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。若需采用外部時鐘電路時，該引腳輸入外部時鐘脈沖。

要檢查振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2 端是否有脈沖信號輸出。

XTAL1(19 腳)：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端；在片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，該引腳必須接地[7]。

2．控制信號引腳RST,ALE,PSEN 和EA：

RST/VPD(9 腳)：RST 是復位信號輸入端，高電平有效。當此輸入端保持備用電源的輸入端。當主電源Vcc 發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時，將＋5V 電源自動兩個機器周期(24個時鐘振蕩周期)的高電平時，就可以完成復位操作。RST 引腳的第二功能是VPD,即接入RST 端，為RAM 提供備用電源，以保證存儲在RAM 中的信息不丟失，從而合復位后能繼續(xù)正常運行。

ALE/PROG(30 腳)：地址鎖存允許信號端。當8051 上電正常工作后，ALE 引腳不斷向外輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率fOSC 的1/6。CPU 訪問片外存儲器時，ALE 輸出信號作為鎖存低8 位地址的控制信號。

平時不訪問片外存儲器時，ALE 端也以振蕩頻率的1/6 固定輸出正脈沖，因而ALE 信號可以用作對外輸出時鐘或定時信號。如果想確定8051/8031 芯片的好壞，可用示波器查看ALE端是否有脈沖信號輸出。如有脈沖信號輸出，則8051/8031 基本上是好的。

ALE 端的負載驅動能力為8 個LS 型TTL(低功耗甚高速TTL)負載。

此引腳的第二功能PROG 在對片內(nèi)帶有4KB EPROM 的8751 編程寫入(固化程序)時，作為編程脈沖輸入端。

PSEN(29 腳)：程序存儲允許輸出信號端。在訪問片外程序存儲器時，此端定時輸出負脈沖作為讀片外存儲器的選通信號。此引肢接EPROM 的OE 端(見后面幾章任何一個小系統(tǒng)硬件圖)。PSEN 端有效，即允許讀出EPROM／ROM 中的指令碼。PSEN 端同樣可驅動8 個LS 型TTL 負載。要檢查一個8051/8031 小系統(tǒng)上電后CPU 能否正常到EPROM／ROM 中讀取指令碼，也可用示波器看PSEN 端有無脈沖輸出。如有則說明基本上工作正常。

EA/Vpp(31 腳)：外部程序存儲器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。當EA 引腳接高電平時，CPU只訪問片內(nèi)EPROM/ROM并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令，但當PC(程序計數(shù)器)的值超過0FFFH(對8751/8051 為4K)時，將自動轉去執(zhí)行片外程序存儲器內(nèi)的程序。當輸入信號EA 引腳接低電平(接地)時，CPU 只訪問外部EPROM/ROM 并執(zhí)行外部程序存儲器中的指令，而不管是否有片內(nèi)程序存儲器。對于無片內(nèi)ROM 的8031 或8032,需外擴EPROM，此時必須將EA 引腳接地。此引腳的第二功能是Vpp 是對8751 片內(nèi)EPROM固化編程時，作為施加較高編程電壓(一般12V～21V)的輸入端[8]。

3．輸入/輸出端口P0/P1/P2/P3：

P0口(P0.0～P0.7，39~32 腳)：P0口是一個漏極開路的8 位準雙向I/O口。作為漏極開路的輸出端口，每位能驅動8 個LS 型TTL 負載。當P0 口作為輸入口使用時，應先向口鎖存器(地址80H)寫入全1,此時P0 口的全部引腳浮空，可作為高阻抗輸入。作輸入口使用時要先寫1,這就是準雙向口的含義。在CPU 訪問片外存儲器時，P0口分時提供低8 位地址和8 位數(shù)據(jù)的復用總線。在此期間，P0口內(nèi)部上拉電阻有效。

P1口(P1.0～P1.7，1~8 腳)：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位準雙向I/O口。P1口每位能驅動4 個LS 型TTL 負載。在P1口作為輸入口使用時，應先向P1口鎖存地址(90H)寫入全1,此時P1口引腳由內(nèi)部上拉電阻拉成高電平。

P2口(P2.0～P2.7，21~28 腳)：P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位準雙向I/O口。P口每位能驅動4個LS 型TTL 負載。在訪問片外EPROM/RAM 時，它輸出高8 位地址。

資料包括：

目 錄

摘要.............................................................................................................................. I
Abstract...................................................................................................................... II
引言............................................................................................................................. 1
第一章 概述............................................................................................................ 2
1.1 選題的背景和意義 ........................................................................................... 2
1.2 脈搏測量儀的發(fā)展與應用 ............................................................................... 3
第二章 總體方案的論證與設計...................................................................... 5
2.1主控模塊的選型和論證 .................................................................................... 5
2.2顯示模塊的選型和論證 .................................................................................... 5
2.3傳感器的選型和論證 ........................................................................................ 5
2.4系統(tǒng)整體設計概述 ............................................................................................ 6
第三章 系統(tǒng)硬件電路設計................................................................................ 8
3.1主控模塊 ............................................................................................................ 8
3.1.1 STC89C52單片機主要特性 .......................................................................... 8
3.1.2 STC89C52單片機的中斷系統(tǒng) .................................................................... 12
3.1.3單片機最小系統(tǒng)設計 ................................................................................... 12
3.2顯示模塊電路 .................................................................................................. 12
3.3信號采集電路設計 .......................................................................................... 16
3.3.1傳感器簡介 ................................................................................................... 16
3.3.2濾波電路 ....................................................................................................... 17
3.3.3放大整形電路 ............................................................................................... 17
第四章 系統(tǒng)軟件設計....................................................................................... 17
4.1系統(tǒng)軟件總體設計 .......................................................................................... 17
4.2程序設計原理 .................................................................................................. 19
第五章 系統(tǒng)調(diào)試................................................................................................ 21
5.1軟件調(diào)試 .......................................................................................................... 21
5.2硬件調(diào)試 .......................................................................................................... 21
5.3調(diào)試結果 .......................................................................................................... 22
5.4誤差分析 .......................................................................................................... 22
結論........................................................................................................................... 24
致謝........................................................................................................................... 25
參考文獻................................................................................................................. 26
附錄........................................................................................................................... 27