1、毕业设计(论文)题 目： 基于单片机的脉搏测量仪的研究与设计 哈尔滨工业大学毕业设计（论文）I摘 要在传统的医疗检测中，脉象检测一直都起着非常重要的作用，人体的脉象包含着大量的人体的生理和病理方面的信息。脉诊一直是医生诊断疾病的重要手段之一，但受人为因素的影响很大。经医学观察研究表明，人体手指末端含有丰富的毛细血管和小动脉，这些动脉和人体其他地方的动脉一样，含有丰富的生理信息。由于光电脉搏检测技术具有很高的绝缘性，且抗电磁等干扰能力强，可以对人体进行无损伤检测。本文设计通过光电法对人体指尖的脉搏进行测量，并将测量信息送入单片机进行处理，最后通过数码管将测量结果显示出来。将对脉搏信号的检测模块，
2、脉搏信息的处理模块，单片机，数码管显示模块等电路集成在一块电路板上，形成一个简易的脉搏测量仪。这种测量仪具有精确度高，体积小，价格便宜，易于操作等特点，特别适合于个人使用和家庭使用，给我们的生活带来极大方便，让我们第一时间对自己的身体状况有进一步的了解。关键词：脉搏；光电传感器；单片机；数码管哈尔滨工业大学毕业设计（论文）IIAbstractIn the traditional medical testing，the pulse condition detection has been playing a very important roleThe pulse condition of th
3、e human body contains a large number of physiology information and pathology information，the pulse examination has been being one of the important means for the doctor to diagnosis the illnessBut the man-made factors influence it very much，the medical observation research shows The end of the finger
4、 contains rich capillaries and small arteriesThese arteries and the other arteries of the body hold rich physiologic informationThe Photoelectric pulse detecting technology can test the body without damage owing to its high insulation and strong ability to resist the electromagnetic interferenceThis
5、 design in the text can survey the pulse of the finger tip through photoelectric method and transport the information to the microcontroller to do with itAt last，the result is showed by the digital tube When the electric circuit such as the detection module of the pulse signal，the processing module
6、of the pulse information，SCM，digital tube are integrated in the board of electric circuit，it formed an simple pulse measuring instrument，this instrument has high accuracy，small, cheap，and easy to operateIt is especially suitable for personal use and family useIt brings great convenience to our life，
7、so we can have a further understanding of our body conditionKey words: Pulse；Photoelectric transducer ；SCM；Digital tube哈尔滨工业大学毕业设计（论文）III目 录摘要 .IAbstract .II第 1 章 绪论 .11.1 研究的目的和意义 .11.2 国内外的研究现状 .21.3 设计内容 .3第 2 章 课题方案论证 .42.1 采用压电式脉搏传感器 .42.2 采用光电式脉搏传感器 .52.3 方案确定 .6第 3 章 硬件电路设计 .73.1 元器件介绍 .73.1.
8、1 AT89C2051 单片机 .73.1.2 LM324 简介 .103.1.3 7809 和 7805 简介 .113.2 整体电路分析 .133.2.1 脉搏信号采集电路 .133.2.2 脉搏信号处理电路 .143.2.3 单片机控制显示电路 .17第 4 章 软件设计 .194.1 系统总体软件流程 .194.2 整体程序设计 .19第 5 章 软件仿真与系统实物 .225.1 Keil 编译软件 .225.2 Protues 软件仿真 .265.2.1 Protues 软件简介 .265.2.2 电路仿真 .275.3 PCB 板生成 .29哈尔滨工业大学毕业设计（论文）IV5.3
9、.1 Protel DXP 2004 软件简介 .295.3.2 PCB 板生成过程 .315.4 脉搏测量仪实物设计 .31结论 .34参考文献 .35附录 1 .37附录 2 .38致谢 .41哈尔滨工业大学毕业设计（论文）1第 1 章 绪 论1.1 研究的目的和意义随着社会的不断发展，我们从工业化时代进入信息化时代，这种转变是社会发展的必然，在我们的现实生活中，随着人们生活水平的不断提高，健康饮食，健康生活越来越受到人们的重视。在我们的日常生活中，为事业为生活我们四处奔波，紧张的工作，劳累一段时间之后，我们都会担心我们的身体会因为劳累过度等原因造成一定的损伤，这时候，我们会选择去医院做一
10、个身体检查，到医院以后，医生或者护士都会通过把脉、做心电图、胸透等方法对我们的身体进行全面的检查，通过分析脉象和心电图来对我们的身体状况作出判断。于是在节假日的时候，都会有很多人去医院检查身体，由于人很多，需要排很长的队，有时候都不一定能排上，加上昂贵的检查费用，以至于不是每个人都能到医院进行身体检查。身体是革命的本钱，也是我们生存的根本，我们每个人都想对自己的身体健康状况有更加细微的了解，如何才能更加精确的检查我们的身体状况？怎么样才能更加简单的对我们的身体进行检查？什么样的检查能让我们花更少的钱？这都是我们应该考虑的问题，能不能设计一种简单的仪器，不仅操作简单，价格便宜，还能精确检测我们的
11、身体状况呢？人体心室周期性的收缩和舒张将导致人体主动脉的收缩和舒张，使血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波称为脉搏波。脉搏波呈现出的强度、状态、节律和速率等方面的综合信息，很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特性。人体的脉搏能准确的反映人体的健康状况，通过对脉搏的测量，我们就能对自己的身体有一个大致的了解，在中国很早就有通过把脉检查人体健康状况的研究，而中医的脉相诊断技术就是脉搏测量在中医上卓有成效的应用，但是通过把脉对身体的检查受人为因素影响比较大，而且精确度也不是很高。现在社会各界都提出一种叫做无创测量（noninvasive measurement
12、s）又称为非入侵式测量或间接测量，其最重要的特征就是测量的探测部分不侵入人体内，不会对人的身体造成损伤，通过对体表器官的检测间接测量人体的生理和升华参数，医学传感器是获取生物信息并将其转换成易于测量和处理信号的一个关键器件。光电式脉搏传哈尔滨工业大学毕业设计（论文）2感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器，充分利用了光的穿透性和不同物质对光的吸收频率的不同的特点设计而成，通常对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号，光电式脉搏传感器具有结构简单、无损伤、复精确度高、价格便宜、操作简单、可重复使用等优点。1.2 国内外的研究现状目前，基于人们对健康的追求，国内外越来越多的人都在致力于人体检测器件
13、的相关研究和开发，在解决人体无创伤检测方面也取得了卓有成效的成就，在很多中外学者的研究论文中，都有对脉搏测量仪的相关研究和而且也取得了一定的突破。在他们的研究论文中也有对脉搏测量仪功能设计方面的很多重要突破的记载，而现在很多研发公司在脉搏测量仪产品的研发和生产方面，也在不断地创新，市面上多种多样的测量仪相继出现在世人面前。2011 年，万宝龙于日内瓦高级钟表沙龙 SIHH 上推出全新 Collection Villeret 1858系列 Vintage Pulsographe 款腕表，即复刻版测量脉搏计时表之意，以标志现代计时技术面世 190 周年纪念。在国外，针对脉搏信号检测分析系统的研究比
14、较早，发展比较快，也比较深入。早在 80 年代研制的液态传感器就是利用将单位长度管段动脉内血液体积随时间变化量转换成导电液柱体电阻的该变量来测量脉搏波形。自 1969 年 Kawai 发现 PVDF 薄膜（聚偏氟乙烯）具有明显的压电特性后，PVDF 薄膜经过几十年的应用和基础研究，近年来被广泛应用于医疗器械开发和研究中。早在 1969 年 10 月，世界上最先运用光敏器件开发光电传感器的公司日本神视株式社会正式成立，此后国外很多大公司越来越重视利用光电传感器实现脉搏信息的无创伤检测的研究。下面是收集一些资料：南朝鲜的 PARKYE 也曾研制脉象仪；日本田口贤惠曾研制“压力、脉搏测定装置” ，代
15、田文彦设计了“局部加压型检脉装置” ，Sony 公司产生出脉搏记录仪，藤田六郎研制出不接触部位就能测出最大脉搏的光电管容积脉诊仪，冈田藤用陶瓷性压力感测器，开发出适合于浮、中、沉各压力等级的原件，并用此传感器描述了脉象对应的脉搏图形；美国 LAUB 博士曾研制用于针灸临床新型无创脉搏记录仪；英国人 Marcy 最早设计了以弹簧为动力的杠杆式脉搏传感器，并记录了桡动脉脉搏波 1。在国内，对脉搏信号监测分析的研制和分析处理方法研究上落后于以美国和德国为代表的西方国家，但随着最近几十年生物医学的兴起与发展，我们已经逐步缩小与哈尔滨工业大学毕业设计（论文）3西方国家的差距，取得了很大的进步。下面是收集
16、的一些资料：1998 年国科技大学的朱国富等人研制了袖珍式脉搏测量仪，采用了光电传感器采集脉搏数据 2。1999 年清华大学的金观昌教授等人将 PVDF薄膜用于多点脉搏波测试系统研制当中 3；西北工业大学刘希的基于 USB 的多道生物医学信号数据采集系统 4；武汉大学袁志勇等人嵌入式脉搏检测分析系统的研制 5；东南大学杨序等人的脉搏数据采集器的研制 6；北京中医药大学牛欣、杨杰等研制了压力与 B 超整合的中医诊脉装置，认为可以实时直观观察寸口桡动脉运动情况 7；兰州理工大学张爱华等人基于动态图像的多点脉搏信号检测方法 8；目前上海中医药大学汤伟昌研制了压力式三探头传感器，以模拟中医寸关尺取脉，
17、并探讨三探头传感器与单探头传感器以及三探头传感器之间信息提取的差别 9；目前在国内市场上得到认可、应用较普遍的主要是上海中医药大学费兆馥教授为主要研究者，与复旦大学等单位联合研制生产的 ZM-1 型单探头中医脉象仪，ZM-IIIc 型智能脉象仪；上海医药大学与上海交通大学研制的 TP-I 型脉象数字化分析仪也已进入临床检测应用。最近，日本学者又提出了以脉搏波传导速度与血压的相关性来间接测量血压，用检测分析脉搏波的方法估计液压的课题，足见脉搏检测的应用有着良好的发展前景。1.3 设计内容此次设计主要采用光电式脉搏传感器，以 AT89C2051 单片机和 LM324 芯片为主要核心对人体的脉搏进行
18、检测，并通过 LED 数码管来显示人体一分钟的脉搏震动次数，本文主要完成以下几项工作：（1）根据基本原理设计出总体的框图。（2）了解每一个功能模块，并设计出相应子电路。（3）连接每个功能模块并且生成总体电路图。（4）根据硬件电路图和所要实现的功能编写软件程序。（5）完成硬件调试和软件仿真。（6）分析调试中遇到的问题并找到解决的方案。脉搏测量仪测量系统结构框图如图 1-1 所示：光电式脉搏传感器 脉搏信号调理模块 单片机处理模块数码管显示模块哈尔滨工业大学毕业设计（论文）4图 1-1 系统结构框图哈尔滨工业大学毕业设计（论文）5第 2 章 课题方案论证选择什么样的脉搏传感器是这次设计的关键，目前
19、很多公司和厂商都在致力于脉搏传感器的研究，而且都有很成熟的技术，在功能上也有很多拓展，比如在检测脉搏的同时还能检测人体的体温、血液含氧量、血红蛋白含量等参数，而且传感器内集成了像信号放大器、滤波器、波形整形等电路，使得传感器的精确度更高了，输出的直接就是脉搏信号或者脉搏波信号，只需将传感器界面接在示波器上，就能直接显示出脉搏波形图，使用极为方便，这样的脉搏传感器已被很多医疗器材所使用，甚至在很多健身器材上也有这样的脉搏传感器。市面上根据不同原理有多种多样的脉搏传感器相继出现，其中出现做多的是压电式脉搏传感器和光电式脉搏传感器，光电式脉搏传感器根据利用的光的原理的不同有可以分为透射式光电脉搏传感
20、器和反射式脉搏传感器，这几种传感器是根据两种不同的物理学原理设计制作而成，在性能上各具优点，而且在技术上也很成熟，目前在很多人体检测仪器中都有对这两种传感器的使用。在本次设计中，两种传感器都能达到设计预期的效果，即对脉搏的测量与显示，但选择不同的脉搏传感器，会影响到后置电路的设计，在软件设计方面也有所差别，现就针对两种传感器在本次设计中可能出现的影响进行方案论证。方案一是采用压电式脉搏传感器，方案二是采用光电式脉搏传感器。2.1 采用压电式脉搏传感器1969 年 Kawai 发现经过高倍率拉伸和高电场下极化真空蒸发金属电极后的PVDF（聚偏氟乙烯）薄膜具有明显的压电特性。经过几十年的应用和基础研究，目前PVDF 的性能已明显提高，压电电压输出常数 g=174，是所有压电体重最高的 10。PVDF 压电薄膜是敏感的部件，作用是将微弱的低频的脉搏压力信号转换成电信号，因压电薄膜内阻很高，而脉搏信号比较微弱，传感器内设置了前置电荷放大器，起作用是与 PVDF 压电薄膜阻抗匹配，把输入高阻抗变为低阻抗输出。二是将微弱电荷转换成电压信号并放大。由于基线漂移、人体活动、工频干扰等因素的影响，脉搏信号具有很大的噪声，传感器还进行了去噪设计，使用了一个低通滤波电路吧高频噪声和工频干扰滤除，是脉搏信号有效成分全部通过 11。压电式脉搏传感器是采用压电陶瓷通过脉搏的跳动来实现对脉搏信号的采集的，
