《基于單片機(jī)的脈象信號采集系統(tǒng)設(shè)計》12000字

基于單片機(jī)的脈象信號采集系統(tǒng)設(shè)計TOC\o"1-2"\h\u17986第1章緒論 7164231.1文獻(xiàn)綜述 7152231.2課題研究背景及意義 8250841.3研究現(xiàn)狀 9273261.4本論文的工作 1019068第2章脈象信號采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 11123922.1脈象信號采集系統(tǒng)的總體設(shè)計 11219172.2光電脈象測量儀工作原理 1128092第3章硬件系統(tǒng) 14102633.1控制器 14253633.2光電傳感器在脈象信號采集系統(tǒng)中的應(yīng)用 16239153.3信號放大 17287143.4單片機(jī)最小系統(tǒng) 18265003.5顯示電路 2050913.6脈搏心率測量儀電路原理圖 2113296第4章軟件系統(tǒng) 2338344.1程序模塊設(shè)計 2331324.2脈搏信號采集處理模塊的設(shè)計 24270074.3顯示模塊的設(shè)計 2446194.4設(shè)計實物展示 2622809第5章總結(jié)與展望 2731947第6章附錄 2913911參考文獻(xiàn) 33

第1章緒論隨著人類生活水平不斷地提高，人口也隨之日益增長，身體健康成為人們炙手可熱的話題，據(jù)查資料顯示：醫(yī)院平均就診率每年也呈現(xiàn)上升趨勢，一年平均就診率達(dá)到72.3%，然而傳統(tǒng)中醫(yī)診斷效率相對較低，高水平的中醫(yī)人數(shù)也相對有限等問題日益凸顯，出現(xiàn)醫(yī)患需求數(shù)量失衡的現(xiàn)象，而脈象診斷研究有望解絕此現(xiàn)存問題。，為了響應(yīng)我們國家為人民服務(wù)的宗旨，科學(xué)家們不斷探索，將傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相互串通、結(jié)合，不僅促進(jìn)了傳統(tǒng)中醫(yī)診斷技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的發(fā)展，而且實現(xiàn)了比人工診療更科學(xué)、更高效、更客觀的診斷。在保證脈象信號采集系統(tǒng)可靠性的情況下，結(jié)合脈診與計算機(jī)技術(shù)，科學(xué)家們和醫(yī)療專家將脈象信號采集輔助系統(tǒng)投用到醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域，實現(xiàn)脈診成為一件操作簡單而且效率較高的設(shè)想，促使診斷效率得到明顯提高[1]。1.1文獻(xiàn)綜述目前，在醫(yī)學(xué)臨床上使用光電式傳感器研制的各類脈象信號檢測系統(tǒng)受到專家們的青睞，取得了較為理想的效果。本文設(shè)計的脈象信號采集系統(tǒng)采用的是光電式非接觸型檢測，該設(shè)計是通過心室舒張收縮出現(xiàn)血液變化，從而在恒定光源的照射下產(chǎn)生不同的反射信號，將該信號放大等處理后[2]，再由單片機(jī)將處理后的數(shù)據(jù)通過用電子儀表進(jìn)行測量和顯示。其中的STC89C52單片機(jī)是一種低功耗、高性能微控制器，利用外部中斷對脈搏信號進(jìn)行計數(shù)達(dá)到提高測量準(zhǔn)確性的目的，為控制脈象信號系統(tǒng)提供了高靈活的測量技術(shù)[4]。手指尖輕放光電傳感器上，傳感器的紅外線照射到人體的手指尖部位，經(jīng)過手指組織的反射和衰減，由光電傳感器中的光敏接收三極管來接收其透射光，并把該透射光轉(zhuǎn)換成電信號[5]。其檢測實質(zhì)是血液流動交換含氧血紅蛋白與不含氧血紅蛋白時對光的反射或透過程度不同，則可利用該特性來用光電傳感器對其進(jìn)行信號的采集轉(zhuǎn)換。據(jù)醫(yī)學(xué)說明，人體有兩大血液交換場所，一個是心肺，另一個交換場所則是在人體末梢，例如人體手腳指尖以及一些比較薄弱的部位；考慮到透光性以及其他因素，以人手指尖部位來對脈象信號進(jìn)行檢測。由于心臟的跳動使得動脈血的變化呈周期性，紅外光發(fā)射二極管對動脈血液照射時血液的透過性和折射性也是呈周期性變化的，由紅外接收三極管收到的非電量信號經(jīng)過單片機(jī)轉(zhuǎn)換成物理量，便于輸出，再把該電信號通過調(diào)理電路放大、濾波整形、計數(shù)后進(jìn)行顯示。脈搏心率波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強(qiáng)度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的脈象信號，在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,因此對脈象信號采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價值和應(yīng)用前景[6]。本文的工作在一定程度上推動脈象信號檢測的發(fā)展，具有很好的意義。1.2課題研究背景及意義隨著網(wǎng)絡(luò)時代的到來，如今互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展帶動高科技技術(shù)發(fā)生著日新月異的變化，社會對科技進(jìn)步所能帶給人類生活的便利提出了越來越高的要求；毫無疑問的是，網(wǎng)絡(luò)信息時代的生活下，人類將較多不要求主觀判斷很強(qiáng)的工作交給了智能機(jī)械操作，工作效率以及精確度得到大幅度的提升。觀察我們周邊的生活，可以清楚的感知到信息技術(shù)無處不在；像許多的智能家居——語音智能音箱、自動洗碗機(jī)、掃地機(jī)器人等極大的便利了人們的生活。在新型冠狀病毒肺炎疫情防控期間，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在教學(xué)中也扮演了一個重要的角色，線上教學(xué)發(fā)揮了重要作用，停課不停學(xué)，在抗擊疫情中大放異彩。脈象診斷從古至今已有悠久的歷史，在中醫(yī)學(xué)里沿用至今，證明了脈象診斷在人類醫(yī)學(xué)上的重要地位。古代中醫(yī)就有“望、聞、問、切”為主要診斷手法，其中的“切”及就是醫(yī)生用手指放于病人動脈脈搏處按切以查脈象，了解病人的病情。在沒有依靠任何儀器的情況下，醫(yī)生借助多年診斷經(jīng)驗來識別病情，診斷過程缺少客觀性，會帶來較多的由主觀性導(dǎo)致的誤診。在人類對健康日益重視與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)治療手段的矛盾下，人類開始思考，如何能夠在保證脈象采集精準(zhǔn)的前提下提高效率。為了實現(xiàn)這一想法，人類不斷探索各種方法，利用高科技不斷完善各個領(lǐng)域的各種輔助工具的功能，使其操作系統(tǒng)化、更簡便、更高效。近年來，健康意識在人們心中不斷的提升，我們以它為縮影，投射科技變化帶來的生活便利。在保證脈象信號采集系統(tǒng)可靠性的情況下，結(jié)合脈診與計算機(jī)技術(shù)，科學(xué)家們和醫(yī)療專家將脈象信號采集輔助系統(tǒng)投用到醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域，讓脈診成為一件操作簡單且高效率的事，提高診斷效率。脈象信號的檢測和脈率測量對人體健康具有極其重要的監(jiān)護(hù)意義，現(xiàn)代科技技術(shù)的突出特點及就是借助計算機(jī)實現(xiàn)信息的獲取、傳遞、處理以及信息利用等[6]。這得益于電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)在人們的日常生活中得到廣泛的應(yīng)用，為中醫(yī)脈診技術(shù)的客觀化和數(shù)字化在技術(shù)上提供了保障和支撐，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已取得了一定的成果。如由上海中醫(yī)藥大學(xué)研發(fā)的ZM-III智能脈象儀，王殆俊等人設(shè)計的MXY-II型脈象儀[7]等，都在一定程度上被應(yīng)用到醫(yī)學(xué)臨床上。但由于其使用需要和計算機(jī)配合，成本較高、體積大、攜帶不方便，產(chǎn)生了僅適用于大型醫(yī)院等應(yīng)用場所的局限性；并不適用于個人使用，無法滿足慢性疾病患者、老年人等對于家庭日常的健康監(jiān)測的需求。因此，設(shè)計一款體積小、便于攜帶、成本低、耗能低的脈象信號采集系統(tǒng)，成為了新時代人類文明發(fā)展的必然需求。本文設(shè)計的脈象信號采集系統(tǒng)及就是在具備這樣一些條件的情況下可實現(xiàn)對脈象信息的采集、信號傳輸以及跟智能手機(jī)搭配使用，在智能機(jī)上對采集的相應(yīng)脈象的波形和脈率進(jìn)行實時顯示，適用于家庭日常使用。1.3研究現(xiàn)狀隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工智能和大數(shù)據(jù)的崛起，促進(jìn)人類整個社會的生產(chǎn)力的同時，也為醫(yī)學(xué)技術(shù)探索新的診治模式提供了契機(jī)。將脈象信號信息化、客觀化是脈象信號采集系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)，在根本上消除醫(yī)生的主觀判斷。主要通過采集脈搏進(jìn)行數(shù)字化、形象化分析，借助脈象標(biāo)準(zhǔn)判斷人體生理的情況[9].經(jīng)過客觀化、嚴(yán)謹(jǐn)化的數(shù)據(jù)處理，避免了外在因素可能引發(fā)的醫(yī)療事故。目前，脈搏測量儀已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，不僅在醫(yī)學(xué)上取得顯著的研究成果，順應(yīng)商業(yè)時代的發(fā)展，在體育健身中也引入了新進(jìn)的脈搏測量技術(shù)。1.3.1國外脈象信號采集系統(tǒng)研究早在1860年，德國生理學(xué)家Vierordt發(fā)明了世界上第一臺利用壓力傳感器記錄脈搏心率的儀器，脈搏首次以波形圖的形式被描記。近年來，國內(nèi)外前后研究了不同種類型的脈象信號檢測儀，研究方向集中在非接觸性無創(chuàng)傷式的邁向心率傳感器上。其主要的工作原理是通過光電式傳感器將采集到的脈搏的脈象信號轉(zhuǎn)化成電信號，然后經(jīng)過放大電路，利用計算機(jī)或是記錄儀器對采集到的脈象信息進(jìn)行歸納分析處理，從而實現(xiàn)對心率波進(jìn)行統(tǒng)計輸出診斷[11]。其中日本對于脈診儀具有頗多的研究成果。石山仁[11]等研究的觸覺檢測脈搏計是通過應(yīng)用于手指部位，從而來達(dá)到檢測壓脈波并作記錄的目的，青壯年的六部定位心率波就是以該脈搏儀器測定的。隨后，日本醫(yī)學(xué)專家藤田六郎設(shè)計的光電管容積脈診儀，不用接觸人體任何部位就能檢測出最大脈搏波。根據(jù)研究顯示，為了適應(yīng)科學(xué)技術(shù)不斷融入人類各行各業(yè)當(dāng)中的發(fā)展趨勢，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)利用科技技術(shù)與醫(yī)學(xué)相結(jié)合，逐步實現(xiàn)將人體的一些生理信號轉(zhuǎn)換為可視信號。國內(nèi)外正逐步趨向于對超聲顯像方面的研究，不斷提升脈象波以及相關(guān)儀器的研究和發(fā)展。最新興起的超聲探測器，利用聲學(xué)特性檢測作為發(fā)展研究的方向，隸屬于非接觸式傳感器的超聲波傳感器，在無需觸頭接觸動脈的情況下，將脈象的真實性最大限度的呈現(xiàn)出來。1.3.2國內(nèi)脈象信號采集系統(tǒng)研究自20世紀(jì)50年代初，我國開始脈診的客觀化研究，朱顏[11]將脈搏心率儀引用到中醫(yī)脈診的客觀化研究方面，實現(xiàn)了國內(nèi)利用脈象儀器進(jìn)行中醫(yī)脈診客觀化研究的初次嘗試。脈象儀成為中醫(yī)脈象診斷客觀化研究的重要工具，其中的關(guān)鍵其實是對脈搏心率傳感器的研究，其次是脈象識別技術(shù)。起初科學(xué)家以及醫(yī)學(xué)專家們對用于體育測量的脈搏測量技術(shù)集中在對接觸式傳感器的研究，此類傳感器研發(fā)的測量儀參差不齊。指脈測量儀使用時需要夾在汗腺相對旺盛的手指處，容易造成儀器受到污染從而導(dǎo)致靈敏度下降，造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確；耳脈測量儀是通過對人體耳朵處動脈進(jìn)行檢測，受到的環(huán)境污染少，但是由于耳脈信號比較微弱，在冬天測量結(jié)果由于受溫度因素的影響，容易造成不準(zhǔn)確的測量結(jié)果。便攜式的電子血壓監(jiān)護(hù)儀器在過去的醫(yī)學(xué)臨床中被常用來測量脈搏心率，由于該測量儀體積龐大，并且是利用壓力式的測量方法，在每一次測量前需要對其進(jìn)行加壓或是減壓操作，容易造成被測機(jī)體不適、檢測精確度不高等問題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)上對脈象信號檢測儀的安全以及可靠性等方面的要求也越來越高，國內(nèi)市場上不同種類的脈象信號檢測儀相繼出現(xiàn)，其中對脈象傳感器的研發(fā)意義重大。1.4本論文的工作本論文的工作是基于傳感器的發(fā)展歷史和目前發(fā)展概況的認(rèn)識，對單片機(jī)理論的學(xué)習(xí)和掌握并將該計算機(jī)語言應(yīng)用于脈象信號采集系統(tǒng)中。從系統(tǒng)來看主要是上層采集系統(tǒng)和底層檢測系統(tǒng)兩部分的協(xié)調(diào)配合完成整個采集檢測的過程，具體檢測主要是需要完成對脈象信號采集系統(tǒng)的設(shè)計。即利用光電式傳感器來對人體脈象信號進(jìn)行采集；由于紅外線可以透過皮膚、血管并且可以被血液所吸收，單位時間內(nèi)血管的血容量隨著血液流動時刻變化，紅外線被吸收量的多少取決于血容量的多少，從而使得脈象信號采集就可以借助光電傳感器來測定血容量的變化，再將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號的情況下，實現(xiàn)對脈搏信號的實時顯示。然后將整個采集系統(tǒng)用C語言編寫成代碼，通過改變狀態(tài)量的參數(shù)得到最佳輸出，并對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，得出實驗結(jié)果。最后，總結(jié)實驗結(jié)論，寫出本論文的不足以及對脈象信號采集系統(tǒng)未來發(fā)展的期望。

第2章脈象信號采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2.1脈象信號采集系統(tǒng)的總體設(shè)計本文設(shè)計的基于單片機(jī)的脈象信號采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計由STC89C52單片機(jī)、數(shù)碼管顯示器、光電傳感器、LM358放大器、藍(lán)牙等組成；以STC89C52單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)碼管顯示模塊等模塊化思路，組成系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。使用非接觸式測量的光電傳感器作為數(shù)據(jù)采集器，由LM358放大器組成的電路對傳感器采集到的脈沖信號在經(jīng)過放大、整形濾波處理后，把信號運(yùn)送到單片機(jī)I/O口，利用單片機(jī)自身的定時中斷、計數(shù)等功能實行運(yùn)算得出心率。2.2光電脈象測量儀工作原理手指尖輕放光電傳感器上，人體的手指部位經(jīng)過紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射，由于人體血液循環(huán)流動伴隨著心臟跳動變化，血液的透光性和對光的反射程度不一樣，導(dǎo)致了光電接收三極管接收到的脈象信號強(qiáng)弱不一樣，這樣只要將紅外光接受三極管獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算處理，連接單片機(jī)I/O口，再利用自身單片機(jī)外部中斷計數(shù)的功能對該脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，最終用數(shù)碼管顯示出一個成年人一分鐘的脈波心率跳動次數(shù)。光電脈象心率測量儀與傳統(tǒng)的脈象心率測量儀相比，光電式脈象心率測量儀具有較好的穩(wěn)定性、使用壽命長、采用非接觸式測量、測量速度快以及較高的性價比等特點。圖2-2脈象信號采集系統(tǒng)工作原理圖2.2.1微控制器模塊本文設(shè)計系統(tǒng)選用的STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器單片機(jī)，其中還包含了電源電路、復(fù)位電路、還有晶振電路。由于STC89C系列的單片機(jī)的工作電壓相對較寬，因此本系統(tǒng)單片機(jī)可工作于3.4V~6V的范圍，該設(shè)計的供電裝置采用的是安卓USB充電線連接插頭進(jìn)行供電。單片機(jī)通常使用上電復(fù)位以及人工按鍵復(fù)位兩種方式來確保復(fù)位電路的可靠性。晶振電路利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在單片機(jī)的XTAL1、XTAL2即就是輸入、輸出端外接定時元件，構(gòu)成能夠產(chǎn)生一個穩(wěn)定的自激振蕩的內(nèi)部振蕩器。2.2.2光電傳感器模塊本設(shè)計將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的手指部位，經(jīng)過手指組織的反射和衰減由裝在該部位旁邊的光敏三管來接收其透射光并把它轉(zhuǎn)換成電信號[13]。信號采集部分有紅外光發(fā)射二極管和紅外光接收三極管兩個組成部分，它主要將折射回來的非電量信號轉(zhuǎn)換成方便測量的電信號，然后輸出。由于血液流動交換含氧血紅蛋白與不含氧血紅蛋白時對光的反射或透過程度不同，則可利用該色差特點來進(jìn)行采集脈象信號，于是通過光電傳感器檢測人體血管里血液流動的時候?qū)獾耐高^程度或折射程度等指標(biāo)來檢測脈象。2.2.3信號調(diào)理模塊用來處理由紅外光電傳感器采集到的低頻信號的模擬電路，包括放大、濾波、整形等。本文中系統(tǒng)在單片機(jī)控制紅外傳感器取得原始脈象信號的時候，就開始上述一系列的信號處理。2.2.4藍(lán)牙模塊智能手機(jī)的出現(xiàn)極大地改變了人類信息傳送和接收的方式，其中藍(lán)牙傳送功能使得信息的傳送和接收迅速而且便捷。因此本文設(shè)計的脈象信號采集系統(tǒng)增入藍(lán)牙傳輸功能，直接與手機(jī)端的藍(lán)牙相連接，對脈象心率波進(jìn)行動態(tài)顯示。2.2.5顯示模塊數(shù)碼管是顯示器中的一種，利用對它的各種不同引腳進(jìn)行電流的輸入，即就是用用驅(qū)動電路來點亮其相應(yīng)的位置，進(jìn)而達(dá)到顯示我們想要的數(shù)字的功能[14]。數(shù)碼管在生活中極高的采用頻率，從側(cè)面反映了其因為價格便宜、操作簡單和功耗低等優(yōu)點而大量的應(yīng)用在家電領(lǐng)域。例如我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷谋?、電子體重稱、空調(diào)、熱水器等等，絕大多數(shù)家用電器基本都能看見數(shù)碼管的身影。動態(tài)顯示、靜態(tài)顯示都是數(shù)碼管的顯示方式，兩者之間的差異在于，靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示相比，會占用較多單片機(jī)I/O口，造成不必要的資源浪費，并且動態(tài)顯示相對而言不僅占用較少單片機(jī)I/O口，而且功耗更低，因此我們一般都是采用動態(tài)顯示驅(qū)動，本文顯示脈搏跳動的次數(shù)采用的便是動態(tài)顯示驅(qū)動的數(shù)碼管顯示器。第3章硬件系統(tǒng)3.1控制器本文所設(shè)計的脈象信號采集系統(tǒng)是基于STC系列單片機(jī)來實現(xiàn)的。它的功能好、抗干擾性強(qiáng)，并且體積小、價格便宜、使用起來方便，可以靈活的構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。結(jié)合本文設(shè)計的需求，我最終選擇了比較普遍通用的STC89C52單片機(jī)來實現(xiàn)本文系統(tǒng)的設(shè)計。3.1.1STC89C52單片機(jī)結(jié)構(gòu)和特點STC89C52是STC公司生產(chǎn)的具有8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器。STC89C52單片機(jī)使用MSC-51內(nèi)核，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容，但做了許多改進(jìn)，使該芯片與傳統(tǒng)51單片機(jī)相比具有更多功能。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和在線可編程Flash，使得該芯片為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。利用該單片機(jī)的外部中斷對脈搏信號進(jìn)行計數(shù)提高準(zhǔn)確性，為控制脈象信號檢測提供了高靈活的技術(shù)[16]。STC89C52的主要功能特點如下表：表3-1-1STC89C52主要特性兼容MCS51指令系統(tǒng)8k字節(jié)Flash32位雙向I/O口線512字節(jié)RAM2個串行中斷3個16位定時器/計數(shù)器2個外部中斷源內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路2個讀寫中斷口線可編程串行UART通道低功耗空閑和掉電模式一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)可降致0Hz靜態(tài)邏輯操作兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)3級加密位軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能STC89C52單片機(jī)芯片的部分I/O口的功能如下：I/O口：包括P0口（P0.7-P0.0引腳）、P1口（P1.7-P1.0引腳）、P2口（P2.7-P2.0引腳）、以及P3口（P3.0-P3.7引腳），其中P0口屬于8位漏極開路的雙向IO口，作為準(zhǔn)雙向口程序校驗時，需要加上外拉電阻。P1口、P2口以及P3口都可作為8位準(zhǔn)雙向I/O口，它們I/O口內(nèi)部本身具有上拉電阻。此外，P1.0、P1.1引腳還有復(fù)用功能，如下表2-1所示。另外，P3口為8位多功能雙向端口，除了作為準(zhǔn)雙向I/O口用，還提供非常重要的第二功能，其第二功能定義表如表2-2所示。表3-1-1P1.0和P1.1引腳第二功能引腳第二功能說明P1.0T2定時器/計數(shù)器2外部計數(shù)輸入P1.1T2EX定時器/計數(shù)器2捕獲/重裝觸發(fā)和方向控制表3-1-2P3口的第二功能定義引腳第二功能說明P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸出口P3.2外部中斷0P3.3外部中斷1P3.4T0定時器0外部計數(shù)輸入P3.5T1定時器1外部計數(shù)輸入P3.6外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通輸出P3.7外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通輸出3.1.2STC89C52的標(biāo)準(zhǔn)功能STC89C52還具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能，處于空閑模式時，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。在掉電保護(hù)方式下，自動保存RAM內(nèi)容、凍結(jié)振蕩器，單片機(jī)停止一切工作，等到下一個中斷或是硬件復(fù)位為止。STC89C52雙列直插封裝方式的引腳圖3.2光電傳感器在脈象信號采集系統(tǒng)中的應(yīng)用近年來脈象測量儀的廣泛應(yīng)用成為中醫(yī)教學(xué)上的重點，傳感器的種類和方案選擇與應(yīng)用是脈象診斷客觀化研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。不同傳感器決定了脈象測量儀不同的工作方式。據(jù)了解多種類型傳感器的出現(xiàn)使得目前檢測脈象心率的方式也多種多樣。例如光電式脈搏測量儀、壓力式脈搏測量儀、超聲波脈象測量儀等多種接觸式或非接觸式測量。機(jī)械式傳感器是應(yīng)用最早的接觸式傳感器，由于其在自動控制方面存在明顯的瑕疵，使得其在后來的研究和發(fā)展中受到了限制。近年來，由于光電式傳感器的出現(xiàn)，其利用光的投射性和折射性，實現(xiàn)不需要侵入機(jī)體就能達(dá)到對所需信號進(jìn)行獲取的目的，并且，光具有良好的絕緣性能夠有效的排除強(qiáng)烈的電磁干擾，加上其簡單的結(jié)構(gòu)和較高的精度等優(yōu)點使得它在臨床醫(yī)學(xué)檢測上迅速發(fā)展，光電式傳感器投入到醫(yī)學(xué)臨床上成為眾多學(xué)者和專家們的重點研究方向。本文選取的便是紅外光電傳感器采集人體脈象信號，其采用非接觸式測量，具有穩(wěn)定性好、可重復(fù)使用并且靈敏度高等優(yōu)點。3.2.1信號采集電路本次設(shè)計中用來對脈象信號進(jìn)行獲取的是ST188型號的光電傳感器，其主要將采集到的脈象信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號。由于傳感器轉(zhuǎn)換成的電信號往往非常微弱，據(jù)查資料顯示，對于非電量的微小變化，最小的信號幾乎只有毫伏級，因此為了能將轉(zhuǎn)化的微弱信號有效準(zhǔn)確的識別出來，我們需要對采集到的微弱的信號進(jìn)行放大、運(yùn)算處理，因為放大后的信號存在一定的干擾，因此需要對其進(jìn)行整形、濾波處理后，得到相對規(guī)則的脈沖信號，然后，利用單片機(jī)內(nèi)部定時計數(shù)功能對該脈沖信號進(jìn)行計數(shù)。非接觸檢測模式的ST188傳感器，主要組成分為光電發(fā)射二極管、紅外光接收三極管兩部分，其檢測距離在4-13mm可用，調(diào)整范圍大，。下圖是脈象信號的采集電路，紅外發(fā)射和接收裝置用U2表示，由于紅外光發(fā)射二極管的電流大小與發(fā)射角大小成反比，及就是電流越大，發(fā)射角就越小，產(chǎn)生的發(fā)射強(qiáng)度也就越大，因此對電阻R10的選取十分重要。如果R10過大，經(jīng)過紅外光發(fā)射二極管的電流就會偏小，則會造成紅外接收三極管無法準(zhǔn)確的辨別是否有脈象信號。相反，如果R10過小，結(jié)果亦是如此。最后基于對紅外接收三極管感應(yīng)紅外光靈敏度的考慮，最終選擇R10的電阻值為470Ω。當(dāng)手指離開傳感器或者出現(xiàn)干擾情況時，為了防止它致泄露到LM358輸入端造成錯誤指示，采用C4耦合電容把它隔斷。在檢測時一般出現(xiàn)以下兩種情況：一個是高靈敏晶體三極管中存在的暗電流影響因素，使得輸出電壓偏低造成無脈期。另一個是有脈期；當(dāng)有跳動的脈搏出現(xiàn)時，手指的透光性降低，雖然三極管中的暗電流減小，輸出電壓增大，但是由于光電采集到的脈象信號很微弱，因此采集到的信號首先經(jīng)過C4耦合，由電阻R5、電容C5濾波以消除掉高頻干擾后，再加到線性放大輸入端。圖3-2-1信號采集電路圖3.3信號放大3.3.1放大器的介紹LM358屬于雙運(yùn)算放大器。內(nèi)部包含兩個獨立的高增益運(yùn)算放大器?？蓪嵭袉巍㈦p電源工作方式，在特定的條件下，電源電流與電源電壓的大小無關(guān)。它的應(yīng)用范圍包括傳感放大器、直流增益部件和所有其他的可用單電源供電的運(yùn)算放大電路。LM358運(yùn)算放大器的引腳排列圖如下圖所示。其中，輸出端是1、7引腳；作為反相輸入端的2、6引腳；同相輸入端分別是3、5引腳；4引腳在雙電源工作時為負(fù)電源，單電源工作時接地；8引腳是正電源；1、2、3引腳和5、6、7引腳分別為兩個運(yùn)放通道。圖3-3-1LM358引腳排列圖由于LM358二運(yùn)放電路功耗低、可雙電源工作、電源電壓范圍寬、價格便宜，因而被廣泛應(yīng)用在各種電路中。3.3.2信號調(diào)理電路由于本文系統(tǒng)采用的是通過光電傳感器來采集脈象信號，光電模式對外界的干擾信號不具有很強(qiáng)的抗干擾能力，其中，一個尤為重要的問題是其傳輸?shù)男盘柗浅５男?，因此，為了解決這個問題，會對放大電路有較多一些的要求。本此設(shè)計選擇一款型號為LM358的放大器，如下圖所示。由于光電采集到的脈象信號很微弱，因此采集到的信號首先經(jīng)過耦合電容C4耦合，由R5、C5濾波消除高頻干擾，LM358將信號進(jìn)行放大。LM358放大器的內(nèi)部包含了兩個相互獨立的帶有頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，可用范圍非常廣泛。LM358在電路中還作電壓比較器。當(dāng)輸入信號時，在比較器輸入信號的每個后沿到來的時候輸出低電平，脈搏心率測量狀態(tài)用發(fā)光二極管進(jìn)行直觀地顯示，測量時可以看到發(fā)光二極管隨著脈搏心率的跳動而閃爍。同時，單片機(jī)/INTO腳接收到該脈沖電平信號，開始對心率的計算和顯示。圖3-3-2信號調(diào)理電路圖3.4單片機(jī)最小系統(tǒng)3.4.1單片機(jī)復(fù)位電路由外部的復(fù)位電路實現(xiàn)STC89C52單片機(jī)的復(fù)位。上電自動復(fù)位和人工按鍵復(fù)位為單片機(jī)復(fù)位電路的兩種方式：通過Vcc對外部復(fù)位電路的電容C充電實現(xiàn)復(fù)位的方式即就是上電自動復(fù)位,給RST引腳一個短暫的高電平信號，該信號隨著電源對電容的充電過程逐漸回落，就可實現(xiàn)自動上電復(fù)位，及接通電源就完成了對系統(tǒng)的復(fù)位操作。按鍵復(fù)位電路是通過利用復(fù)位端經(jīng)電阻與電源接通而實現(xiàn)的。本設(shè)計復(fù)位電路采用上述兩種復(fù)位方式。如下圖所示。圖3-4-1按鍵復(fù)位電路3.4.2時鐘電路時鐘電路由晶體振蕩、晶振控制芯片和電容組成。由于時鐘信號的控制，STC89C52單片機(jī)的內(nèi)部電路嚴(yán)格按照時序執(zhí)行指令進(jìn)行工作。常用的時鐘電路分為內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式兩種。引腳XTAL1和引腳XTAL2分別為STC89C51單片機(jī)內(nèi)部用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器的輸入端和輸出端。引腳XTAL1和XTAL2上外接定時元件，內(nèi)部振蕩器就形成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，下圖所示為stc89c52單片機(jī)內(nèi)部時鐘方式的電路。通過使用現(xiàn)成的外部時鐘振蕩器產(chǎn)生時鐘脈沖信號是外部時鐘電路；其常用于多個單片機(jī)同時工作，以便于它們之間的同步。3-4-2內(nèi)部時鐘方式電路圖3.4.3單片機(jī)的處理電路如下圖所示，本系統(tǒng)的核心元件采用的STC89C52單片機(jī)，STC系列的單片機(jī)抗干擾性強(qiáng)、運(yùn)作速度快、功耗低。在這里運(yùn)用STC89C51單片機(jī)能快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行采集和運(yùn)算，由STC89C52的INTO引腳接收來自紅外光電傳感器和整形輸出電路的脈沖電平，將單片機(jī)設(shè)為負(fù)跳變中斷觸發(fā)的方式，下降沿觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行計時，每來一個下降沿，脈搏心率次數(shù)就增一；利用定時器中斷完成一分鐘的定時功能，單片機(jī)對一分鐘內(nèi)的脈沖次數(shù)進(jìn)行累加。最后送到數(shù)碼管進(jìn)行實時顯示。圖3-4-3單片機(jī)處理電路圖3.5顯示電路3.5.1LED動態(tài)顯示本設(shè)計采用LED數(shù)碼管對脈搏跳動次數(shù)進(jìn)行動態(tài)顯示；單片機(jī)的P2.0-P2.3作為數(shù)碼管動態(tài)掃描位驅(qū)動輸出，P0口與數(shù)碼管端口連接，控制顯示器進(jìn)行顯示；由于單片機(jī)端口輸出電流能力弱，不能直接驅(qū)動數(shù)碼管，因此增加了三極管來驅(qū)動數(shù)碼管工作。并且數(shù)碼管價格低廉、穩(wěn)定性高等。顯示電路如圖：圖3-5-1LED數(shù)碼管動態(tài)顯示圖3.5.2移動終端顯示本文設(shè)計的脈象信號采集系統(tǒng)在顯示部分增設(shè)了藍(lán)牙模塊，用來對心率波進(jìn)行顯示。開啟后直接與手機(jī)端的藍(lán)牙相連接，并結(jié)合一款專門用于顯示心率波的app進(jìn)行顯示，以便我們能夠直觀的讀取脈象心率信息。圖3-5-2藍(lán)牙模塊3.6脈搏心率測量儀電路原理圖圖3-6電路原理圖

第4章軟件系統(tǒng)4.1程序模塊設(shè)計系統(tǒng)的主程序作為單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架，主要負(fù)責(zé)控制單片機(jī)按照預(yù)先的操作方式運(yùn)行。系統(tǒng)上電后進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，完成對單片機(jī)內(nèi)部寄存器、定時器和單片機(jī)的各端口工作狀態(tài)的設(shè)定；喚醒單片機(jī)內(nèi)部各小系統(tǒng)進(jìn)行定時中斷、外部中斷以及顯示等工作。圖4-1主程序流程圖4.2脈搏信號采集處理模塊的設(shè)計此部分程序設(shè)計包含了定時器中斷和外部中斷等部分系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化。定時器中斷服務(wù)程序主要進(jìn)行計數(shù)、掃描、有無信號的工作；定時器完成一分鐘的定時工作，單片機(jī)對一分鐘內(nèi)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計。同時對按鍵進(jìn)行檢測，檢測到有復(fù)位鍵按下就可以重新開始測試。外部中斷服務(wù)程序主要進(jìn)行脈象信號的測量、計算和讀數(shù)。將單片機(jī)設(shè)為負(fù)跳變中斷觸發(fā)的方式，下降沿觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行計時，每來一個下降沿，脈搏心率次數(shù)就加一；單片機(jī)內(nèi)部定時器完成一分鐘計時，最后計算出一分鐘內(nèi)的脈搏心率次數(shù)。圖4-2外部中斷流程圖4.3顯示模塊的設(shè)計本文采用的LED數(shù)碼管顯示數(shù)字，該設(shè)計采用的動態(tài)掃描顯示方式對測量中的脈搏心率跳動次數(shù)進(jìn)行實時顯示，從定時服務(wù)程序取得結(jié)果后，顯示所測得的脈搏數(shù)；并通過藍(lán)牙連接，在移動終端顯示出脈象心率信息。圖4-3數(shù)碼管顯示流程圖

4.4設(shè)計實物展示圖4-4實物展示

第5章總結(jié)與展望隨著工業(yè)時代的發(fā)展，單片機(jī)現(xiàn)如今的應(yīng)用已然是越來越廣泛，儼然已成為計算機(jī)發(fā)展以及在生活中應(yīng)用的方方面面，滲透在人們生活和工作的各個范疇，無論在哪個領(lǐng)域幾乎都能找到單片機(jī)的蹤跡。比如，我們生活中常見的全自動洗衣機(jī)、程控玩具、錄像機(jī)、攝影機(jī)飛機(jī)的儀器儀表等各種智能儀器，都離不開單片機(jī)技術(shù)。放眼望去整個科技時代，單片機(jī)技術(shù)被應(yīng)用到我們的生活就是一個跨時代的影響，它讓老舊的控制系統(tǒng)設(shè)計思想和方法從根本上得以改變。傳統(tǒng)上必須由數(shù)字電路或者模擬電路實現(xiàn)的，如今應(yīng)用單片機(jī)軟件技術(shù)方法即就可以實現(xiàn)大部分功能。這種微控制技術(shù)是對傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革新，通過利用軟件來代替硬件。單片機(jī)軟件控制技術(shù)越發(fā)受到人們的青睞。本論文的工作重點主要向大家介紹單片機(jī)是如何被應(yīng)用在脈象信號采集系統(tǒng)當(dāng)中，以及光電式脈象檢測又是如何在醫(yī)學(xué)上發(fā)揮作用的。本文設(shè)計程序采用的C語言進(jìn)行編程，程序的可讀性較好。程序中對前一次測量的脈搏心率數(shù)據(jù)進(jìn)行了自動保存，并利用數(shù)碼管以及移動終端app分別對心率跳動次數(shù)和心率波進(jìn)行實時顯示。執(zhí)行過程中如若出現(xiàn)干擾，則忽略該干擾而不顯示，從而降低讀入數(shù)據(jù)的誤差。此設(shè)計是分別從各個硬件系統(tǒng)對光電式脈象檢測進(jìn)行設(shè)計分析，利用單片機(jī)最小系統(tǒng)實現(xiàn)了脈搏心率的測量，其實現(xiàn)過程是由光電傳感器采集脈沖信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過信號放大、濾波和整形電路，然后通過單片機(jī)的外部中斷獲取輸出的信號并將心率的跳動次數(shù)在數(shù)碼管上進(jìn)行顯示，再經(jīng)過藍(lán)牙模塊與移動終端的連接，在手機(jī)上實現(xiàn)對心率波的顯示。該設(shè)計主要利用單片機(jī)自身的外部中斷、定時中斷、計數(shù)等功能，不僅實現(xiàn)對此次脈搏心率測量的次數(shù)的顯示，存儲這個數(shù)據(jù)，還能顯示脈搏心率波動情況；另外增設(shè)了藍(lán)牙與智能手機(jī)端完成連接顯示心率圖。本次所設(shè)計的脈搏信號采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、采集迅速，具有實際應(yīng)用意義。在此次畢設(shè)過程中，首先，特別感謝我的導(dǎo)師在我畢業(yè)設(shè)計期間不厭其煩的精心輔導(dǎo)，孜孜不倦的回答我不懂得的問題，謝謝王老師的耐心和溫和讓我得以順利地完成此次設(shè)計。由于本人的學(xué)習(xí)時間相對有限以及目前所掌握的知識不夠充分，本次設(shè)計雖然得以完成，但其中定有許多不足之處，例如：此外本次設(shè)計的脈象信號采集儀的功能相對來說比較單一，程序編寫得不是足夠簡練，電路板焊接得不夠美觀，采用的光電傳感器靈敏度不夠高等等；其次，本文中對脈象信號采集要求不高，如若抗干擾程度提高后，脈象信號采集系統(tǒng)的整個控制系統(tǒng)將被要求更好。不僅其反應(yīng)速度要做到更敏捷，其執(zhí)行速度也要提高，與此同時還要求其穩(wěn)定性得到升華。因此，若往后的研究中脈象信號采集系統(tǒng)設(shè)計的環(huán)境信息變得更加真實和復(fù)雜，需要對脈象信號采集系統(tǒng)的抗干擾性以及精確性進(jìn)一步提高。并且本人相信科技的進(jìn)步勢必會使測量儀的功能日益完善，其應(yīng)用領(lǐng)域也將會隨著科技技術(shù)的發(fā)展不斷擴(kuò)大，將會給我們的生活帶來更大更多的便利。

第6章附錄#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitwei1=P2^0;sbitwei2=P2^1;sbitwei3=P2^2;sbitwei4=P2^3;unsignedchari=0,timecount=0,displayOK=0,rate=0,aa=0;unsignedinttime[6]={0};ucharcodetable[]={0xc0,0xcf,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};voidSendByte(uchardat){SBUF=dat;while(!TI);TI=0;}voidDelayMs(unsignedintz){unsignedintx;for(;z>0;z--)for(x=110;x>0;x--);}voiddisplay(ucharbai,ucharshi,ucharge){ wei1=0; P0=bai; DelayMs(1); wei1=1; P0=0xff; wei2=0; P0=shi; DelayMs(1); wei2=1; P0=0xff; wei3=0; P0=ge; DelayMs(1); wei3=1; P0=0xff;} voidmain(){ TCON=0x01; EX0=1; TMOD=0x21; TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; ET0=1; TR0=0; EA=1; SCON=0x50;TH1=0xfd;TL1=0xfd;TCON=0x40;TR1=1;ES=1; while(1) { if(displayOK==1) { rate=60000/(time[1]/5+time[2]/5+time[3]/5+time[4]/5+time[5]/5); while(1) { SendByte(rate); display(table[rate/100],table[rate/10%10],table[rate%10]); } } DelayMs(300); }}voidex0()interrupt0{ EX0=0; if(timecount<8) { TR0=1; } else { time[i]=timecount*50+TH0*0.256+TL0/1000; TL0=(65536-50000)%256; TH0=(65536-50000)/256; timecount=0; i++; if(i==6) { i=1; displayOK=1; } } EX0=1;}voidet0()interrupt1{ TL0=(65536-50000)%256; TH0=(65536-50000)/256; timecount++; if(timecount>25) { i=0; timecount=0; displayOK=0; TR0=0; TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; }}voidRSINTR()interrupt4using2{ if(RI==1) { RI=0;