光電脈搏測(cè)量?jī)x

圖1光電脈搏測(cè)量?jī)x方框圖圖1光電脈搏測(cè)量?jī)x方框圖光電脈搏測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)報(bào)告一、設(shè)計(jì)意義從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。目前醫(yī)院的護(hù)士每天都要給住院的病人把脈記錄病人每分鐘脈搏數(shù)，方法是用手按在病人腕部的動(dòng)脈上，根據(jù)脈搏的跳動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)。為了節(jié)省時(shí)間，一般不會(huì)作1分鐘的測(cè)量，通常是測(cè)量10秒鐘時(shí)間內(nèi)心跳的數(shù)，再把結(jié)果乘以6即得到每分鐘的心跳數(shù)，即使這樣做還是比較費(fèi)時(shí)，而且精度也不高，因此，需要有使用更加方便，測(cè)量精度更高的設(shè)備。二、關(guān)鍵技術(shù)脈搏檢測(cè)中關(guān)鍵技術(shù)是傳感器的設(shè)計(jì)與傳感器輸出的微弱信號(hào)提取問題，本文設(shè)計(jì)的脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)以光電檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，并采用了脈沖振幅光調(diào)制技術(shù)消除周圍雜散光、暗電流等各種干擾的影響。并利用過采樣技術(shù)和數(shù)字濾波等數(shù)字信號(hào)處理方法，代替實(shí)現(xiàn)模擬電路中的放大濾波電路的功能。本系統(tǒng)模擬電路簡(jiǎn)單，由ADC841芯片實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)采集，信號(hào)處理和脈搏次數(shù)的計(jì)算等功能,因此體積小，功耗低，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)脈搏波的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)并可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)（PC機(jī)）的實(shí)時(shí)通訊，因此可作為多參數(shù)病人中心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)模塊完成心率檢測(cè)和脈搏波形顯示。三、硬件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)框圖光電脈搏測(cè)量?jī)x是利用光電傳感器作為變換原件，把采集到的用于檢測(cè)脈搏跳動(dòng)的紅外光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，用電子儀表進(jìn)行測(cè)量和顯示的裝置。本系統(tǒng)的組成包括光電傳感器、信號(hào)處理、單片機(jī)電路、數(shù)碼顯示、電源等部分。脈搏測(cè)量?jī)x硬件框圖如圖1所示。當(dāng)手指放在紅外線發(fā)射二極管和接收三極管中間，隨著心臟的跳動(dòng)，血管中血液的流量將發(fā)生變換。由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液飽和程度的變化將引起光的強(qiáng)度發(fā)生變化，因此和心跳的節(jié)拍相對(duì)應(yīng)，紅外接收三極管的電流也跟著改變，這就導(dǎo)致紅外接收三極管輸出脈沖信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大、濾波、整形后輸出，輸出的脈沖信號(hào)作為單片機(jī)的外部中斷信號(hào)。單片機(jī)電路對(duì)輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理后把結(jié)果送到數(shù)碼管顯示。脈搏信號(hào)采集與放大整形目前脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)有以下幾種檢測(cè)方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應(yīng)變式脈搏傳感器。近年來，光電檢測(cè)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很快，這主要是由于光能避開強(qiáng)烈的電磁干擾，具有很高的絕緣性，且可非侵入地檢測(cè)病人各種癥狀信息，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

單、無損傷、精度高、可重復(fù)好等優(yōu)點(diǎn)。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學(xué)儀器工作的專家和學(xué)者的重視。脈搏信號(hào)介紹由于光電傳感器所輸出的信號(hào)波源強(qiáng)度比較弱，且為類似于正弦波波形，如圖2所示，所以對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大整形處理，使其以較強(qiáng)方波形式輸出。3.2.2放大整形電路3.2.2放大整形電路圖2脈搏仿真信號(hào)正弦波圖3信號(hào)采集放大整形電路pAA/V圖圖4整形后的方波

pAA/V圖圖4整形后的方波圖5脈搏信號(hào)對(duì)比單片機(jī)處理電路如圖6所示，本部分運(yùn)用了89C51單片機(jī)作為核心元件，在這里運(yùn)用單片機(jī)能更快更準(zhǔn)確地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，而且可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行編程，所用外圍元件少，輕巧省電，故障率低。來自傳感和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機(jī)89C51的P3.5/T1引腳，單片機(jī)設(shè)為下降沿中斷觸發(fā)模式，故每次脈沖下降沿到達(dá)時(shí)觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行計(jì)時(shí)，來一個(gè)脈沖脈搏次數(shù)就加一；定時(shí)器中斷主要完成十秒鐘的定時(shí)功能。單片機(jī)對(duì)十秒鐘內(nèi)的脈沖次數(shù)進(jìn)行累加并進(jìn)行計(jì)算得出所測(cè)人一分鐘的脈搏次數(shù)，通過P0、P2口把測(cè)量過程和結(jié)果送到數(shù)碼管顯示出來。圖6單片機(jī)處理電路顯示電路￡oC5R7R6192C6632919cT爭(zhēng)R2所示116P3.6/WR液晶屏技術(shù)指標(biāo)AT89D51顯7F容量WX2個(gè)子付B0B1B2B3B4B5BBB7bObTbTbTb4484帖4?127芯片工件電壓:工件電流:模塊最佳工作電壓:字符尺寸:4.5-5.5V2.OmA(5.0V)5.0V2.95X4.35(WXH)ititiQ8CDERGDP122斗豈匚-XT.AL1XTAL2RST￡oC5R7R6192C6632919cT爭(zhēng)R2所示116P3.6/WR液晶屏技術(shù)指標(biāo)AT89D51顯7F容量WX2個(gè)子付B0B1B2B3B4B5BBB7bObTbTbTb4484帖4?127芯片工件電壓:工件電流:模塊最佳工作電壓:字符尺寸:4.5-5.5V2.OmA(5.0V)5.0V2.95X4.35(WXH)ititiQ8CDERGDP122斗豈匚-XT.AL1XTAL2RSTR1110k74LS2^I510uF-1SMCPO.OZADOPO.1JWD1P0.2ZAD2P0.3ZADGFQ/MAD4P0.5ZAD5PO.BjWDGP0.7ZAD7P2.(WP2.1ZSSP2.2jW.10P2.3ZA.11P2.4JA12P2.5ZA.13P2.6j￥V14P2.7jW.15PSENALEEAP15P1JBP1.7CE_AB.-BAIooP1J0P3.0/RXD1602液晶屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，其其主要技術(shù)參數(shù)如表P1.4P3.4TO-4^——P4*PQ-SfT-1———C2Z-L:!19接口信號(hào)說明如表2所示。表2液晶屏接口信號(hào)說明編號(hào)符號(hào)引腳說明編號(hào)符號(hào)引腳說明!VSS電源地9D2DataI/O2VDD電源正極10D3DataI/O3VL液晶顯示偏壓倍號(hào)11MData1/O4RS數(shù)據(jù)/■命令選擇遙Eg12D5DataI/O5眈讀/寫選擇端（H/L）13D6DataI/O@E使能侶號(hào)14D7DataI/O1DODataI/O15BLA背光源正極DIDataI/OIGBLK背光源負(fù)極與單片機(jī)接口電路如圖7所示。其中J2的3腳為背光引腳，R9和R10電阻用于調(diào)節(jié)背光亮度。J2的4、5、6引腳分別接液晶的RS、E/W和E控制引腳，J2的7—14引腳為數(shù)據(jù)引腳。圖7LCD與單片機(jī)接口電路圖8主程序流程圖四、軟件編程軟件流程圖系統(tǒng)初始化之后,進(jìn)行定時(shí)器中斷、外部中斷、顯示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序。流程如圖8所示。定時(shí)器中斷程序流程

定時(shí)器中斷服務(wù)程序由十秒鐘鐘計(jì)時(shí)、按鍵檢測(cè)、有無測(cè)試信號(hào)判斷等部分組成。當(dāng)定時(shí)器中斷

開始執(zhí)行后，對(duì)十秒鐘開始計(jì)時(shí)，50ms計(jì)時(shí)到之后繼續(xù)檢測(cè)下50ms，直到10s到了再停止并保存測(cè)

得的脈搏次數(shù)。同時(shí)可以對(duì)按鍵進(jìn)行檢測(cè)，只要復(fù)位測(cè)試值就可以重新開始測(cè)試。主要完成一分鐘的

定時(shí)功能和保存測(cè)得的脈搏次數(shù)。流程如圖9所示。0中斷進(jìn)入N到1S?Y到1OS?YY處于檢測(cè)?定時(shí)器初始值設(shè)置保存脈搏數(shù)0中斷進(jìn)入N到1S?Y到1OS?YY處于檢測(cè)?定時(shí)器初始值設(shè)置保存脈搏數(shù)返回*■繼續(xù)計(jì)時(shí)按鍵檢測(cè)圖9定時(shí)器中斷程序流程圖INT中斷程序流程外部中斷服務(wù)程序完成對(duì)外部信號(hào)的測(cè)量和計(jì)算。外部中斷采用邊沿觸發(fā)的方式，當(dāng)處于測(cè)量狀態(tài)的時(shí)候，來一個(gè)脈沖脈搏次數(shù)就加一，由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器控制十秒鐘，并通過計(jì)算得出一分鐘內(nèi)的脈搏次數(shù)。流程如圖10所示。圖10INT中斷程序流程圖源程序#include<reg52.h>//頭文件#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintucharcodetable[]="YourPulse-Rate";//15字符ucharcodetable1[]="About";//7字符ucharcodetable2[]="0123456789";//顯示3字符ucharcodetable3[]="/Min";//5字符sbitlcden=P3^4;//液晶使能端sbitlcdrs=P3^5;//液晶數(shù)據(jù)命令選擇端sbitkey=P3^3;ucharcount,num;//定義計(jì)數(shù)值uintn;voiddelay(uintz)//延時(shí)子函數(shù){uintx,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=110;y>0;y--);}voidwrite_com(ucharcom)//液晶顯示器寫命令函數(shù){lcdrs=0;P0=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;}voidwrite_data(uchardate)//液晶顯示器寫數(shù)據(jù)函數(shù){lcdrs=1;P0=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;voidinit(){voidinit(){TMOD=0x21;TL0=0x00;TH0=0xDC;//初始化函數(shù)//設(shè)置定時(shí)器模式//設(shè)置定時(shí)初值//設(shè)置定時(shí)初值TL1=0xFd;//9600波特率的初值,板子使用12M晶振，初值=256-11059200/32/11.0592/9600//TH1=0xFd;//EA=1;TR1=1;//啟動(dòng)波特率發(fā)生SCON=0x50;//設(shè)置串口方式2ET0=1;lcden=0;write_com(0x38);//設(shè)置16X2顯示，5X7點(diǎn)陣,8位數(shù)據(jù)接口write_com(OxOc);//設(shè)置開顯示，不顯示光標(biāo)write_com(0x06);//寫一個(gè)字符后地址指針加1write_com(0x01);//顯示清零，數(shù)據(jù)指針清零write_com(0x80);for(num=0;num<15;num++){write_data(table[num]);delay(5);}write_com(0x80+0x40);for(num=0;num<7;num++)write_data(table1[num]);delay(5);}write_com(0x80+0x4A);for(num=0;num<5;num++){write_data(table3[num]);delay(5);}}voiddisplay(uintshu)//顯示函數(shù){uintge,shi,bai;ge=shu%10;shi=shu%100/10;bai=shu/100;write_com(0x80+0x47);write_data(table2[bai]);delay(5);write_data(table2[shi]);delay(5);write_data(table2[ge]);delay(5);}//串口發(fā)送函數(shù)（可選）voidsend(uintk)//串口發(fā)送函數(shù)（可選）{uintge,shi,bai;ge=k%10;shi=k%100/10;bai=k/100;SBUF=table2[bai];while(!TI);TI=0;SBUF=table2[shi];while(!TI);TI=0;SBUF=table2[ge];while(!TI);TI=0;}voidT0_time()interrupt1//定時(shí)器中斷,定時(shí)時(shí)間為1ms{n++;TL0=0x00;//重裝定時(shí)初值TH0=0xDC;//重裝定時(shí)初值}voidmain()//主函數(shù){uintpulse;init();delay(5000);TR0=1;//定時(shí)器1開始計(jì)時(shí)while(1){if(count==0&n!=0)n=0;if(key==1)//接收到脈搏高電平就計(jì)數(shù){delay(400);count++;}if(count二=8)//每接收到8次就計(jì)算顯示{TR0=0;pulse=48000/n;//n的值即為n毫秒，由于是計(jì)數(shù)8個(gè)就顯示一次數(shù)，所以用48000毫秒除以n即可得到每分鐘脈搏數(shù)display(pulse);//送去顯示send(pulse);//發(fā)送每分鐘脈搏數(shù)(可選)pulse=0;n=0;count=0;TL0=0x00;//重裝定時(shí)初值TH0=0xDC;//重裝定時(shí)初值TR0=1;}}}五、抗干擾措施及使用方法5.1抗干擾措施為了提高測(cè)量?jī)x的精確度，系統(tǒng)首先要解決的是硬件方面的干擾問題。光電式脈搏測(cè)量?jī)x的測(cè)量過程中，前端測(cè)量到的脈搏信號(hào)十分微弱，容易受到外界環(huán)境干擾，其中主要的干擾源有測(cè)量環(huán)境光干擾、電磁干擾、測(cè)量運(yùn)動(dòng)噪聲。5.2環(huán)境光對(duì)脈搏傳感器測(cè)量的影響在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號(hào)不僅包含脈搏信息的透射光的信號(hào)，而且包含測(cè)量環(huán)境下的背景光信號(hào)，由于動(dòng)脈波動(dòng)引起的光強(qiáng)變化比背景光的變化微弱得多，因此在測(cè)量過程當(dāng)中要保持測(cè)量背景光的恒定，減少背景光的干擾。測(cè)量環(huán)境下的背景光包含環(huán)境光和在測(cè)量過程中引起的二次反射光。為了減少環(huán)境光對(duì)脈搏信號(hào)測(cè)量的影響，同時(shí)考慮到傳感器使用的方便性，采用密封的指套式包裝方式，整個(gè)外殼采用不透光的介質(zhì)和顏色，盡量減小外界環(huán)境光的影響，為了避免測(cè)量過程中的二次反射光的影響，在指套式傳感器的內(nèi)層表面涂上一層吸光材料，這樣能有效減少二次反射光的干擾。加上指套式外殼后的脈搏傳感器測(cè)量到的脈搏波形比較平滑。這是因?yàn)榧又柑资降拿}搏傳感器中環(huán)境光在測(cè)量過程中基本不受外界環(huán)境光的影響，而且能夠有效減少二次反射光，使照射到手指上的光波長(zhǎng)單一，所以得到的脈搏信號(hào)較為穩(wěn)定，沒有明顯的重疊雜波信號(hào)，能夠很好的體現(xiàn)出脈搏波形的特征。電磁干擾對(duì)脈搏傳感器的影響通過光電轉(zhuǎn)換得到的包含脈搏信息的電信號(hào)一般比較微弱，容易受到外界電磁信號(hào)的干擾，在傳統(tǒng)的光電式脈搏傳感器電路中，由于光敏器件和放大電路是分離的，那么在信號(hào)的傳遞過程就很容易受到外界電磁干擾，通常在一級(jí)放大電路采用電磁屏蔽的方式來消除電磁干擾。本系統(tǒng)采用了新型的光敏器件，在芯片內(nèi)部集成光敏器和一級(jí)放大電路，有效地抑制了外界電磁信號(hào)對(duì)原始脈搏信號(hào)的干擾。工頻干擾是電路中最常見的干擾，脈搏信號(hào)變化緩慢，特別容易受到工頻信號(hào)的干擾，因此對(duì)工頻信號(hào)干擾的抑制是保證脈搏信號(hào)測(cè)量精度的主要措施之一。通常脈搏信號(hào)的頻率范圍在0.3－30Hz之間