基于单片机的脉搏计

目 录

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引言 .......................................................................................................................... 2 1.1 目的和意义 ...................................................................................................... 2 1.2 研究概况及发展趋势综述 .............................................................................. 3 1.3 本系统主要研究内容 ...................................................................................... 4 2. 总体方案论证与设计 ................................................................................................ 5

2.1主控模块的选型和论证 ................................................................................... 5 2.2显示模块的选型和论证 ................................................................................... 5 2.3传感器的选型和论证 ....................................................................................... 5 2.4时钟芯片的选型和论证 ................................................................................... 6 2.5系统整体设计概述 ........................................................................................... 6 3.系统硬件电路设计 ...................................................................................................... 7

3.1主控模块 ........................................................................................................... 7

3.1.1 STC89C52单片机主要特性 ................................................................. 7 3.1.2 STC89C52单片机的中断系统 ........................................................... 10 3.1.3 单片机最小系统设计 ......................................................................... 10 3.2 LCD液晶显示器简介 .................................................................................... 10

3.2.1 液晶原理介绍 ..................................................................................... 10 3.2.2液晶模块简介 ...................................................................................... 11 3.2.3液晶显示部分与STC89C52的接口 .................................................. 12 3.3键盘模块设计 ................................................................................................. 12 3.4蜂鸣器模块设计 ............................................................................................. 13 3.5信号采集电路设计 ......................................................................................... 13

3.5.1 传感器简介 ....................................................................................... 13 3.5.2 放大电路 ........................................................................................... 14 3.5.3 整形电路 ........................................................................................... 14 3.5时钟模块的设计 ............................................................................................. 14

3.5.1 DS1302概述 ........................................................................................ 15 3.5.2 DS1302内部RTC 和RAM 地址分配 .............................................. 17 3.5.3 DS1302时钟电路设计 ........................................................................ 20

4.系统软件设计 ............................................................................................................ 21

4.1系统软件总体设计 ......................................................................................... 21 4.2程序设计原理 ................................................................................................. 23 5.系统调试 .................................................................................................................... 25

5.1硬件调试 ......................................................................................................... 25 5.2软件调试 ......................................................................................................... 25 5.3调试结果 ......................................................................................................... 25 6.结论 ............................................................................................................................ 26 附录 ............................................................................................................................... 28 系统整体原理图 ........................................................................................................... 28 元件清单 ....................................................................................................................... 28 系统源程序 ................................................................................................................... 31

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基于单片机的脉搏计

摘要：人体脉象中富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息。而脉搏的病理生理性改变常引发各种心血管事件，脉搏生理性能的改变可以先于疾病临床症状出现，通过对脉搏的检测可以对如高血压和糖尿病等引起的血管病变进行评估。同时脉搏测量还为血压测量，血流测量及其他某些生理检测技术提供了一种生理参考信号。

本文主要介绍了数字式脉搏计的具体实现方法，利用红外传感器产生脉冲信号，经过放大整形后，输入单片机内进行相应的控制，从而测量出一分钟内的脉搏跳动次数，快捷方便。通过观测脉搏信号，可以对人体的健康进行检查， 通常被用于保健中心和医院。

系统可以供用户测量当时的脉搏次数，同时还可以设定上限次数和下限次数，当测量的范围超过设定的范围则驱动蜂鸣器报警提醒，除此外用户还可以设定每天闹钟提醒测量，时间可以自行设定.

系统主控芯片采用STC89C52,可以把采集到的脉搏信号显示在LCD1602上。 关键词：STC89C52，独立键盘，LCD显示管，红外传感器。

1 引言

1.1 目的和意义

脉搏是由心脏搏动而引起, 经动脉和血流传至远端的桡动脉处, 它携带有丰富的人体健康状况信息。早在公元前7世纪脉诊就成为中医的一项独特诊病方法。但自古以来中医独特的诊断方法及治病的疗效总是笼罩着一层神秘的面纱。中医一直是靠手指获取脉搏信息, 这难免存在许多主观臆断因素, 况且这种用手指切脉的技巧很难掌握,因此人们迫切期望尽早实现脉诊的科学化和现代化。随着传感器技术及计算机处理技术的发展，人们希望能够将现代技术应用于中医脉象诊断，以便更科学、更客观地揭示脉象的实质与特征。另一方面从西医的角度看,近年来人们也试图根据脉搏波的变异性来评价和诊断人体心血管系统的病变,以便能找到一个有效的心血管疾病早期无创诊断的方法。因此,对脉搏信号进行无失真的检测、采集和处理是一项重要而很有意义的基础工作,它是对脉搏信号进一步分析并依此对心脏及动脉血管系统疾病进行预报和诊断的前提。本论文的研究主要是基于这方面来进行的，，从客观、物理的角度来诠释人体脉搏系统。

心率(Heart Rate)：用来描述心动周期的专业术语，是指心脏每分钟跳动的次数,以第一声音为准。在正常情况下，脉率和心率是一致的。正常成年人安静时的心率有显著的个体差异，平均在75次/分左右(60—100次/分之间)。初生儿的心率很快，可达130次/分以上。在成年人中，女性的心率一般比男性稍快。健康成人的心率为60～100次/分，大多数为60～80次/分，女性稍快；3岁以下的小儿常在100次/分以上；老年人偏慢。成人每分钟心率超过100次（一般不超过 160次/分）或婴幼儿超过 150次/分者，称为窦性心动过速。如果心率在 160～220次/分，常称为阵发性心动过速。心率低于60次/分者（一般在40次/分以上），称为窦性心动过缓。如心率低于40次/分，应考虑有房室传导阻滞。心率过快超过160次/分，或低于40次/分，大多见于心脏病病人，病人常有心悸、胸闷、心

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前区不适，应及早进行详细检查，以便针对病因进行治疗。对某些阵发性心率过速或过缓，往往在就医时测试出心率正常，以至使医生无法确诊，所以我们设计出这种可以随时进行心率测量的心率计，不仅可以随时地监测一个人的健康状况，而且为医生对这种病症的确诊提供证据。

人体心室周期性的收缩和舒张导致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。脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息,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征。

传统的脉搏测量采用脉诊方式,中医脉象诊断技术就是脉搏测量在中医上卓有成效的应用,但是受人为的影响因素较大,测量精度不高。无创测量（NoninvasiveMeas2urements）又称非侵入式测量或间接测量,其重要特征是测量的探测部分不侵入机体,不造成机体创伤,通常在体外,尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。

生物医学传感器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。光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器,通过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、可重复好等优点,本文讨论的就是基于光电式脉搏传感器的设计和具体实现。

1.2 研究概况及发展趋势综述

脉搏系统和脉搏信息的研究包括两大方面: 一是理论分析与计算(即建模方面)；二是信号检测与分析。从发表的文献来看, 国外在前一方面做了大量的研究, 也早于国内学者; 而国内在后一方面的研究多于国外。对脉搏信号的分析主要包括以下方面:

（1）脉搏信号检测与提取

用脉搏记录仪器描绘脉搏波图像已有百余年的历史。1860年法国人研制了杠杆脉搏描记器，成为现代脉象描记的基础。脉象仪的总体构成包括脉象信号检测，信号预处理和信号分析三个环节。我国医务界约从50年代初就开始了用西方传来的脉搏描记技术，使脉象图形化。近十多年来，已经研制出了许多性能各异的脉象仪，各类脉搏描记器最关键和差异较大的部分就是脉象传感器的研制。从测量原理上讲，脉象传感器可分为机械式、压电式、光电容式等多种。 （2）脉搏信号处理与特征提取

目标信号检测的关键是提取信号的特征。在实际中,目标信号总是淹没在大量的杂波或干扰中,而且目标信号的幅值或功率较杂波或干扰信号可能还低得多,这就需要进行有效的信号处理。

时域分析法：目前国内对脉象信号的特征提取方法,多数采用时域分析法,即在时间方向上分析波动信号的动态特征,通过对主波、重搏前波、重搏波的高度、比值、时值、夹角、面积值的参量分析,找出某些特征与脉象变化的内在联系。时域分析法包括直观形态法、多因素识脉法、脉象速率图法、脉图面积法。直观形态法。 频域分析法：频域分析主要是通过离散快速傅里叶变换,将时域的脉搏波曲线变换到频域,得到相应的脉搏频谱曲线,通过频谱曲线的特征分析,从中提取与人体生理病理相应的信息,实现脉象分类。与时域分析不同, 脉搏信号的频域特征可分辨性好, 因此80年代以来国内外一些学者开始在频域内对脉搏信号进行分析, 初步取得了有意义的结果。这种从频域和能量的角度来分析脉搏信号的思想是十分正确的。我们从能量角度研究了几种不同疾病脉搏信号的特征频域特征和差异,

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利用频域分析的延伸技术——倒谱与同态解卷,首次估计出了人体脉搏系统的传递函数, 分析了脉搏系统的频率特性。 时频联合分析法：是把一维信号或系统表示成一个时间和频率的二维函数,时频平面能描述出各个时刻的谱成分。常用的时频表示方法有短时傅立叶变换和小波变换(WT) 。

短时傅立叶变换(STFT)方法：是一种广义情形,是一种线性时频表示方法,它依赖于被分析信号的线性特性,即信号的频谱与在数据中提供正弦成分的幅度成线性比例。其最主要的优点是容易实现、计算简洁有效,而它主要的缺陷是时间和频率分辨率在整个时频平面上固定不变。另外的限制是对一个特殊的信号,需要一个特殊的窗才能得到最佳分辨率。 小波变换(WT)：是另外一种重要的线性时频表示,它在时频平面上具有可变的时间和频率分辨率,把FT 中的正弦基函数修改成在整个时频平面上具有可变时频分辨率的基函数,使得它在高频区域能够提供高的时间分辨率,而在低频区域能够提供高的频率分辨率。小波变换这种独特的能力使其成为分析脉搏这种非平稳信号的有力工具。在目前已知的小波函数中,复值调制的Gaussian 函数是使用最高的小波之一。

1.3 本系统主要研究内容

本系统设计制作一个基于单片机的脉搏计。能实现以下几种功能：

（1）键盘扫描，通过单片机检测用户按下的是哪个按键并执行相应的功能。 （2）通过红外传感器把信号提取并通过滤波放大把信号整形成方波给单片机计算一分钟内的脉搏次数。

（3）用户可以设置脉搏次数的上限和下限，超过上限或上限单片机会驱动蜂鸣器发响。

（4）用户可以设置闹钟时间用来提醒用户定时测量脉搏次数。

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