1、基于单片机的脉搏测量仪设计大学论文摘要本文介绍的是一种基于单片机的脉搏测量仪设计，作为该系统中重要的电路模块，如心率采集电路、显示电路和STC89C52单片机之间通过串口实现连接。本次设计运用单片机STC89C52作为中心控制处理单元，通过ST188作为红外光电传感器来采集脉搏信号，经过LM358进行运放；再通过前后级滤波、放大、整形，从而得到稳定信号；实现了快速检测心率的功能。还可以通过按键来设置脉搏值的上下限范围；蜂鸣器驱动模块可以在超出所设置的范围时进行报警提示，测量结果在液晶上显示。实验表明，该设计的测试结果与实际的要求基本一致，STC89C52单片机超强的抗干扰能力和LCD1602显
2、示屏控制比较方便的优点使这些功能能够顺利地完成。该系统的制作成本在百元以内，具有价格低廉、便于操纵、功耗小、可靠性高等优点，十分适用于家庭和个人使用。关键词：心率；红外光电传感器；STC89C52；LM358；软件AbstractPresented in this paper is a design of pulse measuring instrument based on MCU, as the circuit module plays an important role in the system, such as heart rate acquisition circuit, disp
3、lay circuit and STC89C52 microcontroller through the serial port to realize the connection. This design with STC89C52 microcontroller as the central control unit, through ST188 as infrared photoelectric sensor to collect the pulse signal, after the lm358 for op amp; again through before and after fi
4、ltering, magnifying, shaping, and get stable signal; functions to achieve the rapid detection of heart. You can also through the button to set the pulse value scope; buzzer driver module In the range beyond the scope of the alarm prompt, the measurement results in the liquid crystal display.Experime
5、ntal results show that the test results of the design and practical requirements are basically the same, STC89C52 MCU strong anti-interference ability and LCD1602 display control the advantages of more convenient so that these features can be successfully completed. The production cost less than 100
6、 yuan, with low price, easy manipulation, low power consumption, high reliability, very applicable to families and individuals.Key words: heart rate; infrared photoelectric sensor; STC89C52; LM358; software 引言1.1 选题背景及意义心率(Heart Rate)用专业术语来说就是用来描述人体心率跳动的周期。现代汉语中将脉搏值解释为心脏跳动的频率；故心率也可以说在一个单位时间内，心脏律动的快慢
7、。每个人的心率信号中大都蕴含着丰富的生理心理信息，这是由于人体内脏器官的健康可以反映在脉搏信息中；这一发现逐渐引起了众多临床医生的关注。在我国，脉诊一直被视为中华医术的精髓；到目前为止进行的临床实践大约已有2600多年。然而由于手指经常使用会存在一些汗腺，指脉诊断存在的误差不容忽视；进而导致测量不准确。这时或许你会说还有耳脉测量呢，不是以前也经常用过吗？虽说通过测量耳朵脉动来得到脉搏信号相对来说比较干净，但由于耳朵脉搏信号微弱，特别是当季节变化时，测量信号容易受到环境温度的影响，导致测量值不准确。随着世界科技与经济的迅速发展和进步，珍爱生命、关注健康已经成为全世界人类的共同追求。据卫生局统计每
8、年因心脑血管疾病猝死的人数位居人类死亡总数的第一位，不仅医疗费用居高不下，还给家庭、政府和社会造成巨大负担。近些年来，由于生活节奏加快、饮食习惯不合理和众多垃圾食品的影响等原因，心脑血管的发病率更是呈现逐年上升的趋势。如何科学且无害的降低心脑血管疾病的发病率及死亡率，有效的减轻心脑血管疾病带来的社会和家庭负担，已经成为全世界人类所面临的一个十分严峻问题。1.2 国内外发展现状世界上第一台杠杆式脉搏扫描仪是Vierordt于1854年创建的，它是采用杠杆和压力鼓式描记法来记录脉搏波形图的，也是人类第一次通过非侵入性的方式记录人体脉搏的，当时引起了很大轰动。然而国内的发展起点相对来说比较低，20世
9、纪50年代初朱颜才将脉搏仪引用到中医脉诊的客观化研究方面。近些年来无创伤血管功能检测渐渐吸引了医学人士的目光。大约在1980年以来，无创伤血管功能检测被小范围使用，它的原理大致是基于血流动力流变学和弹性腔理论。其特征在于：它由温度模块、血压袖带模块、血氧模块构成的多生理信号采集模块组合，通过对肱动脉进行阻断再开放过程中手指指端温度信号、血氧及脉搏波信号的各参数变化，再根据临床试验采集数据，并通过信号处理和统计分析方法，建立血管功能定量评价公式及血管功能评价。它具有无创、操作简单、结果准确、重复性好及临床应用方便，并自动生成心血管功能的诊断、健康状况的分析及给出相关的医学解释。现在脉冲测试不再局
10、限于传统的手工测试或听诊器测试，仅利用电子仪器就可以测量得出更准确的数据。当今社会，大部分电子测量仪器中已朝向数字化、自动化方向发展。脉冲测量仪不仅性能好，结构简单，而且具有很好的应用和推广价值。在一般情况下，脉冲测量仪器的发展主要是以下趋势，第一：在没有人为的情况下可以自动分析所测得的脉搏值；传统的脉搏仪器需要经过有经验的医生对其脉搏信号先进行初次分析，然后进行综合分析后最终能确认结果，这种方法总的说来不仅浪费大量的人力，而且由人为引入的误差也比较大。第二：数字化技术等先进技术的广泛应用；脉搏测量仪集成度要想做到更高程度，并且更加便于携带必须依靠数字科学技术的迅速发展；与此同时数字信号处理的
11、运用将使干扰变得更小，测量结果更为准确。第三：多功能化会越来越明显。第四：价格便宜、方便携带，而且应用和推广价值较好，给广大民众带来便利。1.3 课题研究内容历来在医院进行临床诊断及治疗的依据大都来源于人体脉搏波中提取的生理病理信息。在中国，脉诊是老中医最常用的诊断疾病的方式，一直沿用至今。人体发射出来的脉搏信号包含了心率的波速、波形、周期和波幅等全方面、全方位综合信息，在很大程度上能够体现出人体身体中的各部分信息（例如血液粘度、血液速度等）。尽管这些生物信号存在于人体自身当中，其信号强度相对来说比较微弱；若是在嘈杂的环境中效果更不明显。本次毕业设计的原理是采用单片机微处理器STC89C52作
12、为中心处理器；通过传感器采集脉搏信号，通过单片机芯片在内部的系统定时器来设定时间；最后得到的心率跳动数值通过STC89C52单片机对信号进行累加即可。一般正常人的心跳大约是每分钟60100次左右，电路图上的按键模块就可以通过按键来设置人们的心率范围；超出或低于所设置范围可能心脏方面会存在风险，蜂鸣器驱动模块就会驱动蜂鸣器报警；最终的测量结果会在液晶上显示。本设计能够通过查看红外指示灯是否来回闪动，若稳定持续闪烁，说明检测结果正确且误差较小；假设显示结果来回晃动且数值相差较大，有可能存在误差。通过上述步骤，能够粗略地判断人体自身的健康程度，特别适用于个人或家庭使用，有时还被应用在敬老院、保健医疗
13、中心等。第2章 整体方案设计本章主要写的是系统整体方案设计，其任务是设计一个以STC89C52单片机控制的脉搏测量仪，目的是为了快速的检测人的心率。整体方案设计的步骤是：首先要选取合适的核心器件，比如单片机芯片、传感器、显示器等；然后确定本次设计的主要模块，如单片机最小系统、显示模块、报警模块等，将其整合就可以大致得到脉搏测量仪设计的总体框架图。2.1 核心器件的选型在电路设计之前必须明确方案设计，在本论文中单片机型号、信号采集模块以及显示模块是设计得以成功的关键。通过比较器件的优缺点来选择最合适的单元模块，可以发挥设备的最大效能。2.1.1 单片机的选型要实现该系统的各个功能，那么单片机的选
14、型非常关键。根据本次设计的需要，可从当前市场上比较常用的几款单片机中选择一种性价比较高的型号，如MCS-51系列、AT89系列、STC89系列、PIC系列、AVR系列等等。其中PIC系列和AVR系列主要用于大型的办公自动化产品中，而本次脉搏测量仪控制系统属于比较小型的系统，选用STC89C52单片机就足以实现其功能，故在本论文中就不再做详细的介绍PIC系列与AVR系列了。那么下面将会对前三个系列中具有代表性的单片机进行简单的介绍和比较。方案一： AT89C51与8051的比较AT89C51单片机最基本的功能就是8051系列单片机的功能，从而使8位MCS-51系列单片机可以持续地发展，引脚信号、
15、总线、指令、与某些方面兼容。能够保障两者间没有指令的障碍从而维持软件的可移置性，则成为指令的兼容；为而了保证单片机系统扩展与接口的统一性就需要总线、封装以及引脚信号的兼容，这对系统的开发与应用非常有利。630MW与120MW分别是8051与AT89C52单片机的功耗，从这就不难发现低功耗是AT89C52具有的性能，而低功耗对于单片机在野外仪器设备上的使用和在单片机的手提式与便携式方面都有巨大的便利。方案二：STC89C52与AT89C52的比较STC89C52单片机和AT89C52单片机相比较区分并不特别明显，具体特点如下：STC89C52单片机有8K字节程序存储空间；512字节数据存储空间；
16、内带2K字节EEPROM存储空间；AT89S52单片机有8K字节程序存储空间；256字节数据存储空间；没有内带EEPROM存储空间;另外STC89C52单片机直接用串口下载ISP就可以了，而AT89C52单片机要多装一个驱动，即需要专用的下载器才可以下载ISP；STC89C52单片机比AT89C52单片机具有更强的抗干扰能力。经过以上比较与分析，本次设计选用STC89C52单片机更为适宜。2.1.2传感器的选型方案一：基于声电式传感器的脉搏信号提取声电式传感器也可称之为力学量传感器，其原理是传感器为了得到向单片机发送的电压信号必须采集固体、液体、或气体中传播的机械振动。正常情况下它的构成一般是
17、由不定性无烟煤颗粒或压电陶瓷等材料。使用寿命长、成本低和容易制作是颗粒式声电传感器最大的优点；然而颗粒的机械磨损和接触表面上的瞬间电弧会使颗粒逐渐老化却是不容忽略的一大缺点；因而在检测声音信号时存在着一定的缺陷，从而导致杂音大、性能不稳定以及测量结果不精确。方案二：基于红外光电传感器的脉搏信号提取对于红外光电传感器来说，红外发射管和红外接收管是必不可收的器件。若是采集脉搏时需要经手指肚平缓均匀地放在红外对管上，其中一个白色的是红外发射管，黑色的是红外接收管，接收管将采集到的光信号转换成电信号，然后触发单片机使之将结果反映在显示模块。一般来说，光电二极管和光电三极管是比较常用的光电器件。光电式传
18、感器测量微小的位移变化有明显的效果，但是红外光电传感器对材料、电路控制和光电管属性要求较高，其主要特点有：吸收红外光的能力极强；介电常数小，以便得到大的输出电压；介电损耗小。在以上两种方法中，我认为若是想很好的采集脉搏信息的话第二种方案更易实现，并且红外也比较常见；比较之下选择了第二种方案来实现设计。综上所述，本次设计决定选用ST188作为红外光电传感器来采集脉搏信息，然后进行运放，滤波处理，从而得到稳定的脉搏波。红外光电传感器检测、滤除高频脉冲波、运放整形并运送到单片机工作系统的过程见下图2-1所示： 图 2-1信号检测处理工作流程图2.1.3 显示模块的选型本系统中的显示模块可以采用的方案
19、有以下三种：方案一：LED数码管选用LED数码管的动态描述，由于LED数码管的价格比较适中，最适合与数字显示，并且占有单片机接口比较少，但是本文设计的显示为字母与数字相结合，故LED数码管不是很合适。方案二：点阵式数码管选用点阵式数码管，可是因为八行八列发光二极管是点阵式数码管的构成形式，很适合显示文字，要是显示数字的话就会有点点大材小用，而且性价比不高，所以在此设计中选择也不是很合适。方案三：LCD1602显示屏使用LCD1602显示屏，和其他显示器相比较，LCD1602液晶显示屏具有显示数字、字符、字母的功能，并且显示方式和控制比较简单，而且相对于其他的价格低廉，故经过综合考虑本论文采用L
20、CD1602显示屏最合适。2.2 系统方案设计本次设计采用常见的单片机STC89C52为控制核心，通过ST188红外光电传感器采集脉搏信号，从而实现脉搏测量仪的基本功能。系统设计主要有心率采集模块、液晶显示模块、电源模块、晶振模块、复位模块、按键模块、报警模块；其硬件框图如下图2-2所示：图 2-2 脉搏测量仪的工作原理第3章 硬件系统设计本设计用到了单片机最小系统，故在本章节中将首先介绍一下单片机最小系统电路，然后再主要对脉搏测量仪的几个关键模块电路进行简单的介绍，即：信号采集电路、滤波电路、放大电路、显示电路、按键电路、报警电路等。3.1 单片机最小系统STC89C52最小系统是指其能工作
21、下的最简单的电路。其中的电源电路、复位电路、时钟电路是单片机系统可以工作的最基础的电路，三者缺一不可。具体如图3-1所示：图3-1 单片机最小系统由图3-1可知，在单片机STC89C52芯片内共有40个管脚，其中有32个管脚可作为I/O口用，它们分别为P0口的八个管脚、P1口的八个管脚、P2口的八个管脚和P3口的八个管脚，P3口的八个引脚可以用作串行口、外部中断、定时器、读写控制等特殊用途，当不需要特殊的用途，P3端口可以作为一个I/O端口。单片机中40个引脚的具体功能如表3-1所示：3-1 单片机引脚功能对照表引脚引脚名称对应功能与作用18P1.0P1.7准双向的8位普通I/O口，内带上拉电
22、阻存在。9RST复位输入引脚，在振荡器复位是需保持两个机器周期以上的高电平。10-17P3.0P3.7功能有两个，第一是作为准双向的8位普通I/O口，只不过内带上拉电阻；第二种功能下面有介绍。18XTAL2与晶振相连，是内部时钟电路的输入，同时也是反向振荡器的输入口。19XTAL1反向振荡器的输出20GND单片机电接地引脚2128P2.0P2.7准双向的8位普通I/O口，有上拉电阻存在。29PSEN本设计中没有用到，只是外部程序存储器的一个选通信号口。30ALE本设计没有使用到不做解释31EA/VPP我们设计中直接该引脚接至VCC让其处于一直高电平的状态，先执行片内4kB ROM，再执行片外R
23、OM。3239P0.7P0.0P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，在本设计中与液晶相连的话需要接一个10k的上拉电阻。40VCC单片机电源+5V引脚其中单片机的P3口第一功能是准双向普通I/O口，内部有上拉电阻存在。各引脚的第二功能作，各引脚的定义如表3-2所示：引脚引脚名称对应的功能作用10RXD该引脚的特殊功能为串行输入口。11TXD该引脚的特殊功能为串行输出口。12INT0该引脚作为单片机外部中断0触发引脚，触发方式可以进行配置相对应的寄存器来实现。13INT1该引脚作为单片机外部中断1触发引脚，触发方式可以进行配置相对应的寄存器来实现。14T0该引脚可作为单片机外部计数器0触发引脚。
24、15T1该引脚可作为单片机外部计数器1触发引脚。16WR该引脚可作为单片机外部数据写选通口。17RD该引脚可作为单片机外部数据读选通口。3-2 单片机P3口第二引脚功能对照表3.1.1 电源电路任何一个电子产品要想正常工作，必须提供电源。只有电源存在，器件才能得以运行，整个系统才能正常运行。在本次设计中，由于52单片机的工作电压在3.3V5.5V之间都可以正常工作；所以供电方式可以选择电池盒或USB电源线。若是选择电池盒的话可以用3节5号电池即可解决，不过电池若是放的时间较久电压会不稳定，导致信号测量有误差。相比之下，选择USB电源线的话效果更好；可以采取USB电源线连接手机充电器插头或者5V
25、的移动电源直接给给系统进行供电，误差会大大减少。电源电路图如3-2所示：当DC电源接口插上电源线时，打开自锁开关即可对单片机进行供电。 图3-4 电源电路3.1.2 复位电路单片机的初始化操作就是复位，只要单片机开始运行，就都应该复位。复位电路包括了上电复位和手动复位两个部分。图3-3中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。图中复位按键的3号引脚接电源，2号引脚与单片机的9号引脚RST相连。图中所示的复位电阻为10k，复位电容一般选择10uf,这些阻值和容值的选择在教科书中堪为经典。当电路开关时，电容C1可以保持其两端电压不发生突变，引脚9的电流由电源电流提供，因此引脚9上就会产生高电平，从而
26、使得单片机变为复位状态，伴随着电容C1的不断充电，其两端的电压不短上高，从而引脚9的电压就开始降低，使得单片机最终退出复位状态。单片机在正常运行下可以按复位键进行复位。复位电路如3-3所示：图3-3 复位电路3.1.3 时钟电路 由于系统需要计算精确时间，所以时钟电路模块使用了一个12MHz的晶振。单片机工作所需要的时钟信号就是由时钟电路发出的，电路在时钟信号控制下严格依照时序工作的目的是为了保证同步工作方式的完成。 XTAL2是单片机的18 引脚，其功能不仅是内部时钟电路的输入，与此同时还是反向振荡器的输入口；XTAL1是单片的19引脚，其功能是反向振荡器的输出；一般与晶振相连的的电容选取3
27、0pF的陶瓷电容。具体的时钟电路如图3-4所示：图3-4 时钟电路3.2 信号变送系统本次设计的检测原理是: 首先将手指肚放在ST188传感器上来采集信号，采集好的信号中由于按下的力度、外部环境的影响的等原因会导致干扰，必须要滤除相对来说的高频信号以及干扰信号；由于脉搏信号相对来说比较微弱，紧接着进行运放处理；处理过的信号经过导线与单片机的P3.2口相连使之传送到单片机内部；当经过单片机处理后显示在液晶屏上。3.2.1 信号采集电路在信号采集电路中，传感器的选取至关重要。在第二章的时候已经选过传感器的型号，ST188无疑是最好的选择。它由高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。红外发
28、射管发出红外线，红外接收管的特性是将光信号转换为电信号。在ST188红外光电传感器中A、K是红外发射管；C、E是红外接收管。在图3-6信号采集电路中，ST188的A极与电源相连，而K极与地相连；因此要想让红外发射管就能发出红外线，A极就要接高电平、K极要接低电平。下面大家可以来看一下ST188实物图，如图3-5所示：图3-5 ST188实物图脉搏采集电路图如图3-6所示：在选择R4的阻值时要求比较高，其原因是：若是红外发射二极管中的电流越大，那么发射角度就会越小，产生的发射强度就越大，因此考虑R4阻值时要格外慎重。图中R4选择220同时也是基于红外接收管感应红外光灵敏度考虑的。R4阻值要是过大
29、的话，流经红外发射二极管的电流就会偏小，那么红外接收管就无法区别是否有脉搏信号产生。反之，R4阻值若是过小，流经红外发射二极管的电流就会偏大，红外接收管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。在实际电路中R4的阻值选择时可以小范围的来回调试下，从而可以得到更加精确的阻值。如图所示，在R4旁边连接了一个电位器，就是用来调节红外光电传感器灵敏度的。R5阻值是22K，起一个上拉的作用；当红外接收管导通时就接地，不导通时就与电源相连；具体电路如图3-6所示：图3-6 脉搏信号的采集电路在脉搏采集时可能会遇到两种情况：第一种是是无脉期，第二种是有脉期。当出现第一种情况时，由于红外接收管中存在暗电流，会造
30、成输出电压略低；其主要原因是手指虽然遮挡了红外发射管发射的红外光，但是透光性却比较强导致无结果出现。当出现第二种情况时，血脉使手指透光性变差，红外接收管中的暗电流减小，输出电压上升。3.2.2 滤波电路从传感器中出来的脉搏信号中相对来说含有高频信号，而希望得到的波形是交流低频信号因此需要先进行滤波；滤波电路如图3-7所示。C4选择10uf的电容进行隔直流，并且滤出相对脉搏信号来说的高频波或环境光线的干扰；R11起到了下拉作用，与LM358的同相输入端3脚相连，当有信号输入时接通，没信号输入时接地；R7、R5、R11组成普通的滤波器滤除高频信号，加到线性放大输入端；R8和C6组成低通滤波器以进一
31、步滤除残留的干扰，运放LM358将信号放大，放大倍数由R12和R13决定；即LM358的同向输入端使其信号放大得到显示出来；具体电路如图3-7所示：图3-7 滤波电路3.2.3 信号放大电路由于脉搏信号本身就比较微弱，所以是通过比较灵敏的红外光电传感器来采集脉搏信号。因此首先要将滤波处理的波形进行适当的运放；故本次课题的设计最终决定采用的是LM358四运放放大器。 LM358是四运放放大器，由两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器组成。LM358四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。 图3-8是LM358的引脚及功能介绍，由
32、图可知，LM358有8个引脚，其中1号引脚是第一个运放器的输出端；2、3号引脚分别是第一个运放器的反向和同相输入端；4号引脚接地；7号引脚是第二个运放器的输出端；6、5号引脚同理分别为为第二个运放器的反向和同相输入端；8号引脚接电源。LM358的引脚排列及功能详见图3-8所示：图3-8 LM358的引脚排列及功能本次设计的信号放大电路图如图3-9所示，滤波过的信号经过3引脚接入LM358的同向输入端，2引脚的反向输入端接在R12和R13的电阻分压处；R13下面是接地的，R12上面与LM358的反馈输出引脚1相连；同时反馈输出又与LM358的第二组运放的反向输入端6引脚相连；也就是说把输出的数据放在了第二组运放里。在第二组运放的同向输入端5引脚接入了30
