便携式脉搏测量仪的设计文档格式.docx
- 文档编号:16454431
- 上传时间:2022-11-23
- 格式:DOCX
- 页数:34
- 大小:196.16KB
便携式脉搏测量仪的设计文档格式.docx
《便携式脉搏测量仪的设计文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《便携式脉搏测量仪的设计文档格式.docx(34页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
脉搏传感器;
ABSTRACT
Theshape,intensity,speed,andrhythmofpulsesignalsreflectthephysicalandpathologicalcharactersofheart-bloodsysteminhumanbodiesmostly.Accordingtothecharacteristicsofthehumanpulsesignals,apulsefluctuationfrequencymeasurementsystemisdesigned.Whenthefingerisputinthedeliverpathoflight,asthesaturationofblooddegreechanges,thestrengthofthelightdeliveredinthepathchanges.Sofirstly,twoinfraredemittingdiodesworkingasapulsesensorarechosentocollectthesignalsofhumanpulse,secondly,anamplificationcircuitandafilterwavecircuittoenlargethesignalareused,thenorthopediccircuitwhichcaninverttheanalogsignalisusedbeforetheamplificationcircuitisusedagainsothatAT89S52singlechipmicrocomputerisabletodealwiththepulsesignalandgetthepulsefluctuationfrequency.Finally,theresultsaredisplayedwithaLCDscreen.Tosavetime,wedonotusuallymeasurethepulseforaminute,wejustmeasureitwithin10seconds,thenmultiplytheresultby6togettheperminute’scountofthepulse.Whenthecountofpulseislessthan50ormorethan120,thebellofthesystemringstogiveawarning.
KeyWords:
Pulsesignalofhumanbody;
singlechipmicrocomputer;
treatmentofsignal;
pulsesensor;
1引言
脉诊在中医“望、闻、问、切”四诊中占很重要的地位,原因有以下几点:
首先,脉诊可以辨别病情。
通过不断总结,归纳出各种脉象。
这种辨脉纲领,便于与临床辨别症状结合起来,使医生能正确地掌握病情。
其次,脉诊可以阐述病机。
病机是指疾病发生发展的原理,说明疾病过程中的阴阳、表里、寒热、虚实属性及其相互关系。
由于脉象随着病机的变化而变化,而且常出现在其他症状之前。
所以,脉诊是辨析病情、推测病机的一个重要内容。
及时观察脉象的动态,就可以掌握疾病的特性及其变化的规律。
最后,脉诊可以指导治疗。
脉诊对明辨病机,确定治疗的方法、选方用药有着举足轻重的作用。
可以防止误诊或误治,避免医疗事故的发生。
通过诊脉判断病情的轻重,观察疗效的好坏,及时接受脉象反馈的信息,随时修正原有的诊疗方案,采取有力的治疗措施,使疾病早日康复。
总之,中医对脉诊是十分重视的,认为通过脉诊可以了解患者脏腑气血的盛衰,可以探测病因、病位、预测疗效等。
从近代医学的角度来看,人体循环系统承担着协调全身各组织的能量代谢,输送氧气、营养物质,运走代谢废物等重要的工作,还承担运送抗体、激素等物质以协调整体的动态平衡。
从整体的角度对疾病进行综合分析,显然循环系统的信息将占很重要的比重;
从整个循环系统来看桡动脉介于大动脉与小动脉之间,由于心脏的舒缩、内脏血容量的变化、血管端点阻抗、管道内脉波的反射、血液的粘滞性、血管壁的粘弹性等因素使脉象携带着有关心脏运动、内脏循环、外周循环等丰富的心血管系统及整体的动态信息。
因此脉诊的临床意义很大,它的机理是急待于我们进行研究的。
千年来,中医一直依靠指面感觉细胞来体会患者桡动脉搏动时所提供的脉信息,在判别脉象的属性方面仅停留在一些形象化的概念上。
临床脉诊时对某一脉象的认识是以医生指下的体会结合该医生对脉象概念的领会来加以鉴别与区分。
由于概念本身较笼统,具体的判别标准又很模糊,内中还掺杂了医生的判别经验及指面感觉等很多主观因素。
因此中医脉象在教学中困难较大,临床脉诊时分歧较多。
为了让中医走向世界,中医脉诊客观化、现代化势在必行,中医脉诊客观化研究是近代中医脉象研究的一个主要方向。
早在1860年Vierord创建了第一台杠杆式脉搏描记仪,国内20世纪50年代初朱颜将脉搏仪引用到中医脉诊的客观化研究方面。
此后随着机械及电子技术的发展,国内外在研制中医脉象仪方面进展很快,尤其是70年代中期,国内天津、上海、贵州、江西、等地相继成立了跨学科的脉象研究协作组,多学科共同合作促使中医脉象研究工作进入了一个新的境界。
以下按脉象仪探头的形式、传感器的特点及研制者作一简单的归纳。
脉象探头式样很多,有单部、三部、单点、多点、刚性接触式、软性接触式、气压式、硅杯式、液态汞、液态水、子母式等组成脉象探头的主要原件有应变片,压电晶体、单晶硅、光敏元件、PVDF压电薄膜等,其中以单部单点应变片式为最广泛,不过近年来正在向三部多点式方向发展。
本文所介绍的脉搏测量仪运用了单片机技术,它使用方便,只需将手指端轻轻放在传感器上,即可实时显示出你的每分钟脉搏次数,特别适合体育训练和外出旅游等场合使用。
采用红外光学检测法,摒弃了不便于运动状态下测量脉搏的听诊器和吸附在人体上的电极等老式测量方法。
利用光电信号来测量脉搏容量的变化。
当血管内血容量变化时,组织对光的吸收程度相对发生变化,利用光电传感器可测出这种变化,该变化反映出血液动脉的基本参数情况。
一般包括频率、幅度、脉搏波形状的改变。
根据郎伯特-比尔定律,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在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。
2系统概述
2.1系统总设计目标
2.1.1实现要求
1、通过测试10秒钟的脉搏次数,计算出60秒内测量出的脉搏次数,并且在LCD液晶屏上显示其数字。
正常人脉搏数为50~120次/min。
若所测得脉搏数为小于50次/min或大于120/min,系统则会进行报警。
2、将脉搏的跳动转换为电压信号,并加以放大整形和滤波。
2.1.2主要完成内容
1、脉搏传感器选择。
脉搏传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式决定了脉搏测量精度,因此其选择对整个设计具有决定性的作用。
2、系统硬件设计。
脉搏传感器出来的信号幅度很低,所以,脉搏传感器出来的信号首先应进行放大。
然后,将脉搏信号通过点烟基准变化电路换为单片机易处理的脉冲信号。
本设计作为一个简单脉搏测量仪,需给出脉搏波动频率,所以还需要单片机微处理及显示系统部分硬件电路。
3、系统软件设计。
本设计需要给出脉搏波动频率,所以需要对单片机进行编程,以实现对脉搏波动频率的测量、计算及显示。
2.2系统总体设计方案
2.2.1系统硬件组成部分
如图2-1的系统方框图所示,该系统有以下6个部分组成。
1、信号采集部分。
将脉搏跳动信号传感器转换为与此相对应的电信号。
2,、信号处理电路部分。
脉搏传感器出来的电信号一般在毫伏级,且不稳定。
要对此进行放大并进行滤波,把周期性脉搏信号变为脉冲信号,便于单片机处理。
3、复位电路部分。
按下开关之后,重新进行10秒钟的测量,并显示其数字。
4、时钟电路部分。
利用单片机的机器周期对此进行延时来实现10秒钟的定时。
5、显示电路部分。
单片机处理得到的脉搏波动频率信息,最后在显示电路中直观地显示出来。
所以,需要选用适合的显示设备及显示电路,来完成对一分钟内脉搏脉搏次数的显示。
6、报警电路部分。
当一分钟的脉搏数小于50或大于120时,启动报警,蜂鸣器发出响声。
图2-1系统硬件方框图
系统总电路图见附录1。
系统总电路图包括传感器部分、信号处理部分、单片机处理部分以及显示部分。
2.2.2脉搏传感器的选择
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部分,其基本功能是将切脉压力和桡动脉搏动压力这样一些物理量(非电量)转换成为便于测量的电量。
脉搏传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式决定了脉搏测量精度,因此其选型对整个设计具有决定性的作用。
目前,采集脉搏信号时所用的传感器[1]主要有:
1、光电脉搏波传感器。
血管不受压力时,血流均匀,反射光也比较均匀,故传感器无脉搏信号输出;
当血管受压血液不流动时,传感器也无输出信号;
只有当血管受到挤压,血管中的血液断续流动时,反射光也随之变化,这时传感器输出脉搏信号,达到了测量脉搏的作用。
这种传感器的特点是结构简单、可靠性高、抗干扰能力强,主要用于测量脉搏的跳动次数。
人体不同部位的脉搏波波形存在差异,光电脉搏波传感器不适合用于提取不同部位的脉搏波信号。
2、力传感器。
其测量原理是,将测力传感器的受力端压在人体桡动脉处,模仿人的指头。
这种方式通常采用压阻式传感器,它具有抗干扰能力强的特点,但由于动脉血管产生的力很小,故量程小,抗冲击力不强。
3、压电膜。
脉搏信号还表现为皮肤振动,因此可以用加速度传感器进行检测,其特点是结构简单、体积小、波形测量精度较高。
本设计中,采用红外发射二极管和接收二极管充当传感器的作用[9]。
其原理是利用光电信号来测量脉搏容量的变化。
检测的基本原理是:
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,组织则半透明度增大。
这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。
因此,本脉搏测量仪将红外发光二极管产生的红外线照射到人体的上述部位,并用装在该部位另一侧或旁边的红外光电管来检测机体组织的透明程度并把它转换成电信号。
由于此信号的频率与人体每分钟的脉搏次数成正比,故只要把它转换成脉沖并进行整形、计数和显示,即可实时地测出脉搏的次数。
2.2.3信号处理电路所用芯片的选择
1、LM324芯片。
LM324是四运放集成电路[2],价格很便宜,但经实验测试,LM324放大的效果却不是很理想,所以,最终没有选LM324芯片。
2、OP07芯片。
OP07是一种高精度单片运算放大器,具有很低的输入失调电压和漂移,特别适合作前级放大器,放大微弱信号。
使用OP07一般不用考虑调零和频率问题就能满足要求。
但是,OP07要设置多阶放大电路,比较复杂。
所以,最终也没有选择OP07芯片。
3、CD4069芯片。
CD4069与电阻电容相结合,构成低通放大器、施密特触发器对电路进行放大和滤波,电路构成比较简单。
经综合考虑,最终选用了CD4069芯片。
2.2.4单片机的选择
1、AVR单片机AVR单片机是ATMEL公司生产的单片机。
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MSC-51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,如SPCE061等。
3、51单片机
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[3]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。
AT89S52就是其中一款,它可以完全满足本设计的设计要求,而且,AT89S52的价格较低。
3主处理电路的设计
3.1单片机最小系统的设计
3.1.1时钟信号
单片机最小系统是利用最少的外围器件而使单片机工作的电路组织形式。
最小系统只包含单片机、振荡器、复位电路和电源。
如图3-1为最小系统电路图。
单片机的XTAL2和XTAL1接晶振,这种结构通过晶振电容C1、C2与单片机内部结构组成一个时钟信号源,晶振的频率决定系统的时钟频率。
对于时间要求不是很高的系统,只要按图进行设计就能使系统可靠起振并稳定运行。
但由于图中的电容C1、C2起着系统时钟频率微调和稳定的作用。
因此,在实际应用中一定要注意正确选择参数(30±
10PF),并保证对称性(尽可能匹配)。
专用µ
P监控电路又称电源监视电路,具有上电时可靠产生复位信号和电源电压跌落到“门槛值”时可靠产生复位信号功能。
按有效电平分,有高电平输出、低电平输出两种;
按功能分,有简单的电源监视复位电路、带“看门狗”定时器(WATCHDOG,又简称“WDT”)的监控电路、和WDT+EEPROM的监控电路等多种类型。
比较常见的生产厂家有MAXIM、PHILIPS、IMP以及DALLS等,51系列微处理器中常用的型号有MAX813L、MAX809、X25043/5等。
3.1.2RC复位电路
本系统采用的是这种复位方式。
RC复位电路的实质是一阶充放电电路[5]。
系统上电时该电路提供有效的复位信号RST(高电平)直至系统电源稳定后撤销复位信号(低电平)。
理论上说,51系列单片机复位引脚只要外加2个机器周期的有效信号即可复位,即只要保证t=RC>
2M(机器周期)便可,但实际设计中,通常取C3为10µ
F以上,R2通常取10K左右。
实践发现R2如果取值太小,例如1K,则会导致RST信号驱动能力变差而无法使系统可靠复位。
外部程序存储器访问控制端
:
由于没有使用外部程序存储器拓展,所以在这里
接高电平。
图3-1单片机最小系统
3.2系统模块电路的设计
3.2.1信号采集与信号处理电路的设计
1、信号采集
如图3-2所示,传感器由红外线发射二极管和接收二极管组成,测量原理如下:
将手指放在红外线发射二极管和接收二极管之间,血管中血液的流量随着心脏的跳动变化,由于手指放在光的传递路径中,血管中血液饱和度的变化将引起光的传递强度变化,此变化和心跳的节拍相对应,因此红外接收二极管的电流也跟着心跳的节拍改变,使得红外接收二极管输出与心跳节拍相对应的脉冲信号。
图3-2信号采集电路
2、信号放大与滤波、整形电路
脉搏传感器出来的电压信号较弱,一般在毫伏级,需要对其进行放大。
所以,设计信号放大电路,将脉搏传感器出来的信号进行放大,使之成为一个幅值适当的信号,便于后续电路的处理。
如图3-4所示,该脉冲信号经U3A~U3C、R8、R9、R4以及C6、C5等组成的低通放大器放大,U3D、R6、R7、C4组成的放大器进一步放大后,送给由U3E、U3F、RL1、R5等组成的施密特触发器整形后输出。
电路中的可变电阻RL1用来调整施密特触发器的阈值电压,即调整电路的灵敏度。
最后将整形后的信号通过R14、Q2、R15再进行一次放大并传给单片机进行处理。
图3-3为信号放大与滤波电路图。
图3-3信号放大与滤波电路
3.2.2定时电路的设计
典型的晶振取11.0592MHz,因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合,或者12MHz,因为产生精确的μs级时歇,方便定时操作,对于12MHz晶振,Ts=1μs。
本设计利用将单片机内的16位定时/计数器T0作为定时器并设定定时周期。
经过整形与放大后出来的脉冲信号接到单片机的P3.3口上,则定时器的开关由程序根据P3.3口上的状态进行控制。
检测到P3.3口为低电平时,开启T0开始进行计时与计数。
图3-4定时电路的主要设计。
图3-4定时电路图
3.2.3报警电路的设计
报警电路是对每次脉冲的到来均响铃,与脉搏同步。
这样,就可以通过声光的形式形象地把脉搏的快慢显示出来。
当一分钟的脉搏次数大于120次或小于50次时蜂鸣器发出响声,发光二极管发光,做出报警。
图3-5报警电路的主要设计。
图中,两个电阻分别与P2.7与P2.4连接。
当P2.4=0;
P2.7=0时,启动报警。
图3-5报警电路图
3.2.4显示电路的设计
来自传感和整形输出电路的脉冲电平输入单片机的P3.3脚,单片机设为每次脉冲为低电平时触发单片机产生中断并进行计时;
通过P0口与P1口把结果送到液晶屏显示出来。
如图3-6所示,液晶屏的4脚与单片机的P1.0进行连接,第5脚与P1.1进行连接,第6脚与P1.2进行连接。
通过设定P1.0值来改变寄存器的选择状态。
当P1.0=0时,选择指令寄存器;
当P1.0=1时,选择数据寄存器。
P1.1=0时,开始写入数据;
P1.2的值从0变到1时,允许写入数据。
图中利用滑动变阻器RL来调节液晶屏的亮度。
图3-6显示电路图
3.3电路所用芯片简介
3.3.1AT89S52芯片简介
1、单片机的选择在整个系统中的设计中至关重要,单片机因其主要组成部分集成在一个芯片上而得名,具体说就是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统、定时器/计数器以及I/O口电路等主要微型机部件,集成在一块芯片上。
虽然单片机只是一个芯片,但从组成和功能上看,它已经具有了计算机系统的属性,为此称它单片微型计算机SCMC(SingleChipMicroComputer),简称单片机。
单片机主要应用于控制领域,用以实现各种测试和控制功能,由于单片机在应用时处于被控系统的核心地位并融入其中,所以我们也常称单片机为嵌入式微控制器EMCU(EmbeddedMicrocontrollerUnit)。
AT89系列单片机[3-5]是ATMEL公司生产的。
这是当前最新的一种电擦写8位单片机,与MCS-51系列完全兼容,有超强的加密功能,可完全替代87C51/52和8751/52。
它物美价廉,深受用户欢迎。
与87C51相比,AT89系列的优越性在于,其片内闪电存储器的编程与擦除完全用电实现;
数据不易挥发,可保存10年;
编程/擦除速度快,4K字节编程只需时3s,擦除时间约用10ms;
AT89系列了实现在线编程;
也可借助电话线进行远距离编程。
下图3-7AT89S52芯片管脚图。
图3-7AT89S52芯片及管脚图
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,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为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
2、脚功能说明
VCC:
电源
GND:
地
P0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;
在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体如下表所示。
在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
如下表为P1口的第二功能:
表3-1P1口的第二功能
引脚号
第二功能
P1.0
T2(定时器/计时器T2的外部计数输入),时钟输出
P1.1
T2EX(定时器/计时器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制)
P1.5
MOSI(在系统编程用)
P1.6
MISO(在系统编程用)
P1.7
SCK(在系统编程用)
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR)时,P2口送出高八位地址。
在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址(如MOVX@RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 便携式 脉搏 测量仪 设计