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红外线脉搏自动测量仪

摘要

现代医学认为心血管疾病己经成为危害人类健康的第一杀手因此寻找更加安全，有效和无创伤的心血管诊疗方法是当前医学界人士迫切的需求。

从单片机发出的测量信号经光源驱动电路进行功率放大后，送到指套式光电传感器的红光和红外发射二极管上，使它们发射光脉冲。测量时将人的中指夹在指套里，光脉冲透过手指，通过分析测量部位的血液随脉搏波动引起光吸收的变化推算人体的脉搏。

通过对信号放大，消抖，用555接成施密特触发器，整形成方波接入单片机T1口，通过TR0定时，TR1计数对数据处理，把脉搏数据传输给数码管输出。数码显示电路采用动态显示，采用74HC244锁存器作为驱动，用弹片机P2口作为数据输出端，P1口进行位选。

文章给出了系统的功能特点、设计原理、硬件电路及软件设计等。该系统在提高精度的同时也大大提高了系统的响应速度;该仪器成本低,可靠性高,操作方便。

关键词：红外线；脉搏；单片机

Abstract

The illness of heart is the first killer to health of human race in the modern medicines. The study of pulse wave, including its quantitative diagnose and propagation is one of the hot topics in the fields of clinical medicine, such as how to detect cardiovascular diseases and make early diagnosis without harm.

The signal that is from the microprocessor be blew up by lamp-house circuit sent to the glow and infrared diode of the photoelectric sensor and beamed the ray pulse. Putting the middle finger in the fingertip when the ray pulse permeates the finger and analyzing the signal be absorbed.

The pulse is calculated by measuring the variance of light absorption resulted from blood current waving in the measured part of human body .The signal be made blow up and face lifting by TR0 timing and TR1 taking count

The article gives the system's function, design principle hardware electric circuit and software design etc. It adopts the method of ANGA (Avoiding Noise and Gliding Average) to filter the orderly signal; In the exaltation accuracy it increase the response. The test result express that the steady error is smaller1%.

Key words: pulse test digital filtering;infrared ray;microprocessor

目录

摘要 ............................................................ II 第1章绪论. (3)

1.1概述 (3)

1.2本课题设计的要求和实现的方案 (3)

第２章硬件电路设计 (6)

2.1脉搏自动测量系统总图 (6)

2.2脉搏信号的数据采集 (6)

2.3脉搏信号的处理 (8)

2.489C51单片机红外线脉搏测量系统 (11)

2.5LED脉搏信号数码显示 (12)

2.6串行口通信 (14)

2.7本章小结 (15)

第3章系统软件设计 (16)

3.1总体的软件流程图 (16)

3.2数码显示 (17)

3.3定时器/计数器 (19)

3.4中断 (20)

3.5本章小结 (21)

第4章脉搏自动测量系统调试 (22)

4.1脉搏信号采集、处理的调试 (22)

4.2单片机系统定时器/计数器程序的调试 (22)

4.3脉搏信号数码显示电路的调试 (23)

4.4本章小结 (25)

结论 (26)

致谢 (27)

参考文献 (32)

第1章绪论

1.1 概述

从80年代单片机引入我国到现在，单片机已广泛的应用于电子设计中，使智能化水平在广度和深度上产生了质的飞跃，而且单片机体积小，功能强，性价比高的特点在智能仪表和工业控制领域获得广泛的应用。数字式脉搏测量系统的特点是以微处理器为核心，利用微处理器的控制、运算功能、具有智能化的特点。数字式脉搏测量电路显示不仅直观，测量精度高，而且便于进行自动控制，所以获得广泛的应用。

脉搏是人体活动最重要、最灵敏和最可靠的信源。早在两千年前，我们的祖先就开始用切脉诊治疾病．医生在3公分长的手腕部位动脉管段上，用手指作为拾取脉搏信号的传感器，就能断定五脏六腑之疾，诊治内、外、妇、儿之症，这其中必定蕴含着深奥的科学道理有待揭示。随着现代科学技术的发展，数字化、智能化、简单化成为必然趋势。使我们不懂医学的人，也能够及时容易地了解自己的身体状况。

现在取脉搏得方式一般都是用压力传感器，依靠脉搏的搏动带来压力变换来检测，来实现测脉搏。日常生活中,智能化电子产品将成为新的潮流趋势。目前市场上所推出的家庭医疗电子产品大多以测量血压为主,智能脉搏测试仪器尚不多见。本文针对市场上的家用医疗设备的需要及目前仪器所存在的缺陷,

1.2本课题设计的要求和实现的方案

（1）功能要求及性能指标：

1）功能要求：

①测量人体的脉搏数

②能随时察看数据

③脉搏过高过低有报警功能

2）性能指标：

①测量范围：18-300次／分

②测量精度：±3次

③测量时间：≤30S

④温度要求：常温下正常工作

（2）实现方案

光电测量利用动脉血的氧饱和度的不同带来透光性的差异来测量脉搏。人体动脉在心脏驱动下的搏动引起全身动脉血曾的扩张收缩和血液流量变化反映在被测位．就相应地引起光吸收的变化。通过检测血浓容量波动引起的光吸收量的变化．并消除非血液组织的影响测得脉搏信号。

通过对采集信号光电转换以及波形处理，对信号进行计数实现脉搏的测量。

人体生理物理学理论研究表明：氧合血红蛋白〔HbO2〕和还原血红蛋白（HB）对光普的吸收特性截然不同。如图1-1所示

图1-1 红光和红外光吸收曲线

考虑到机体组织对测量精度的影响．在选择光波波长时，要求氧合血红蛋白HbO2和还原血红蛋白Hb对该波段的吸光性能相对于非血液组织要强，但不能选择吸光系数太大的波段，那样透射光极弱，很难检测环境光的变化可能会对测量结果造成很大影响。由于氧合血红蛋白Hb02和还原氧合蛋白Hb对600nm以下波长光的吸光系数过大，不适宜权饱和度检测．从图1-1看到该光波波长应该在805nm左右，要做到理论上绝对相等是很难实现的。而该点的吸光系数随波长变化幅度比较大，这样当发光管存在个体差异时．很不利于调试替换而在900—950nm这个波段，两曲线变化缓慢且接近重合所以一般将波长选在此波段。光波长选在650nm 附近.因为在该段波长处，光对氧合血红蛋白HbO2和还原血红蛋白Hb吸收不数之差最大。本课题选用660nm红光和905nm红外光的两种单色光。［1］

反射式血氧饱和度检测系统是将反射式的传感器贴在人体表面，入射光经过人体组织后，由于组织对光的吸收和散射作用，从与入射光位于同一表面的接收部分收集经过了血管床中的血流调制的反射光信号，经过信号的放大、分离、有源滤波后，削抖。在单片机的控制下通过数码管正确的显示。

人体耳廓、指尖、脚趾、额头等处毛细血管丰富，组织比较薄，光容易透过组织吸光影响比较小，通常选择这些地方作为测量部位。光传感器，一般连用采用体积小、光波长单一性较好的发光二极管做光源一般有透射式和反射式两种光传感器。投射式探头选用弹性较好的软橡胶作长夹子形状，光源和光敏元件镶嵌在其中，它能够较稳定地夹在耳廓、脚趾或者指尖部位，并能保持测量部位血液地正常流动反射式深头轻贴在血液较丰富地皮肤表面，如额头等。

第２章硬件电路设计

2.1 脉搏自动测量系统总图

硬件电路共分四部分：脉搏信号的采集、处理、单片机系统以及数码显示串行通信部分。系统总图如下：

图2-１脉搏自动测量系统总图

2.2 脉搏信号的数据采集

脉搏信号的采集主要通过红外传感器来实现，红外线传感器主要部分是光源控制和驱动电路。

光源控制和驱动电路原理如下图所示。它主要是产生序列脉冲,驱动传感器上的两个波长分别为660nm和905nm的发光二极管（LED）。方波发生器产生频率

为572Hz、占空比为1/6的方波A经过二分频后产生信号C，C和C与A共同控制产生信D和E，再由D和E信号通过驱动器控制两个发光二极管LED和LED2按时序发光和熄灭，这里的D和E信号还将在后面的信号。［2］

分离电路中作为模拟开关的控制信号以完成电路对红光和红外光信号的分离。

图2-2 光源控制和驱动电路

信号时序如图2-3所示。这样我们就可以按时序形成红光、红外光、不发光三个工作状态，以便消除背景光的干扰，减少误差，提高测量的准确性。驱动器的作用是为发光二极管提供合适的工作电流，具体电路中由具有电流放大作用的三极管实现；为保证两发光管的光强在同一能级，需注意两个三极管的参数应较为接近。

图2-3 信号时序

2.3 脉搏信号的处理

脉搏信号的处理包括信号的放大、低通滤波、高通滤波、方波整形等部分。

2.3.1 脉搏信号的放大

透过动脉血管床的混合光信号经过传感器的接收器件光敏二极管后转换为电信号，该信号包括红光、红外光和暗光信号。由于该信号比较微弱，我们先用一个预放大电路将信号放大。该放大电路是具有较高抑制共模干扰能力的测量放大器，它因具有高输入阻抗、低失调电压、稳定放大倍数和低输出阻抗等优点，而被广泛应用于生物医学测量以及那些提供微弱信号而共模干扰较大的场合。［3］为了消除外界环境光的干扰影响，采用了同步检波的正／负极性切换电路将暗光信号从有用信号中减去，它由一个运放和模拟开关4066组成，如图2.5所示。其原理是：模拟开关受A控制，当A＝0时开关断开，运放的同相输入端为高阻抗输入，输入信号未经衰减而输入，受运放控制，使其反相输入端电位为正电位，其输入和输出电位相同,R上没有电流流过，相当于一个同相缓冲器，输出的信号和输入信号相同。当A＝1时开关导通，运放此时作为反向放大器工作，增益为-1，输入和输出信号反向。经过同步检波的正/负极性切换电路后暗光信号转换为负信号，而有用信号为正，再通过后面电路的积分作用使两信号极性相反的成分相减，从而从有用的复合信号中除去暗光信号。经过同步检波的正／负极性切换电路后，运用传感器控制部分产生的信号D和E控制模拟开关4066闭合和断开，使信号分成红光和红外光两路，然后我们分别对这两路信号进行低通滤波和高通滤波。

图2-4 信号放大

图2-5 同步检波

2.3.2 低通滤波

采用低通滤波器主要是消除容积脉搏波信号中高频噪声的干扰。为了得到更好的滤波效果，采用了一个截止频率为40HZ的二阶低通滤波器，如图2-6所示。

图2-6 低通滤波

2.3.3 高通滤波

经过低通滤波后容积脉搏波信号含有伏特级的直流信号和毫伏级的容积脉搏波交流信号，将此信号采集进计算机后就可以作为计算脉搏血氧饱和度所需要的直流成分。高通滤波器采用了截止频率为0.1Hz的二阶高通滤波器，如图2-7所示。最后，将高通滤波后的信号进行交流放大就可以采集进计算机作为计算脉搏血氧饱和度所需要的交流成分。

图2-7 高通滤波

2.3.4方波整形

图2-8施密特触发器

只要将555定时器的2号脚和6号脚接在一起，就可以构成施密特触发器。我们简记为“二六一搭“。这个施密特触发器的电压传输特性是反相的。5号脚悬空时，正向阈值电压和负向阈值电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。5号脚接控制电压Vco时，正向阈值电压和负向阈值电压分别为Vco和1/2Vco。能实现波形整，整形成方波。

图2-9 波形图

2.4 89C51单片机红外线脉搏测量系统

89C51单片机承担系统各项功能管理和数据处理的任务。经过转换后的数字信号由单片机通过T1采集，并以串口（RS-232）通信方式送入计算机进行处理，脉搏数字也可由数码管直接显示。本系统采用的单片机是美国ATmel公司的AT89C51芯片，主要负责在定时计算。AT89C51单片机性能介绍AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器。（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。［4］

2.4.1 主要特性

与MCS-51兼容；4K字节可编程闪烁存储器；寿命：1000写/擦；循环数据保留时间：10年；全静态工作：0Hz-24Hz；三级程序存储器锁

128*8位内部RAM；32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路。［5］

2.4.2 管脚说明

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。［6］

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当

对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL 门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

2.4.3 振荡器特性

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

2.4.4 芯片擦写

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。［7］

2.5 LED脉搏信号数码显示

P2口作为驱动口，P1口实现位选。数据从P2口输出后经过74HC244缓冲器对信号的放大，驱动数码管显示。通过P1口决定哪一个数码管亮。本电路采用的是动态显示。动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。其接口电路是把所有显示器的8个笔划段a-h同名端连在一起，而每一个显示器的公共极COM是各自独立地受I/O线控制。CPU向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是那个显示器亮，则取决于COM 端，而这一端是由I/O控制的，所以我们就可以自行决定何时显示哪一位了。而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。

图2-10 缓冲器实现数码显示

也可以采用移位寄存器来实现动态显示穿行输入并行输出。信号从P2.0输出，只有一位数据输出端。每一个数是8位的所以要传输一个数字要输出8次，而后通过74LS164并行输出。由P1口决定哪一个数码管点亮。

图2-11 移位寄存器实现数码显示

2.6 串行口通信

串行接口的一般概念单片机与外界进行信息交换称之为通讯。 8051单片机的通讯方式有两种：

并行通讯:数据的各位同时发送或接收。

串行通讯:数据一位一位顺序发送或接收。

图2-12 并行通讯与串行通讯

异步通讯：它用一个起始位表示字符的开始，用停止位表示字符的结束。其每帧的格式如下：

在一帧格式中，先是一个起始位0，然后是8个数据位，规定低位在前，高位在后，接下来是奇偶校验位（可以省略）最后是停止位1。用这种格式表示字符，则字符可以一个接一个地传送。［8］

波特率即数据传送的速率，其定义是每秒钟传送的二进制数的位数。例如，数据传送的速率是120字符/s，而每个字符如上述规定包含10数位，则传送波特率为1200波特。

同步通讯：在同步通讯中，每个字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志，占用了时间；所以在数据块传递时，为了提高速度，常去掉这些标志，采用同步传送。由于数据块传递开始要用同步字符来指示，同时要求由时钟来实现发送端与接收端之间的同步，故硬件较复杂。

在异步通讯中，CPU与外设之间必须有两项规定，即字符格式和波特率。字符格式的规定是双方能够在对同一种0和1的串理解成同一种意义。原则上字符格式可以由通讯的双方自由制定，但从通用、方便的角度出发，一般还是使用一些标准为好，如采用ASCII标准。［9］

通讯方向：在串行通讯中，把通讯接口只能发送或接收的单向传送方法叫单工传送；而把数据在甲乙两机之间的双向传递，称之为双工传送。在双工传送方式中又分为半双工传送和全双工传送。半双工传送是两机之间不能同时进行发送

和接收，任一时，只能发或者只能收信息。

8051串行接口是一个可编程的全双工串行通讯接口。它可用作异步通讯方式（UART），与串行传送信息的外部设备相连接，或用于通过标准异步通讯协议进行全双工的8051多机系统也可以通过同步方式，使用TTL或CMOS移位寄存器来扩充I/O口。

8051单片机通过引脚RXD（P3.0，串行数据接收端）和引脚TXD（P3.1，串行数据发送端）与外界通讯。SBUF是串行口缓冲寄存器，包括发送寄存器和接收寄存器。它们有相同名字和地址空间，但不会出现冲突，因为它们两个一个只能被CPU读出数据，一个只能被CPU写入数据。

2.7 本章小结

本设计实现了一种基于单片机的脉搏测量系统，在硬件结构上分为信号采集电路、信号处理电路、单片机小系统、显示电路。它们各司其职，密切完成整个脉搏测量显示功能。通过软件编程进行控制，实现整个设计的要求：单片机进行控制，发送和接受命令；传感器将脉搏信号量转化为电信号发送给单片机处理；显示电路将单片机发来的数据显示出来。硬件设计简单易行，成本低；硬件部分各电路紧密相连，调试容易进行；各部分电路完成的功能明确，对完成脉搏测量都有不可或缺的作用。［10］

第3章系统软件设计

3.1 总体的软件流程图

图3-1 总体软件流程图

首先打开控制开关，系统开始工作，显示缓冲区清零，这时候数码管被点

亮，显示全零；判断开关是否接高电平，如果不为高电平则继续判断，数码显示继续为零，如果接高电平计数器/定时器开始工作初始化，开中断启动定时器/计数器；定时时间到显示脉搏数；继续判断开关是否接低电平，如果接低电平，则关闭定时器/计数器，如果接高电平则继续显示脉搏数。［11］

红外线脉搏测量单片机系统，采用汇编语言。汇编语言是一种与硬件紧密相关的程序语言，是机械语言的便于记忆和理解的符号化形式。但计算机的CPU不能直接识别机械语言，故交由计算机前，必须将他们翻译成机械语言，这一编译过程称之为汇编。［12］

3.2 数码显示

在单片机系统中，通常用LED数码显示器来显示各种数字或符号。由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛。

共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的。当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。8个笔划段hgfedcba对应于一个字节（8位）的D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。例如，对于共阴LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极hgfedcba各段为0111011时，显示器显示"P"字符，即对于共阴极LED显示器，“P”字符的字形码是73H。如果是共阳LED显示器，公共阳极接高电平，显示“P”字符的字形代码应为10001100（8CH）。

八段LED显示器由8个发光二极管组成。基中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个贺点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。LED显示器有两种不同的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器。［13］

在单片机应用系统中，显示器显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。

动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。其接口电路是把所有显示器的8个笔划段a-h同名端连在一起，而每一个显示器的公共极COM是各自独立地受I/O线控制。CPU向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是那个显示器亮，则取决于COM端，而这一端是由I/O控制的，所以我们就可以自行决定何时显示哪一位了。而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点