光電脈搏傳感器論文

.11/11前言1．1課題來源隨著人們生活水平的提高,地球環(huán)境遭到破壞,多種疾病威脅著人們的生命,而心臟病的發(fā)作又是人們難以預(yù)防的突發(fā)致命疾病。在醫(yī)學(xué)上,通過測量人的心率,便可初步判斷人的健康狀況。因此,心率計很快產(chǎn)生并得到發(fā)展。隨著單片機技術(shù)的發(fā)展、人們的生活節(jié)奏加快,設(shè)計一種以使用方便為前提,能夠快速測出人心率的心率計,不僅是臨床者的需要,也是體育訓(xùn)練者和外出旅游者的需要。傳統(tǒng)的脈搏測量采用診脈方式,中醫(yī)脈象診斷技術(shù)就是脈搏測量在中醫(yī)上卓有成效的應(yīng)用,但是受人為的影響因素較大,測量精度不高。為了克服上述測量方法的不足,脈搏測試不再局限于傳統(tǒng)的人工測試法或聽診器測試法。利用血液是高度不透明的液體,光照在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍的特點,可通過光電傳感器對脈搏信號進(jìn)行檢測,并通過單片機技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)智能化的脈搏測試技術(shù)。1.2課題的目的和意義生物醫(yī)學(xué)傳感器是獲取生物信息并將其轉(zhuǎn)換成易于測量和處理信號的一個關(guān)鍵器件。光電式脈搏傳感器作為是根據(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。光電式脈搏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、可重復(fù)好等優(yōu)點。根據(jù)光電容積法原理,從改善光源、消除景光噪聲、電磁屏蔽和提高信噪比四個方面出發(fā),研究改進(jìn)方法,對提高使用的靈活性和準(zhǔn)確度有著重大意義。同樣光電容積法是當(dāng)今測量脈搏信號的一種有效方法,也可以用來測量血氧飽和度、氧分壓和心搏出量等生理指標(biāo),為臨床診斷提供強有力的技術(shù)支持。通過光電傳感器對脈搏信號進(jìn)行檢測,并用單片機技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)智能化的脈搏測試技術(shù)。這種技術(shù)具有先進(jìn)性、實用性和穩(wěn)定性,同時也是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的發(fā)展方向。第二章工作原理及可行性分析人體心室周期性的收縮和舒張導(dǎo)致主動脈的收縮和舒張,使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,這種波稱為脈搏波。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息,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。根據(jù)郎伯-比爾〔Lambert－beer定律,物質(zhì)在一定波長處的吸光度和它的濃度成正比,當(dāng)恒定波長的光照射到人體組織上時,通過人體組織吸收、反射、衰減后測量到的光強在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。血液是高度不透明的液體,光在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍。一般情況下,當(dāng)光子穿越介質(zhì)時,因能量被吸收而導(dǎo)致的強度衰減可描述為：I=式中I0是入射光強,α是與組織結(jié)構(gòu)相關(guān)的吸收系數(shù)〔哺乳動物的α值在0.1至100之間,ε脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生的,在人體指尖,組織中的動脈成分含量高,而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄,透過手指后檢測到的光強相對較大,因此光電式脈搏傳感器的測量部位通常在人體指尖。圖2-1人體手指端還原蛋白與氧化蛋白光吸收率示意圖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,靜脈血的搏動相對于動脈血是十分微弱的,可以忽略。因此可以認(rèn)為光透過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起的,那么在恒定波長的光源的照射下,本設(shè)計利用透射式的測量方法,通過檢測透過手指的光強可以間接測量到人體的脈搏信號。圖2-2反射式和透射式測量示意圖第三章設(shè)計要求該光電脈搏傳感器須能工作在0℃以上,能在10s內(nèi)測量出一般成人的心率,測量顯示范圍為30-200次/分,并能持續(xù)測量,每10秒更新一次心率顯示,能夠通過電路進(jìn)行高頻濾波,消除高頻噪聲干擾；測量腔內(nèi)部其他部分涂有吸光物質(zhì),消除反射光的干擾；單片機能通過算法對結(jié)果進(jìn)行檢驗和校正。測量腔入口連有遮光指套,指套口有適合的松緊帶來適應(yīng)各種粗細(xì)的手指。第四章主要元器件選擇和功能介紹4.1單片機AT89S52主要性能：〔1與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容〔28K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器〔31000次擦寫周期〔4全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz〔5三級加密程序存儲器〔632個可編程I/O口線〔7三個16位定時器/計數(shù)器〔8八個中斷源〔9全雙工UART串行通道〔10低功耗空閑和掉電模式〔11掉電后中斷可喚醒〔12看門狗定時器〔13雙數(shù)據(jù)指針〔14掉電標(biāo)識符功能特性描述：圖4-1AT89S52的引腳結(jié)構(gòu)AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造,與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程,亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上,擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash,256字節(jié)RAM,32位I/O口線,看門狗定時器,2個數(shù)據(jù)指針,三個16位定時器/計數(shù)器,一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu),全雙工串行口,片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外,AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作,支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下,CPU停止工作,允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下,RAM內(nèi)容被保存,振蕩器被凍結(jié),單片機一切工作停止,直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止.AT89S52的引腳結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。4.2傳感器OPT101性能參數(shù)OPT101型傳感器是美國B-B公司研制的集光敏器件〔光敏二極管與信號放大于一體的器件.采用單電源供電,壓電輸出。輸出電壓隨照射到光敏器件的光強度呈線性變化。可用于醫(yī)療儀器、實驗室儀表、位置與接近探測、圖像分析、條線碼掃描器、溫室的光照度控制等。OPT101型傳感器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。OPT101型傳感器的性能、特點：〔1單電源供電+2.7V~~+36V〔2光敏二極管的尺寸：0.09*0.09in〔3片內(nèi)放大器反饋電阻：Rf=1MΩ〔4光敏二極管響應(yīng)：0.45A/W<650nm時>〔5響應(yīng)帶寬：14KHz〔Rf=1MΩ〔6靜態(tài)電流：120mA<7>采用8引腳DIP,5引腳SIP,與8引腳圖4-2內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)表面貼裝封裝〔8工作溫度：0~70℃4.2.2典型應(yīng)用應(yīng)用片內(nèi)1MΩ與3pF組成的反饋網(wǎng)絡(luò),即將引腳4、5連接即構(gòu)成基本應(yīng)用電路；這是電路的輸出幅度與照射光線波長的關(guān)系如圖4-3,照射光線的入射角與輸出幅度的關(guān)系如圖3-4所示。圖4-3輸出幅度與照射光線波長的關(guān)系圖4-4輸出幅度與入射角的關(guān)系4.3低功率運算放大器LM324NLM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運算放大器相比,它們有顯著的有點：該四放大器可以工作在低到3.0伏或高到32伏的電壓下,靜態(tài)電流大致為MC1741的五分之一〔對每個放大器而言,共模輸入范圍包括負(fù)電源,因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性,輸出電壓范圍也包括負(fù)電源電壓。其特點為：〔1短路保護(hù)輸出〔2真差動輸入級〔3單電源工作,3.0V~~32V〔4低輸入偏置電流,最大100nA[LM324A]〔5每一個封裝四個放大器〔6內(nèi)部補償〔7共模范圍擴展到負(fù)電源〔8行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)引腳輸出〔9在輸入端的靜電放電位增加可靠性而不影響器件的工作4.4通用型集成電壓比較器AD790雙列直插式AD790單集成電壓比較器,與集成運放相同,它有同相和反相兩個輸入端,分別是引腳2和3；正、負(fù)兩個外接電源±VS,分別為引腳1和4；當(dāng)單電源供電時,-VS應(yīng)接地。此外,引腳8接邏輯電源,其取值決定于負(fù)載所需高電平。為了驅(qū)動TTL電路,應(yīng)接+5V,此時比較器輸出高電平為4.3V。引腳5為鎖存控制端,當(dāng)它為低電平時,鎖存輸出信號。第五章系統(tǒng)硬件設(shè)計硬件電路的設(shè)計主要包括信號采集和處理電路、單片機系統(tǒng)及顯示電路兩大部分。5.1信號采集電路和處理電路本設(shè)計采用紅色發(fā)光二極管發(fā)出的光線通過手指照射在OPT101的受光窗,當(dāng)指尖的血流量隨心臟跳動而改變時,從LED通過指尖到達(dá)受光窗的光線也隨之改變,這樣光電流也發(fā)生波動性變化,從而采集到心臟脈搏信號。設(shè)計出來的電路圖見下：圖5-1信號采集和處理電路具體說明：OPT101芯片的5號引腳輸出波動的電壓信號,經(jīng)R2、C2、C3接到LM324放大器的反相輸入端,為避免煩擾信號傳到U1A的輸入端,用C2、C3組成的雙極性耦合電容將其隔離。C4和R5構(gòu)成低通濾波器,去除高頻信號,截止頻率為3.33Hz。通過AD790電壓比較器,將信號轉(zhuǎn)換為方波信號輸入單片機。其中,左下方的LM324提供參考電壓,R10為電位器,用于調(diào)節(jié)電壓比較器的參考電壓,以消除不同人手指的差異性。5.2單片機系統(tǒng)及顯示電路在單片機設(shè)計中,我們使用12MHz的晶振,用P0、P1和P2引腳控制三個數(shù)碼管進(jìn)行顯示,P3^2引腳用來接收已轉(zhuǎn)化為方波的脈搏信號,并且?guī)в袕?fù)位開關(guān)。圖5-2單片機系統(tǒng)電路圖5.3傳感器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 下圖為傳感器外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。左上為正視剖面圖,左下為俯視剖面圖,右上為左視剖面圖,右下為示意圖。第六章單片機系統(tǒng)軟件設(shè)計我們設(shè)計的單片機程序中,采用單片機內(nèi)部定時器定時檢測周期10s,在10s過程中,P3^2引腳檢測方波脈搏信號,每次高電平來臨,系統(tǒng)進(jìn)行判斷：相鄰兩次高電平的時間差是否大于10ms,因為脈搏周期理論最大值為300ms,其中的高電平時間會更小〔這跟人的心跳特征有關(guān),此判斷能消除電壓比較器的誤判和彌補個人心跳的差異性。10s后心率顯示在數(shù)碼管上,并且每10s更新一次顯示。工作流程圖見下。開始開始定義變量聲明函數(shù)啟動10s計時

啟動脈搏計數(shù)兩次脈沖信號的時間差是否大于10ms脈搏計數(shù)加1否是10s計時結(jié)束

顯示心率數(shù)圖6單片機工作流程圖第七章總結(jié)心得體會在這幾個星期的課程設(shè)計中,我們做的課題是"光電脈搏傳感器"。這是一種新型的脈搏測量儀器,利用血液是高度不透明的液體,光照在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍的特點,可通過光電傳感器對脈搏信號進(jìn)行檢測,并通過單片機技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)智能化的脈搏測試技術(shù)。本次的光電脈搏傳感器設(shè)計實踐將我們學(xué)到的知識應(yīng)用到了實踐,深化了對傳感器基本原理、數(shù)字電路設(shè)計、模擬電子設(shè)計、單片機應(yīng)用的認(rèn)識,使我們在設(shè)計的實踐中獲得新知。學(xué)習(xí)了一年的理論知識和實踐操作,我們不僅僅得到的是課本上的東西,更重要的是們我通過自己的獨立動手和老師的耐心指導(dǎo),讓我們學(xué)會了分析電路、設(shè)計電路的步驟以及計算機輔助作圖、protel電路設(shè)計等。在此設(shè)計中利用到了單片機控制、光電容積法,特別是讓我們溫習(xí)了光電傳感器的知識與應(yīng)用,讓我們進(jìn)一步鞏固和掌握前面所學(xué)的基礎(chǔ)知識,加深了對傳感器電路設(shè)計和數(shù)字電路的理解,對元器件的使用更加深刻。設(shè)計過程中碰到的剛開始不能正常工作并且運行的情況完全是粗心導(dǎo)致的,當(dāng)時如果認(rèn)真點的話就不會出現(xiàn)了,可能就是一次性完成了。所以,通過設(shè)計意識到要從現(xiàn)在開始養(yǎng)成那種細(xì)心的好習(xí)慣。這對以后的工作和生活都非常有幫助。再者通過這次實習(xí)鍛煉了自己的動手和查資料的能力,也體會到了成功帶來了的喜悅,可以說是獲益非淺。再次反過來思考這個電路圖,整個電路簡單明了,可以根據(jù)此電路圖應(yīng)用到實際中去。通過這次課程設(shè)計,我們對光電脈搏傳感器有了進(jìn)一步的了解,對于相關(guān)器件也有了一定的認(rèn)識,如單片機、數(shù)碼顯示管、光電傳感器等。鞏固和加深了我們對課程的學(xué)習(xí),促進(jìn)和深化工程應(yīng)用,提高綜合運用所學(xué)知識及分析問題的能力,培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)。通過實際電路方案的分析比較,設(shè)計計算,元件選擇,安裝調(diào)試、CAD外形輔助設(shè)計等環(huán)節(jié),初步掌握簡單傳感器電路的分析方法和工程設(shè)計方法,同時通過相互之間的合作分工也使我們培養(yǎng)了團(tuán)隊合作精神。第八章參考文獻(xiàn)[1]饒連周.基于單片機的語音心率檢測儀的設(shè)計[J].XX學(xué)院學(xué)報,2005.22<4>：18-22[2]何忠蛟.基于單片機控制的心率計[J].XX學(xué)院院報:自然科學(xué)版2008.5<2>：28-29[3]王延林,謝少良.OPT101型光電傳感器的技術(shù)性能與應(yīng)用[J].清華大學(xué)學(xué)報1999.12〔3：22-24[4]張義和,王敏男等.例說51單片機〔C語言版[M].北京：人民郵電出版社,2008.[5]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社,2006.[6]王慶有.光電傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2007.[7]趙負(fù)圖.光電檢測控制電路手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2001.[8]侯文軍,王飛.工程制圖與計算機繪圖[M].北京：人民郵電出版社,2009.[9]楊玉星.生物醫(yī)學(xué)傳感器與檢測技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005.第九章附錄附錄一protel原理圖附錄二CAD圖附錄三單片機程序〔C語言#include<reg51.h>#definecount_M150000#defineTH_M1<65536-count_M1>/256#defineTL_M1<65536-count_M1>%256#definegeweiP0#defineshiweiP1#definebaiweiP2charTAB[10]={0xc0,0xf9,0xa4