1、目錄I.AbstractII第一章緒論1.1.1 選題的背景和意義1.1.2 脈搏測量儀的發展與應用2.第二章脈搏測量儀的硬件結構3.2.1 工作原理3.2.2 基本元器件的介紹.3.2.2.1 STC89C52簡介3.2.2.2 光電傳感器簡介4.2.2.3 LM324簡介5.2.2.4 AD0832簡介5.2.3 信號采集電路6.2.4 信號放大電路6.2.5 低通濾波電路7.第三章脈搏測量儀的軟件系統8.3.1主程序流程8.第四章實驗與結果分析9.4.1 單片機計時測量方法9.4.2 波形處理計數法104.3 兩種方法的比較13附錄14.摘要脈搏攜帶豐富的人體信息，能夠反映出人們身體的健

2、康狀況。隨著當今生活水平的提高，人們對健康的要求越來越高，脈搏測量儀的應用越也越來越廣泛。脈搏測量儀的組成包括光電傳感器、信號處理電路、單片機最小系統、電源等。本文借助脈搏測量儀提出了兩種測量脈搏的方法。方法一就是單片機定時30s,信號下降沿觸發外部中斷，通過對外部中斷的計數從而實現了脈搏個數的測量。方法二是通過下載器將信號數據傳送到電腦用口，借助“串口獵人”將用的數據讀出來，再通過matlab設計一個帶通濾波器，對該信號進行濾波，對濾波后的信號的波峰個數進行計數，結果即為脈搏個數。關鍵詞：脈搏測量、單片機、matlab、數字帶通濾波器AbstractPulsecarriesrichofhum

3、aninformationthatcanreflectapersonshealthcondition.Withtheimprovementoflivinglevel,people'shealthrequirementsareincreasingandtheapplicationsofpulsemeasuringinstrumentsaremoreandmorewidespread.ThepulsemeasuringinstrumentsconsistofPhotoelectricsensor,signalprocessingcircuit,SCMminimumsystemandpowe

4、rsource.Therearetwomethodstomeasurepulsebyapplyingthemeasuringinstruments.ThefirstoneisthatSCMdefinitetimefor30secondsandthefallingedgetriggeredexternalinterrupt.Then,wecancountthepulseratebythesumofexternalinterrupt.ThesecondmethodisthatSCMtransmitdatatoPCbythemeansofasynchronouscommunication.Andwe

5、coulduseasoftwarecalledSerialHuntertoreadoutdatafromtheserialportofPC.Then,wedesignadigitalbandpassfilterthroughmatlabtofileringtheinputsignal.Finally,wecountthenumberofpeaksofthefilteredsignal.Theresultisthepulseratewhichwewouldmeasured.Keywords:themeasuringofpulse,SCM,matlab,digitalbandpassfilterI

6、IIII第一章緒論1.1 選題的背景和意義中醫，是中華文化中一個璀璨的所在，直至科技發達的今天，中醫在醫學中仍占據著一席之地。在中醫四診（望、聞、問、切）中，脈診占有非常重要的地位。脈診在我國有著悠久的歷史，自史記中記載，至今天下言脈者，由扁鵲也。"扁鵲是一代名醫，尤其以脈診而出名。到了晉代，名醫王叔和寫成了脈經一書，成為我國現存最早的脈學專著，脈學理論得到不斷的發展和提高。脈診即是通過接觸人體不同部位的脈搏，以體察脈象變化的切診方法。脈象的形成與臟腑氣血密切相關，若臟腑氣血發生病變，血脈運行就會受到影響，脈象就有變化。脈診在臨床上，可推斷疾病的進退預后。雖然脈診具有綠色無創等優點，

7、但由于中醫是靠手指獲取脈搏信息，受人為的影響因素較大，測量精度不高，原因如下。第一，僅憑醫生手指來識別脈象的特征，受到個人感覺和經驗的約束，不免存在一些主觀因素；第二，需要長時間的訓練才能夠掌握脈診的技巧；第三，無法保存測得的脈搏從而影響了對脈象做進一步的研究。為了克服上述缺點，將傳統的中醫藥學發揚光大，促進脈診的應用和發展，必須與現代科技相結合。脈搏（英語：Pulse）攜帶有豐富的人體健康狀況的信息。脈搏為體表可觸摸到的動脈搏動，人體循環系統由心臟、血管、血液所組成，負責人體氧氣、二氧化碳、養分及廢物的運送。血液經由心臟的左心室收縮而擠壓流入主動脈，隨即傳遞到全身動脈。動脈為富有彈性的結締組

8、織與肌肉所形成管路。當大量血液進入動脈將使動脈壓力變大而使管徑擴張，在體表較淺處動脈即可感受到擴張，此即所謂的脈搏。脈搏頻率即脈率。心率（英語：HeartRate）,是指心臟每分鐘跳動的次數。在正常情況下，脈率和心率是一致的。正常成年人安靜時的心率有顯著的個體差異，一般為60100次/分之間，平均約72次/分。脈搏的頻率還受年齡和性別的影響，成年女性的心率一般比成年男性稍快，嬰兒每分鐘120140次，幼兒每分鐘90100次，老年人較慢，為5560次/分。另外，運動和情緒激動時可使脈搏增快，而休息、睡眠則使脈搏減慢。成人脈率每分鐘超過100次，稱為心動過速；每分鐘低于60次，稱為心動過緩。正常人

9、的脈率規則且脈搏強弱均等，不會出現脈搏間隔時間長短不一的現象。臨床上有許多疾病，特別是心臟病可使脈搏發生變化。因此，測量脈搏對病人來講是一個不可缺少的檢查項目。隨著科學技術的進步，人民生活水平的提高，人們尤其是老人、病人希望能夠方便快捷地了解自身身體狀況，以便及時改善生活方式。人體生理參數采集和監護系統的廣泛使用，可以提高人民生活質量，延長人類壽命。脈搏是人體重要的生命特征，人們需要適時的了解自身的脈搏信息，基于此，本文將對有關脈搏的測量與分析開展研究。1.2 脈搏測量儀的發展與應用隨著脈搏測量技術對脈搏的測量精度越來越高，很多不同類型的脈搏測量儀被研制出來，而其中關鍵是對傳感器的研究。起初用

10、于體育測量的脈搏測試集中在對接觸式傳感器的研究，利用此類傳感器所研制的指脈、耳脈等測量儀各有其優缺點。指脈測量比較方便、簡單，但因為手指上的汗腺較多，指夾常年使用，污染可能會使測量靈敏度下降：耳脈測量比較干凈，傳感器使用環境污染少，容易維護。但因耳脈較弱，尤其是當季節變化時，所測信號受環境溫度影響明顯，造成測量結果不準確。近年來國內外致力于開發無創非接觸式的傳感器，這類傳感器的重要特征是測量的探測部分不侵入機體，不造成機體創傷，能夠自動消除儀表自身系統的誤差，測量精度高，通常在體外，尤其是在體表間接測量人體的生理和生化參數。其中光電式脈搏傳感器是根據光電容積法制成的脈搏傳感器，通過對手指末端透

11、光度的監測，間接檢測出脈搏信號。具有結構簡單、無損傷、精度高、可重復使用等優點。通過光電式脈搏傳感器所研制的脈搏測量儀已經應用到臨床醫學等各個方面并收到了理想效果。如今醫生常用的聽診器由于是依靠人體感官進行測量，其精度較低、可靠性差、功能也比較單一、受外界影響很大，而由于微電子技術的發展，單片微處理器功能強大而價格低廉，具有很高的性價比。基于單片機的紅外脈搏儀，具有可靠性高、控制精度高,功能易擴展，有較強的通用性等優點。第二章脈搏測量儀的硬件結構1.1.1 原理脈搏測量儀的組成包括光電傳感器、信號處理、單片機電路、數碼管顯示電路、用電路、電源等部分。光電傳感器，是將非電量轉換成電量的轉換元件，

12、它由紅外對管（紅外發射二極管和接收三極管）組成，可以將接收到的紅外光轉換成便于測量的物理量輸出。信號處理部分就是將光電傳感器采集到的低頻信號進行放大、整形、濾波處理的模擬電路。單片機電路，包含STC89C51、晶振電路、復位電路在內，組成單片機最小系統。電源，即向光電傳感器、信號處理、單片機電路進行供電的電源。這里為了減小交流電對電路的干擾影響，采用9V的電池對上述電路進行供電。人的血液中含有大量的血紅細胞，可以大量吸收紅外線。因此，紅外線在血液中的穿透性要比在其它組織中小得多。當人體動脈血管隨心臟周期性地收縮和舒張，動脈血管的血液容積隨之發生變化時，動脈所在部分的人體組織對于紅外光的透射性就

13、會發生變化。手指將放在紅外線發射接收對管中間，血管中血液的流量會隨著心臟的跳動發生變換。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度發生變化，因此和心跳的節拍相對應，紅外接收三極管的電流也跟著改變。該信號經放大、濾波、整形后輸出，最后進入單片機。通過外部按鍵選擇模式，模式一是單片機對輸入的信號計數并把結果送到數碼管顯示，模式二是單片機將信號傳送到電腦上。2.2基本元器件的介紹2.2.1 STC89C52簡介STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8k字節Flash和512字節RAM。擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash,使得STC89C52為

14、眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。T2/P1.a1i40vcc1P0.CI/ADOT2EX/P1.1239Pl_213381PO.1/AD1PL.314371PO.2/AD2PL4|536|PO.3/ADSP1.5635PO.4/AD4P1.£734PO.5/AC5Pl.V口S9333PCL6/ADSK,32PO.7/ADVFXD/P3.0廠10m31EATXD/P3.1L.11上1230-|ALE/PROGrNT0/P3T2|29|PSENINT1/P3,3F1328P2.7/A15TQ/P3.4：1427|P2,6/AL4T1/P3.5|1526JP2.5/A1

15、SWR/P3.&IL6251P2.4/A12/P3,T117241P2.3/A11STAL21©23P2.3/A10XTAL119221P2.1/A9VSS匚2021P3.0/AS此次STC單片機所使用的封裝是PDIP40O如圖2.1所示：圖2.1STC89C52引腳STC89C52引腳功能說明：1、VCC（40弓|腳）：電源電壓2、VSS（20弓唧）：接地3、P0端口（P0.0P0.7）:P0口是一個漏極開路的8位雙向I/O口。可作為輸出端口和總線擴展。P1端口（P1.0P1.7）,P2端口（P2.0P2.7）,P3端口（P3.0P3.7）:它們分別是一個帶內部上拉電阻的8

16、位雙向I/O口。但P3口除作為一般I/O口外，還有其他一些復用功能，如下表2.1所示：表2.1P3口引腳復用功能引腳號復用功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（用行輸出口）P3.2外部中斷0P3.3外部中斷1P3.4T0（定時器0的外部輸入）P3.5T1（定時器1的外部輸入）P3.6外部數據存儲器寫選通P3.7外部數據存儲器讀選通5、RST（9弓I腳）：復位輸入。當輸入連續兩個機器周期以上高電平時為有效，用來完成單片機的復位初始化操作。6、XTAL1（19引腳）：振蕩器反相放大器和內部時鐘發生電路的輸入端。7、XTAL2（18引腳）：振蕩器反相放大器的輸入端。1.1.2 光電傳感器簡

17、介光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。光電傳感器在一般情況下，由三部分構成，它們分為：發送器、接收器和檢測電路。發送器對準目標發射光束，發射的光束一般來源于激光二極管、發光二極管（LED）和紅外發射二極管等。發送器不間斷地發射光束，或者改變光束的脈沖寬度。接收器由光電二極管或光電三極管組成。檢測電路一般就在接收器的后面，它可以濾出有效信號，并且應用該信號。1.1.3 LM324簡介LM324是帶有差動輸入的四運算放大器，它采用14腳雙列直插塑料封裝，內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，

18、四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖2.2(a)所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“V+”、“V”為正、負電源端，“Vo為輸出端。兩個彳S號輸入端中，Vi-(-)為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+(+)為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖2.2(b)。(反相輸入端)口出圖2.2LM324符號由于LM324四運放電路具有電務用，價格低廉等優點，因此被廣泛應F增益模塊和所有傳統的運算放大器等。圖2.3LM324引腳圖,靜態功耗小，高增益、可單電源使中，包括應用在傳感器放大器，直流區一CHO-CHI-GMD-圖2

19、.4AD0832弓|腳圖1.1.4 AD0832簡介AD0832是8位逐次逼近模數轉換器，支持兩個單端輸入通道和一個差分輸入通道它的引腳功能圖如圖2.4所示：CS片選引腳，低電平芯片使能。CH0模擬輸入通道0,或作為IN+/-使用CH1模擬輸入通道1,或作為IN+/-使用GND參考地電位。DI數據信號輸入，選擇通道控制。DO信號輸出，轉換數據輸出。CLK芯片時鐘輸入。VCC(VREF)工作電壓或參考電壓2.3 信號采集電路VCCVCC，ClC2°10uF10uF乂久不A如圖2.5就是脈搏信號的采集電路，采用紅外對管作為紅外發射和接受裝置。圖2.5信號采集電路如果R1過大，通過紅外發射

20、二極管的電流就會過小，發射強度就會過小，紅外接收二極管就難以判斷是否有無脈搏。如果R1過小，通過紅外發射二極管的電流就會過大，發射強度就會過大，紅外接收二極管也無法區分是否有無脈搏。所以R1選擇了220Q。另外，C1、C2串聯組成的雙極性耦合電容起到了“隔直流，通交流”的作用，當手指離開傳感器或檢測到較強的干擾光線時，輸入端的直流電壓會出現很大變化，C1、C2可以對此隔斷。2.4 信號放大電路圖2.6是二階放大電路，可以對信號進行兩級的放大作用。第一部分即是第一級放大電路。這是個反相輸入式交流放大電路，電源Vcc通過R4和R5分壓，使運放同相輸入端的電位為V+=mVcc=丫迫。另外，為了避免電

21、源的紋波電壓對V+電位的干擾，在R4R52R5兩端并聯濾波電容C3,消除諧振。該電路的增益為：A=-6=-38.46R3圖2.6中第二部分就是第二級放大電路這個電路也同樣是反相輸入式放大電路，參考前面，可以算出該電路的增益為：A2=-與=-10”=-10R710K總的電壓增益為：A=AA2=-10(-38.46)=384.62.5 低通濾波電路信號經過兩級放大后，進入濾波電路對其進行濾波。如圖2.7中，是一個二階低通濾波器。n其中，電路的增益為1,特征角頻率為1RC131.25華F父32K,特征頻率A(s)一2sc1=4.976Q=,等效品質因數為3-Avf12，傳遞函數為2A/F'n

22、976.6s262.5s976.6第三章脈搏測量儀的軟件系統3.1主程序流程系統主程序控制單片機系統按預定的操作方式運行，它是單片機系統程序的框架。系統上電后，對系統進行初始化。初始化程序主要完成對單片機內專用寄存器、定時器工作方式及各端口的工作狀態的設定。系統初始化之后，通過外部按鍵進行判斷選擇哪種工作方式，從而開啟定時器中斷、外部中斷、數碼管顯示或是選擇串口通信。不同的外部硬件控制不同的子程序。流程如圖3.1所示。圖3.1主程序流程圖第四章實驗與結果分析4.1 單片機計時測量方法單片機上電等待測試的狀態，如圖4.1所示:圖4.1脈搏測量實物圖選擇測量模式1。單片機定時器定為30s。同時，脈

23、搏信號通過下降沿不斷觸發單片機外部中斷，對中斷進行計數，當到了30s,執行定時器中斷。計數值*2=60s內的脈搏數。隨機找六個同學分別進行5次檢測，記錄下數碼管上顯示的結果于表4.1:表4.1數碼管數值記錄表單片機計時脈搏個數（min）/狀態平均值小林104樣止94楙止98楙止102楙止104樣止100樣止100/運動100/運動98/運動99/運動101/運動100/運動小楊76樣止82楙止76楙止94樣止80楙止81楙止114后動116Al動110/運動114后動120/運動115Al動小王75樣止70楙止86楙止100楙止100樣止86楙止小陸70樣止94楙止72楙止70樣止84楙止78

24、楙止小蘇88樣止88楙止66楙止80樣止62楙止77楙止可以看到，在同一個人連續5次的測量中，即使人的狀態和所處環境保持不變，但每次測量結果仍有大到幾十的差距，這種差距不可謂不大，說明這種測量方法并不是十分可靠。4.2 波形處理計數法圖4.2串口獵人波形顯示圖由于串口獵人的波形是動態的，是實時顯示的，為了能夠對波形進行分析，我們還是把數據轉到matlab里面進行分析。下面，我們對小陸同學靜止狀態下的脈搏信號S進行測量。對信號S進行快速傅里葉（FFT）變換，得到頻譜圖如下：圖4.3S信號頻譜圖10可以觀察到上述信號的主要頻率在50100Hz之間。由國內大樣本健康人群調查發現，健康成人的平均心跳在

25、72次左右，因此設計一個帶寬為6090Hz,中心頻率為75Hz的帶通濾波器，將在此頻率范圍外的信號雜波濾掉。如圖4.4所示的帶通濾波器的帶寬就在60100Hz之問，也就是在此頻率范圍內沒有衰減，而在此頻率范圍之外的衰減DB值將逐漸增大。515帶通濾波器的幅頻特性曲線5010015。200頻率Hz圖4.4帶通濾波器幅頻響應圖4.5濾波前后時域波形11經過濾波后的時域波形與濾波前相比較，如圖4.5:經過濾波后的信號頻譜，如圖4.6:1500010000膽ig50000(濾波后頻譜)50WO150200250頻率也圖4.6濾波后頻譜圖觀察圖4.6,說明頻率超過60-90HZ的雜波都已經被濾波器濾掉，

26、我們已經得到了較為滿意的信號丫。我們可以通過對Y信號的波峰個數進行計數得到脈搏數。借助巾ndpeaks函數可以計算出Y信號的波峰個數為74個，說明此次測量的脈搏個數為74個/min。通過上述方法，在相同的條件下陸續測出每個同學的脈搏個數，與第一種方法測量得出的結果進行比較，并記錄到表42表4.2測量結果表樣本單片機計時脈搏個數（min）/狀態波形處理后脈搏個數（min）/狀態小林100/靜止75樣止100/運動80/運動小楊81/靜止77樣止115庇動83/運動小王86/靜止70樣止小陸78/靜止74樣止小蘇77/靜止83樣止124.3 兩種方法的比較單片機計數方法比較簡單方便，但相同條件下每

27、次測量結果盡不相同，誤差較大。究其原因，是光電傳感器難免受到外界光線的影響，導致信號產生毛刺。如圖4.7中小圓點處，就是一些毛刺，本來一個脈沖只能觸發一個中斷，但這些毛刺使中斷次數增加，導致計數偏大。如果信號中的諧波較多，那么計數值就要比實際值大的多了，這也就是每次測量結果相差較大的原因了。圖4.7波形毛刺圖波形處理法能對將不必要的雜波濾去，使得波形毛刺減少，更為平滑，得出的測量值也就更接近于實際值。目前波形處理法的缺點是操作較為復雜，而且本文設計的帶通濾波器帶寬為60-90HZ,不能準確計算頻率遠超于這個帶寬的信號的脈率。就例如運動的時候脈搏跳動比較快，但是濾波器將高頻成分濾掉了，所以在運動

28、的條件下測量脈搏就需要改變濾波器的帶寬了。131、脈搏測量儀電路原理圖單片機最小京統111TXDT3.1ALUnmmmwn0<riW3P2.7P3.JP2.5P：.4卬PJJXTiLIP22XTML2KllCiKPpm1.2JTT-K-IP24tII1r=i'llT1L門國RXF%?4%，用12、帶通濾波器程序x=inputsignal;%x為輸入信號fp=6090;fs=40110;%fp:通帶邊界;fs：衰減截止邊界ap=10;as=25;%ap：通帶區衰減DB數設置；as：截止區衰減DB數設置fsa=500;%fsa：序列x的采樣頻率wp=fp/fsa*2;ws=fs/fs

29、a*2;%設計巴特沃茨濾波器n,wn=buttord(wp,ws,ap,as);b,a=butter(n,wn);%查看設計濾波器的曲線h,w=freqz(b,a,256);%求出幅頻響應figure(1);plot(w*fsa/(2*pi),abs(h);xlabel('頻率Hz');ylabel('響應幅度');title('帶通濾波器的幅頻特性曲線');gridon;y=filter(b,a,x);%X*信號進行濾波14figure(2);subplot(211);plot(x);xlabel('t');ylabel(

30、9;x(t)');grid;title(,濾波前時域波形,);subplot(212);plot(y);xlabel('t');ylabel('y(t)');grid;title('濾波后時域波形)；%xx=fft(x,512);Y=fft(y,512);w=(0:255)/256*fsa;figure(3);subplot(211);hua_fft(x,fsa);ylabel('幅值');xlabel('頻率Hz');grid;title('濾波前頻譜,);subplot(212);hua_fft(y,f

31、sa);ylabel('幅值');xlabel('頻率Hz');grid;title('濾波后頻譜,);n=size(findpeaks(10*y)；%計算得出y的波峰個數%畫頻譜程序functionhua_fft(y,fs)nfft=2Anextpow2(length(y);%找出大于y的個數的最大的2的指數值y=y-mean(y);%去除直流分量y_ft=fft(y,nfft);%X丫信號進行口尸丁，得到頻率的幅值分布y_p=y_ft.*conj(y_ft)/nfft;y_f=fs*(0:nfft/2-1)/nfft;%T變換后對應的頻率的序列plo

32、t(y_f,abs(y_ft(1:nfft/2);%論壇上畫FFT的方法ylabel('幅值');xlabel('頻率');title('信號幅值譜");3、脈搏測量儀軟件部分(1)定時器中斷流程圖：由單片定時器定為30s,外部中斷采用邊沿觸發的方式，當處于測量狀態的時候，來一個脈沖脈搏次數就加一,機累加得出30s內的脈搏次數。通過計數30s中脈沖個數*2換算到一分鐘的脈搏數。(2)單片機程序#include<reg52.h>#include"ad0832.h"#defineucharunsignedchar15

33、#defineuintunsignedintsbitTX=P3A1;/*09數字顯示*/ucharcodeDisp11=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00;/*變量聲明*/ucharnumber;ucharmode;/0:單片機計數1:異步通信ucharMbcount;/脈搏次數計數ucharsuccess;intMbvlaue;ucharmb=0,m,counter;uintn;unsignedintOldcount,Newcount;unsignedcharFlag=0;/*延時程序*/voiddelay(uchar

34、t)延時程序inti,j;for(j=0;j<t;j+)for(i=0;i<110;i+);voiddelayms(uchart)/ms延時程序unsignedchara,b,c;for(c=0;c<t;c+)for(b=102;b>0;b-)for(a=3;a>0;a-);voiddelay104us(void)/?-0.918402777778usunsignedchara;for(a=46;a>0;a-);voidDisplay(unsignedintnum)數碼管顯示程序Ds3=0;第三位（百位）數碼管顯示；將P3.5口設為輸出口P1=Dispnum/100;delay(5);Ds3=1;第二位（十位）數碼管顯示16Ds2=0;if(mode=1)P1=Dispnum%100/10|0x80;顯示小數點elseP1=Dispnum%100/10;delay(5);Ds2=1;/第一位(個位)數碼管顯示Ds1=