《脈搏測量儀設(shè)計研究3600字（論文）》

基于單片機(jī)的脈搏測量儀設(shè)計報告摘要：脈沖信號包含有關(guān)人體健康的大量信息，并且脈沖可以反映有關(guān)人體的全面信息，并且可以準(zhǔn)確而有效地返回心血管系統(tǒng)血流的大量生理特征。在此階段，市場上的電子脈沖測量儀器具有簡單的功能，僅提供測量功能。同時，大多數(shù)脈沖信號是使用壓電傳感器接收的。這樣的儀器精度低并且經(jīng)常具有明顯的測量誤差。在這種情況下，人類已經(jīng)基于測量的準(zhǔn)確性和功能為心率監(jiān)測器設(shè)定了更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)設(shè)計包括STC89C52，LED4顯示屏，光電傳感器，按鈕等部分。首先，紅外光電傳感器發(fā)出一個脈沖信號，然后放大并改變其形狀，最后將其發(fā)送到單片機(jī)進(jìn)行控制。1分鐘內(nèi)的心跳次數(shù)，不僅節(jié)省時間，省力，而且結(jié)果更準(zhǔn)確。關(guān)鍵詞：脈搏檢測；STC89C52；濾波放大1設(shè)計的背景及國內(nèi)外現(xiàn)狀1.1設(shè)計的背景脈搏包含人體大量健康狀況信息，從公元3世紀(jì)我國脈學(xué)著作《脈經(jīng)》誕生直到現(xiàn)在，脈學(xué)理論持續(xù)發(fā)展與完善。伴隨科技實力持續(xù)增強(qiáng)，生命、信息兩種科學(xué)間做到更親密融合，由此誕生許多創(chuàng)新型脈搏測量儀器，尤其是電子脈搏儀推向市場后，這項測量工作難度大幅降低。國內(nèi)脈診臨床實踐超過2600年，屬于傳統(tǒng)中醫(yī)精華部分。而在科技不斷改革的今天，脈搏測量并非只能通過傳統(tǒng)人工或聽診器測試法來完成，還能依靠電子儀器檢測獲取更準(zhǔn)確信息。人類脈搏信號可以提供大量生理信息，故而受到臨床醫(yī)生普遍關(guān)注，進(jìn)一步推動脈搏測量實現(xiàn)高精度與便捷化。在電子測量技術(shù)不斷成熟的今天，這部分現(xiàn)代儀器也在快速達(dá)成數(shù)字化、自動化目標(biāo)。研發(fā)生產(chǎn)的一些脈搏測量儀不但性能優(yōu)異，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜性較低，實用價值非常顯著。1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀國內(nèi)醫(yī)用心率測量儀通常配合監(jiān)護(hù)儀應(yīng)用，最初用來滿足心血管疾病監(jiān)護(hù)需求，隨著時間不斷推移，時至今日覆蓋心腦血管、婦產(chǎn)、麻醉手術(shù)等諸多方面。從單個學(xué)科演變?yōu)槎嗖》N、科室及學(xué)科應(yīng)用；從大醫(yī)院推廣至中小醫(yī)院；從特殊用途逐漸演變成常規(guī)技術(shù)，同時快速發(fā)展與突破，也讓其適用領(lǐng)域越來越寬廣。相關(guān)統(tǒng)計顯示，國內(nèi)醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀制造廠商超過70個；產(chǎn)品類型、規(guī)格與型號也有數(shù)百個。不僅有各病種所需監(jiān)護(hù)儀，構(gòu)建方面還包括床旁、中央監(jiān)護(hù)系統(tǒng)與工作站；連接方面包括有線、無線、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；功能方面包括監(jiān)護(hù)、分析管理等；結(jié)構(gòu)樣式方面包括內(nèi)置、臺式、立式等，能夠解決醫(yī)院不同場景實際需求。而具體應(yīng)用時，依然采用人工觀測記錄方式，從醫(yī)院角度來看，醫(yī)護(hù)工作者和病患間數(shù)量相差過于明顯，無法做到一一對應(yīng)服務(wù)，如此便會引發(fā)大量監(jiān)控不及時現(xiàn)象。3脈搏測量系統(tǒng)的原理及設(shè)計方案3.1脈搏測量系統(tǒng)的主要功能整個系統(tǒng)設(shè)計包括51系列STC89C52單片機(jī)，光電傳感器，LED4位數(shù)字管，蜂鳴器，按鈕，運算放大器等。系統(tǒng)主要配備四個按鈕，完成上下限的設(shè)置。脈沖頻率的極限，當(dāng)頻率超過極限時，單片機(jī)打開蜂鳴器發(fā)送信號。當(dāng)檢測到脈搏時，人們應(yīng)該將手放在光電傳感器上，并且人類的脈搏會跳動。在這種狀態(tài)下，血液的透光率是不同的。因此，接收器接收到的信號的功率不穩(wěn)定，人脈信號的計算可以不斷增加信號功率，并將修改后的數(shù)據(jù)連接到微控制器的I/O端口。單片機(jī)通過外部中斷計算脈搏率，轉(zhuǎn)換每分鐘的成人心率，并將其顯示在電子設(shè)備上。輸入部分輸入部分鍵盤輸入控制器STC89C52輸出部分LED4顯示圖3-1脈搏測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2設(shè)計方案針對單片機(jī)的脈搏測量系統(tǒng)，制定以下方案及步驟：第一步，根據(jù)設(shè)計目的構(gòu)想設(shè)計的原理圖框架，學(xué)習(xí)設(shè)計中要用到的知識，如單片機(jī)C語言編程設(shè)計，LED4的顯示，使用的芯片引腳工作原理，Proteus使用等。第二步，對硬件模塊進(jìn)行設(shè)計。如顯示模塊、主控模塊、信號采集模塊。在AltiumDesigner原理圖。第三步，對系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計。如主函數(shù)程序設(shè)計、初始化程序設(shè)計、延時子程序設(shè)計、顯示子程序設(shè)計。4系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計4.1硬件設(shè)計4.1.1單片機(jī)STC89C52的簡介該實體使用51系列微控制器中的STC89C52微控制器作為系統(tǒng)的主控制芯片。STC89C52是STC單片機(jī)（國內(nèi)宏晶）的品牌之一。它是STC開發(fā)的高性能，低功耗8位CMOS微控制器。它使用8KB系統(tǒng)來完成閃存編程設(shè)計。STC89C52單片機(jī)具有40個引腳，32位I/O口線，4個外部中斷，1個全雙工異步串行口，3個16位定時/計數(shù)器。STC89C52內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路。STC89C52單片機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)見圖4-1所示。圖4-1STC89C52單片機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖單片機(jī)的最小系統(tǒng)是由單片機(jī)、時鐘電路、復(fù)位電路。12MHZ的時鐘電路采用晶體振蕩器提供時鐘,功能是提供一個參考SCM,所需的時間執(zhí)行一個基本的指令是一個機(jī)器周期,單片機(jī)的復(fù)位電路,按復(fù)位鍵后,單片機(jī)可以輸入的起始狀態(tài)的電力。10k的上拉電阻P0端口。自從P0端口是不同于其他輸入輸出結(jié)構(gòu),上拉電阻必須添加才能正常工作。STC89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路見圖4-2所示。圖4-2STC89C52最小系統(tǒng)電路4.1.2LED4位數(shù)碼管簡介顯示模塊電路采用LED數(shù)碼管動態(tài)掃描。由于LED數(shù)碼管在市場上的價格比較低，采用動態(tài)掃描法連接單片機(jī)，并且單片機(jī)所占用得線口較少，所以選用LED數(shù)碼管顯示屏，并采用四位數(shù)碼管顯示。LED4位數(shù)碼管實物圖見圖4-3所示。圖4-2LED4位數(shù)碼管當(dāng)位選擇打開時，發(fā)送相應(yīng)的段代碼，然后相應(yīng)的數(shù)碼管打開，位選擇關(guān)閉，打開另一個位選擇并發(fā)送相應(yīng)的段代碼，數(shù)碼管打開，并且每次關(guān)閉時間為選擇位置，時間間隔小于20ms，則看到的幾乎與數(shù)碼管顯示的一樣。顯示電路圖見4-4所示。圖4-4LED4位數(shù)碼管連接電路圖4.1.3放大濾波電路設(shè)計圖4-5放大濾波電路圖圖4-5作為脈搏測量系統(tǒng)的放大濾波信號，因為脈搏信號輸出的信號較為微弱，輸出的信號一般會有噪聲干擾，所以采用LM358搭建放大濾波電路。4.1.4放大整形電路設(shè)計放大整形電路框圖如圖4-6所示。圖4-6放大整形電路框圖放大濾波后的脈搏信號以不規(guī)則的脈沖信號為主，有低頻電波影響，不滿足計數(shù)器的需求，采用整形電路，因此使用滯回電壓比較器，為提高抗干擾能力。集成運放使用LM358。放大整形電路如圖4-7所示。圖4-7放大整形電路4.1.5運算放大器LM358的介紹LM358基于雙路運算放大器。有兩個獨立的內(nèi)部頻率補(bǔ)償運算放大器，可與具有寬范圍電源電壓的單個電源一起使用。它還適用于雙電源環(huán)境。在指定的工作狀態(tài)下，電源電流和電源電壓無關(guān)。示波器主要包括傳感器放大器和其他軟件，這些軟件可以使用運算放大器由單個電源供電。以下是LM358的特性：內(nèi)部頻率補(bǔ)償；低輸入失調(diào)電壓與失調(diào)電流；共模輸入電壓范圍寬，應(yīng)保持接地；差模輸入電壓范圍寬，與電源電壓范圍相同；直流電壓增益高為100dB；單位增益頻帶寬約為1MHz；電源電壓范圍寬：單電源在3至30V期間；雙電源(±1.5至±15V期間)；低功耗電流，適合于電池供電。LM358引腳圖及內(nèi)部電路原理圖見4-8、4-9所示。圖4-8LM358引腳圖圖4-9LM358內(nèi)部電路原理圖4.2軟件設(shè)計4.2.1C語言設(shè)計方案本設(shè)計所運用的匯編語言是C語言，用軟件KeiluVision4來完成編程和運算。因為此脈搏測量系統(tǒng)所用到的是51單片機(jī)系列中的STC89C52，所以在運行Keil4時，第一步要先選擇此單片機(jī)。因為所運用到的匯編語言是C語言，所以要創(chuàng)建一個以“.c”結(jié)尾的文件用于保存。然后接下來對脈搏測量系統(tǒng)上的每一個硬件來進(jìn)行程序編寫。4.2.2系統(tǒng)軟設(shè)計方案脈搏測量系統(tǒng)系統(tǒng)控制程序總流程圖如圖4-10、4-11所示。圖4-10按鍵程序流程圖圖4-11LED顯示屏流程圖首先對脈搏測量系統(tǒng)檢測裝置先通電后先進(jìn)用按鍵進(jìn)行初始化，然后按下對應(yīng)的按鍵進(jìn)入對應(yīng)的功能，當(dāng)實驗者按下測量按鍵的時候如流程圖4-10所示，把右食指放在光電傳感器上，然后再換算出對應(yīng)的脈搏次數(shù)再在LED顯示屏上，如流程圖圖4-11所示，當(dāng)實驗者按下設(shè)置脈搏范圍設(shè)定按鍵后，單片機(jī)會根據(jù)實驗者按下按鍵的次數(shù)來進(jìn)行增加或減少所測得數(shù)據(jù)的范圍。5結(jié)論本課題的主要目的是設(shè)計一款脈搏檢測裝置，采集脈搏信息，實現(xiàn)對脈搏信息的顯示和記錄。所設(shè)計的脈搏測量系統(tǒng)檢測裝置的主控模塊的核心是51系列單片機(jī)中的STC89C52單片機(jī)，以STC89C52單片機(jī)的內(nèi)部定時器來計算時間，由光電傳感器接收、產(chǎn)生脈搏信號，通過對脈搏信號的放大整形，最后所得的數(shù)據(jù)顯示到顯示屏上。使用時，將右手食指的襯墊放在ST188反射型紅外傳感器上。正確放置后，您會看到指示燈隨心跳閃爍。如果沒有閃爍，請適當(dāng)調(diào)整手指壓力。調(diào)整后，在測試過程中手指的壓力不應(yīng)改變。保持穩(wěn)定，當(dāng)指示燈定期閃爍時，表示信號正確。當(dāng)微控制器檢測到第五個信號時，它開始顯示根據(jù)這五個信號計算出的平均脈沖。如果超過1.5秒未檢測到信號，則清除脈沖。如果手指發(fā)抖或不穩(wěn)定，會看到指示器隨機(jī)閃爍，因此測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，因此在測試過程中應(yīng)保持穩(wěn)定。參考文獻(xiàn)[1]Miao-MiaoLI,DongQ.DesignofWirelessPulseSignalMonitoringSystemBasedonSTM32[J].Computer&Modernization,2012.[2]XieZ,ChenY,FushengNI,etal.ResearchandDesignofUltrasonicThickness-detectorBasedonSTM32[J].Computer&DigitalEngineering,2018.[3]WuD,WangL,HanC,etal.ResearchandDesignofPVMPPTBasedonSTM32[C]//中國控制與決策會議.2018.[4]ZhengJ,WangF,LeiW.ResearchandDesignofWirelessSensorMiddlewareBasedonSTM32[C]//InternationalConferenceonComputer&ComputingTechnologiesinAgriculture.SpringerInternationalPublishing,2015.[5]XuY,ChengJM.ResearchandDesignofHandheldThermalTransferLabelPrinterBasedonSTM32[J].AppliedMechanics&Materials,2014,602-605:2930-2933.[6]YangB,YangS.Designandresearchoflithium-ionbatterydetectionsystembasedonSTM32andPWM.ModernElectronicsTechnique,2018.[7]LiuY,JieL,FeiJ.ResearchanddesignofpulsewavesphygmomanometerbasedonRNN.ApplicationofElectronicTechnique,2018.[8]JinS,ShanLV,LuoW,etal.ResearchandDesignofPulseSignalGeneratorBasedonAD9850.Compute