毕业设计无线脉搏监测仪.docx
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毕业设计无线脉搏监测仪
分类号:
TN7xxUDC:
D10621-408-(20xx)xxxx-0
密级:
公开编号:
xxxxxxxx
成都信息工程学院
学位论文
无线脉搏监测仪
论文作者姓名:
XXX
申请学位专业:
XXXX
申请学位类别:
XXXX
指导教师姓名(职称):
XXXX
论文提交日期:
XXXX
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得成都信息工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
签名:
日期:
201x年x月x日
关于论文使用授权的说明
本学位论文作者完全了解成都信息工程学院有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。
本人授权成都信息工程学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)
签名:
日期:
201x年x月x日
无线脉搏监测仪
摘要
脉搏携带着大量人体健康状况的信息,脉诊是我国传统医学中最具特色的一项诊断方法,在现代,脉搏监控对人体健康检查也十分重要。
经过多年发展,脉搏监测仪的功能越来越强大,但现有脉搏监测仪价格相对偏高,不利于广泛推广使用。
本设计基于光电技术,通过IR333\BPW83红外发射、接收二极管采集出的人体脉搏微弱信号,经过滤波、放大、整形后,使用MCU芯片对脉搏信号进行处理和计算结果的显示,并提供异常脉搏的报警功能。
本设计实测结果与欧姆龙HEM-645测量结果相比,均值误差低于5%。
本设计可以满足普通家庭使用要求。
关键词:
脉搏,光电技术,MCU,信号处理
WirelessPulseMonitor
ABSTRACT
Pulsecarriesalotofinformationonhumanhealth,traditionalchinesemedicinepulsediagnosisisoneofthemostuniquediagnosticmethods.Inmodernpulsemonitoringitisalsoveryimportantonhumanhealthchecking.Afteryearsofdevelopment,pulsemonitorsarealreadymorepowerful.However,theexistingpulsemonitorpricesrelativelyhigh,can’tconducivetothewidespreaduse.Thedesignisbasedonaweaksignalphotovoltaictechnology,byIR333\BPW83infraredtransmitterandreceiverdiodescollectionoutweakhumanpulsesignals.Afteritsfiltered,amplified,shaped,pulsesignalsareprocessedandtheresultsdisplayedanddetermineswhetherthealarm,usingtheMCUchip.
ExperimentalresultsofthedesigncomparedwiththeOmronHEM-645measurementresults,meanerrorisabout5%.Thedesigncanmeettherequirementsofordinaryhouseholduse,suitableforwidespreaduse.
Keywords:
pulse,photovoltaictechnology,MCU,signalprocessing
第一章绪论
1.1课题背景及意义
1.1.1课题背景
脉搏携带有丰富的人体健康状况的信息,自公元三世纪我国最早的脉学专著《脉经》问世以来,脉学理论得到不断的发展和提高。
在中医四诊(望、闻、问、切)中,脉诊占有非常重要的位置。
脉诊是我国传统医学中最具特色的一项诊断方法,其历史悠久,内容丰富,是中医“整体观念”、“辨证论证”的基本精神的体现与应用。
脉诊作为“绿色无创”诊断的手段和方法,得到了中外人士的关注。
但由于中医是靠手指获取脉搏信息,虽然脉诊具有简便、无创、无痛的特点易为患者接受,然而在长期的医疗实践中也暴露出一些缺陷。
首先,切脉单凭医生手指感觉辨别脉象的特征,受到感觉、经验和表述的限制,并且难免存在许多主观臆断因素,影响了对脉象判断的规范化;其次,这种用手指切脉的技巧很难掌握;再则,感知的脉象无法记录和保存影响了对脉象机理的研究。
脉诊的这种定性化和主观性,大大影响了其精度与可行性,成为中医脉诊应用、发展和交流中的制约因素。
为了将传统的中医药学发扬光大,促进脉诊的应用和发展,必须与现代科技相结合,实现更科学、客观的诊断。
医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数,方法是用手按在病人腕部的动脉上,根据脉搏的跳动进行计数。
为了节省时间,一般不会作1分钟的测量,通常是测量10秒钟时间内心跳的数,再把结果乘以6即得到每分钟的心跳数,即使这样做还是比较费时,而且精度也不高。
为了提高脉搏测量的精确与速度,多种脉搏测量仪被运用到医学上来,从而开辟了一条全新的医学诊断方法。
早在1860年Vierordt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、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。
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设计。
1.1.2课题意义
现在在市面上存在的脉搏监测仪价格偏高,如著名品牌欧姆龙(omron)测量脉搏血压的仪器由于成本过高、功能过多等原因导致价格普遍在200元以上。
而本课题旨在设计一款具有以下特性的脉搏监测仪。
(1)低成本,低功耗,便携性高;
(2)结构简单,应用方便,易控制;
(3)能动态测量,不断更新数据;
(4)应用面广泛,适合家庭或医院进行平时脉搏的测量与监测;
(5)能自行判断脉搏值是否属于正常值之内,若异常则通过无线报警。
希望通过本设计能使脉搏监测仪这一设备进入家家户户,健康生活观念深入人心,对疾病能早发现早治疗,提高人民生活水平,体现社会主义优越性。
第二章方案、算法设计
2.1总体方案
系统设计总体方案如图2-1。
图2-1总体方案设计图
2.1.1总体方案设计思路
本设计主要功能是用于脉搏的测量,而脉搏属于低频、微弱信号,无法使用单片微型计算机直接测量,所以在单片微型计算机与脉搏测量电路之间需要加入对信号进行调理的电路。
该电路主要功能是对微弱的脉搏模拟信号进行放大、滤波和整形。
其输出的信号为便于单片微型计算机测量的数字信号。
在单片微型计算机对该数字信号进行统计,得出每分钟的脉搏数,并进行显示和异常判定及报警处理。
2.1.2MCU选择
由于本设计中计算脉搏计数需要MCU芯片拥有2个定时/计数器,控制外部电路需要3组I/O口,所以从成本与功能价值等方面考虑,决定采用STC12C5A60S2单片机作为整个系统的MCU芯片。
STC12C5A60S2是STC生产的单时钟机器周期(1T)的单片机,工作频率范围:
0~35MHz,用户应用程序空间60K,片上集成1280字节RAM,通用I/O口40个,每个I/O的驱动能力均可打到20mA。
共有4个16位定时器,外部中断I/O口有7路。
STC12C5A60S2的每片价格在5元人民币左右,片内资源能满足设计要求,LQFP44封装体积小,能使电路集成化更高,提高便携性。
2.1.3电源方案及器件选择
本设计各电路需要的电压输入为5V,芯片工作电压为5.5V-3.5V,无线发射模块工作电压为3.3V-12V,所以选择整个系统电压为5V。
考虑到因为有各种供电条件,所以需要用到稳压、降压电路。
稳压的常用方式有稳压二极管稳压和集成稳压器稳压。
稳压二极管存在功耗较大,不稳定等确定,不宜在低功耗便携式设备中使用。
所以本设计采用集成稳压器。
集成稳压器种类繁多,应用最广泛的是三端式串联集成稳压器。
三端集成稳压器中LM78XX系列和LM1117系列都比较适合用于本次设计。
由于系统电压5V,故备选芯片为LM7805系列和LM1117-5。
这两款芯片输出都是5V电压。
LM7805是普通线性稳压IC,额定输出电流为1.5A。
LM1117-5是低压差线性稳压IC(LDO),额定电流为500mA。
后者电流波纹更小,效率更高,功耗更低,故选择LM1117-5。
2.1.4脉搏信号采集传感器选择
目前市面上的测量脉搏的传感器主要有三种。
(1)压电式传感器
目前常用的是一次性心电电极,它是用印刷方法制得的Ag/AgCl传感器。
这种传感器采用接扣与敏感区分离的方法,能明显的减少由于人体运动产生的干扰。
电极的好坏对采集到的心电信号质量起着至关重要的作用,采用的电极应有贴力强,能紧附在人体表面,柔软、吸汗、极化电压低、导电性良好等特点。
当选用电极传感器时,需要3个电极分别置于左右手和左腿,构成标准导联。
临床上为了统一和便于比较所获得的脉搏信号,在检测脉搏信号时,对电极的位置,引线与放大器的连接方式都有严格的统一规定。
(2)光电式传感器
血液是高度不透明的液体,光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍,据此特点,采用光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号。
反向偏压的光敏二极管,它的反向电流具有随光照强度增加而增加的光电效应特性,在一定光强范围内,光敏二极管的反向电流与光强呈线性关系。
指端血管的容积和透光度随脉搏改变时,将使光电三极管极管收到不同的光强,并由此产生的光电流均随之作相应变化。
常用检测脉搏的光电传感器分为红外放射管和红外对管。
(3)集成传感器
当前,市面上有很多类型的集成心电传感器,其灵敏度高、集成度高,直接就可以反映出心率的变化,且已包含了滤波等抗干扰电路,波形经过放大可以直接处理使用。
三种脉搏传感器的优缺点如下:
(1)光电式传感器
优点:
结构简单,方便使用,时延小,分辨率高。
缺点:
测量结果受外部光源变化的影响较大。
(2)压电式传感器
优点:
时延小,结构简单,外围元件少。
缺点:
贴近人体,在人运动时无法测量,容易被各种颤动干扰。
(3)集成式传感器
优点:
便于使用操作,包含了信号处理电路,可以输出能直接使用的信号,很大程度地抑制了各种干扰。
缺点:
价格非常昂贵。
考虑到本次设计低成本的要求与产品精确度无需太高的特性,选择脉搏采集传感器使用光电式传感器。
图2-2光电式传感器示意图
经过资料查询与比对,决定本次设计的光电传感器主要由IR333红外发光二极管与BPW83红外接收二极管组成。
IR333能发出940nm红外线,单个BPW83照射在940nm红外线的下能产生电压0.4V,电流0.5mA的电能。
在使用中手指被IR333发出的940nm红外线透射通过,手指内组织的血液会对红外线进行吸收和衰减。
由于手指中的血液浓度随脉搏呈周期性变化,所以能穿透手指的红外线强度也随脉搏呈周期性变化,于是BPW83输出信号也随脉搏呈周期性变化。
2.1.5脉搏信号处理方案及器件选择
信号处理部分需要有三个功能,对脉搏采集信号进行滤波、放大、整形。
由于人体在剧烈运动后能够达到的最高脉搏数240次每分钟,所以需要设计一个低通放大器。
为了降低零点漂移影响,可以采用二级放大。
而且采用二级放大性能优于三级放大,三级放大中的电路板的零点漂移容易过大达到满幅,导致无法准确测量。
采用比较器克服零点漂移的影响,使系统能准确测量,比较器的阈值电压应稍大于二级放大后的零点漂移电压。
因为信号强度微弱,放大器和比较器设计都需要使用偏执电流小、输入失调电压小的运算放大器,通过性价比等各方面考虑,决定使用IT公司的TLC226X系列运放。
考虑到脉搏波的不稳定性,在对脉搏信号进行滤波、放大后需要对波形进行整形。
波形整形主要采用CD4528实现。
CD4528内有两组相同的数字逻辑电路,可以组成两个单稳态多谐振荡器。
CD4528外围电路简单,输出脉冲宽度容易控制,能够把不稳定的模拟信号处理成数字信号。
图2-3CD4528管脚结构和真值表
2.1.6显示方案及器件选择方案
本设计只需要显示每分钟的脉搏数值,最大值不超过240,根据成本要求与所需功能觉得使用一个四位共阴数码管作为显示部分。
图2-4数码管管脚示意图
2.1.7报警信号传输方案及器件选择
报警可以选择有线报警或无线报警两种方法。
有线报警方式会使脉搏监测仪便携性严重下降,耗电量大增。
而且报警功能使用几率低,如加装在监测仪上过于多余。
因而本设计选用无线传输方式将报警信号发出,由接收端进行报警。
无线信号的传输能使用电磁波或红外线两种方式。
红外线传输方式的遥控距离短,传播方向只能是直线。
电磁波的传输方式具有衍射特性,对障碍有一定的跨越能力,传播方向也不需要直线。
所以本设计采用电磁波传输方式。
电磁波无线传输方式就是使用发射端将经过编码的数据,转换为一定频率的电磁波发射出去,接收端只接收相同频率的电磁波信号,经过解码后能恢复出原始的数据。
图2-5无线传输流程图
经过资料的查询与比较,本设计选择使用以PT2262和PT2272作为编码芯片和解码芯片的无线发射、接收模块作为无线报警的无线传输部分。
无线发射和接收模块采用非锁型控制,非锁型输出又称点动输出,数据脚输出的电平是瞬时的而且和发射端是否发射相对应,可以用于类似点动的控制,有遥控信号时数据脚是高电平,遥控信号消失时数据脚立即恢复为低电平,适用于如电动门、电动门锁、与单片机对接等只需要一个高电平的电路。
(长按不放手时,信号可能会变为不连续的脉冲状态。
)在使用中非锁存方式是发射器有数据(如0101)发射时,接收器对应输出端有数据输出(0101),发射器停止数据发射后,接收器输出端恢复低电平(0000),没有数据输出。
无线收、发模块工作方式、管脚定义如表2-1、表2-2、表2-3所示。
表2-1无线模块工作特性
工作电压
工作频率
工作电流
工作方式
发射模块
DC3V-9V
315MHz
15mA
OOK(调幅)
接收模块
5.0VDC±0.5V
315MHz
≤4.5mA(5.0VDC)
OOK/ASK
表2-2PT2272无线接收模块引脚定义
引脚名称
VT
D1
D2
D3
D4
VCC
GND
引脚功能
解码有效指示输出脚
控制信号输出引脚
控制信号输出引脚
控制信号输出引脚
控制信号输出引脚
电源正极
电源负极
表2-3PT2262无线发射模块引脚定义
引脚名称
13
12
11
10
VCC
GND
引脚功能
数据脚
数据脚
数据脚
数据脚
电源正极
电源负极
由于发射模块需用单片机控制,但其不能直接用I/O口直接触发,需加模拟开关芯片,或光耦、继电器等。
本设计选用模拟开关芯片CD4066将PT2262无线发射模块与单片机相连接。
CD4066是四双向模拟开关,主要用作模拟或数字信号的多路传输。
每个CD4066封装内部有4个独立的模拟开关,每次开关由一个控制端控制是否导通。
当把高电平施加给某控制端时,该控制端控制的开关导通;当施加给控制端的是低电平时,开关截止。
每个导通的模拟开关导通电阻为几十欧姆;而截止的模拟开关,阻抗很高,相当于是开路。
数字信号和模拟信号都可以用模拟开关传输,最高可传输的模拟信号的频率为40MHz。
2.1.8报警器设计
报警器分为报警信号接收端、单片机控制部分和声光报警部分。
该部分通过51单片机作为主控芯片。
在确认无线接收模块收到报警信号后开始进行声光报警,持续一段时间或者复位后停止报警,并开始等待下一次报警信号。
2.2算法设计
2.2.1脉搏数字信号处理、脉搏计算算法
脉搏数值变化应该是平稳的,可以通过数字信号处理对测得的信号进行平滑处理。
在脉搏数值采集过程中,由于器件不稳定等原因可能造成的噪声多为椒盐噪声,因而选择中值滤波法。
本设计中得到的数据记录在一个一维数组中,对数据进行中值滤波的窗口也设计为一维的。
本设计因为需要测量脉搏的动态变化,选用2s为更新时间间隔,每两秒对测得的脉搏数进行一次记录,结果保存进一个储存数组。
为了记录一分钟内脉搏跳动次数,将储存数组长度为定为30。
将中值滤波的窗口长度设计为5,用以滤波。
在每一次中值滤波时使用冒泡法排序并得出中值。
对整个数组进行滚动滤波,再将其得到的中值全部相加以计算出脉搏次数。
2.2.2报警判断算法
人体脉搏很少发生突发快速变化,在身体情况出现异常时才会发生剧烈变化,脉搏会有过高过低的情况,出现这类状况时需要及时警惕,设备需要对情况进行报警。
人体脉搏次数在60至100次每分钟为正常脉搏,个别体质可能会在50至140之间。
因而可以将报警的阈值设置在50以下和140以上。
人体脉搏在变化时通常会持续一段时间,本设计选择6秒估值加4秒确认的方法判断脉搏是否正常。
2.2.3结束测量判断算法
本设计为节约成本,MCU芯片无法通过硬件判断在手指是否在指夹中。
可以通过识别出连续几次测得的脉搏数值都为0来判断已经结束测量。
根据报警判断算法的计算长度设计出检测结束测量的时间最长为3次测量周期。
即3次测量周期测量值都为0时,MCU自行判断手指未在指夹中,将所有数据清0,进入节能模式等待下次测量。
第三章硬件电路设计
系统整体硬件电路结构如图3-1所示。
图3-1硬件结构图
系统电路共分为监测仪电路和报警器电路。
监控仪包括主控电路、电源电路、脉搏信号采集电路、脉搏信号处理电路、显示电路和报警信号发射电路。
报警器包括报警信号接收电路,单片机控制电路,功放电路,报警喇叭,报警信号灯。
3.1主控电路
STC12C5A60S2控制电路如图3-2。
控制电路对整个系统的数据进行处理和分析,并控制其他功能模块,该电路含有一块STC12C5A60S2单片机和晶振电路和复位电路。
晶振采用12M晶振,经过分频后机器周期约为1us,可以很好的进行定时与计数。
图3-2STC12C5A60S2控制电路
3.2电源电路
电源部分使用AMS1117-5(可替代LM1117)作为主要稳压芯片,该芯片外围电路简单,连接方法如图3-3。
AMS1117-5芯片输入为5V-20V,输出为5V(误差±0.05V),最大电流10mA。
对主控电路、脉搏信号采集、信号处理电路和报警电路供电。
图3-3AMS1117原理图
3.3脉搏采集电路
脉搏信号的采集电路设计如图3-4。
图3-4脉搏信号采集电路
如图3-4所示,IC1A设计为一个电压跟随器,为电路提供一个2.5V基准电压,对R2和R3的准确度要求较高。
基于IR333感应红外线灵敏度的考虑,将R0设计为100Ω.若R0过小,会导致通过电流过大,对BPW83的影响过小而无法判断有无脉搏信号。
相对的若R0过大,对BPW83的影响过大而也无法判断有无脉搏信号。
当IR333的红外线信号照射在BPW83上时,IC1B的反向输入端电压上升,使之大于通向输入端,因此Vi电位为0.
当手指在指夹中时,由于脉搏律动,手指对红外线的干扰出现有脉期和无脉期两种情况。
在无脉期,有部分红外线信号穿过手指到达BPW83,使BPW83中大概有lμA的暗电流,暗电流使Vi电位略低于2.5V.在有脉期时,血液流经手指,血液对红外线吸收能力更强,使BPW83中的暗电流下降,Vi电位上升。
3.4脉搏信号处理电路
3.4.1低通滤波器和一级放大电路
模拟信号处理所需的低通放大器按照人体的最高脉搏次数是在运动后达到240次每分钟即4Hz来设计,如图3-5所示。
低通放大器由IC2A和C4等组成,由R7、C4、R8和C5决定滤波器的转折频率,R8与R6的比值决定放大倍数。
图3-5低通滤波器
根据二阶低通滤波器的转移函数,可以得出
(3-1)
放大倍数为
H=-R8/R6=-22(3-2)
取-3dB计算滤波器的高频转折频率,即
fH=7.7Hz(3-3)
按最高人体脉搏为4Hz考虑,低频特性是符合测量要求的。
做出之前分析的条件是不考虑C3的,如果考虑C3的话,那么
(3-4)
由此可见,C3的对电路的作用仅仅只是用于隔直,并没有对频率特性的分析产生影响。
3.4.2二级放大器和比较器电路
二级放大器兼比较器如图3-6所示。
系统的放大倍数的通过改变Rp11以调整,通过C6防止放大器发生自激。
由于使用二级放大,零点漂移不很明显,在0.1V左右。
为确保能滤除干扰信号,将比较器的阈值电压设计成为0.25V。
图3-6二级放大器和比较器
3.4.3波形整形电路
对信号进行滤波放大后,输出的信号还需进行整形才能适于单片机测量。
这里利用CD4528设计的波形整形电路如图3-6所示。
图3-7波形整形电路
IC3A是CD4528中的一个单稳态多谐振荡器,R22和C20决定其输出脉冲宽度。
IC3B是另一个单稳态多谐振荡器,输出脉宽由R13和C7决定。
D2、D1与Q1等组成一个或非门,在C或者E为高电平时,9014属于导通状态,P3.4MB无信号。
当C、E同时处于低电平时,9014截止,P3.4MB输出高电平。
3.5显示和报警信号发射电路
图3-8显示和报警信号发射电路
数据显示和报警信号发射电路连接如图3-8。
根据之前的设计,使用单片机I/O口P0控制数码管段选,I/O口P2.4-P2.7控制数码管位选。
单片机I/O口P1.1-P1.3控制CD4066的控制端。
3.6
报警器电路
图3-9报警器电路
报警信号接收电路使用PT2272无线接收模块,与单片机控制电路直接耦合。
单片机使用P2.0管脚对报警信号进行接收与判断。
单片机控制电路使用一块51实验板完成,P1口与发光二极管相连,P0.0脚与功放电路相连。
功放使用LM386作为主要芯片,使单片机I/O口能够驱动0.5W8Ω小喇叭。
第四章软件设计
4.1程序功能
(1)设定和开启计数器和定时器,用于脉搏测量;
(2)完成对脉搏采集模块输出的脉搏信号的读入和计数;
(3)对测得的脉搏信号数量进行处理和分析,计算出每分钟的脉搏数值;
(4)将计算出的每分钟脉搏数显示在数码管上;
(5)判断脉搏是否正常,如异常则发送报警信号;
(6)能够在未测
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