基于單片機(jī)的脈搏波采集系統(tǒng)的設(shè)計

張心歌

摘 要 脈搏波信號當(dāng)中包含著人體最重要、最基本的生理參數(shù)，對診斷心臟及心血管疾病具有重要的臨床診斷價值。本設(shè)計以STC89C52單片機(jī)為控制核心，利用壓電脈搏傳感器采集脈搏波，經(jīng)信號放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)處理，顯示脈搏測量結(jié)果，并通過串口電路送上位機(jī)顯示波形。

關(guān)鍵詞 STC89C52；脈搏信號；信號調(diào)理電路；HK-2000B

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0031-02

當(dāng)前社會已經(jīng)把追求自身和家人的健康作為一種時尚。但是由于人們的飲食結(jié)構(gòu)和生活起居習(xí)慣的不合理，導(dǎo)致心血管疾病等慢性病成為威脅人類健康的高發(fā)病，如何監(jiān)測和預(yù)防心血管疾病已成為日常保健不可缺少的重要部分。

傳統(tǒng)中醫(yī)的脈搏診斷主要依賴于醫(yī)生各自的經(jīng)驗和主觀判斷，使得醫(yī)生對脈象的辨識缺乏客觀、統(tǒng)一、精確的標(biāo)準(zhǔn)。因此，采集脈搏波并在PC機(jī)上對脈搏波進(jìn)行客觀處理對更好的診斷和預(yù)防心腦血管疾病有著很強(qiáng)的社會意義和研究價值。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由單片機(jī)、脈搏傳感器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器和串口通信電路等主要模塊組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

脈搏傳感器對人體脈搏波信號進(jìn)行采集，并將采集到的信號通過信號調(diào)理電路進(jìn)行放大、濾波等預(yù)處理，再將預(yù)處理后的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，送入單片機(jī)進(jìn)行計算并顯示，最后由串行通信電路傳至上位機(jī)，為更加詳盡的病理分析做準(zhǔn)備。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 傳感器的選取

本設(shè)計所選取的脈搏傳感器是華科電子生產(chǎn)的HK-2000B型壓電脈搏傳感器。其內(nèi)部將力敏元件（PVDF壓電膜）、靈敏度溫度補(bǔ)償元件、溫感元件、簡單信號調(diào)理電路通過高度集成化工藝集成在傳感器里，是一種軟接觸式的無創(chuàng)傷脈搏傳感器，能將脈搏的壓力轉(zhuǎn)換為和脈壓對應(yīng)模擬電壓信號。另外，傳感器的采樣頻率為200 Hz，完全能滿足脈搏信號采集需要。

2.2 信號調(diào)理電路

由脈搏傳感器所提取的脈壓信號幅值微小、頻率低、隨機(jī)性強(qiáng)。另外，采集過程不可避免地要引入一些干擾信號，如：檢測現(xiàn)場很多電氣設(shè)備運(yùn)行時的干擾噪聲、電子線路固有的熱噪聲和散粒噪聲等，這些噪聲會疊加在微弱的脈搏信號上，削弱和影響了脈搏信號的真實性，因此在數(shù)據(jù)正式使用之前要對其進(jìn)行預(yù)處理。本設(shè)計主要通過信號放大、濾波等方式對信號進(jìn)行預(yù)處理，以達(dá)到提高有效信號幅值，濾除干擾信號的目的。

1）放大電路的設(shè)計。因為傳感器采樣輸出電壓是-0.1 V～0.6 V，幅值微小且有負(fù)電壓存在，而A/D轉(zhuǎn)換器MAX1240定義的最低轉(zhuǎn)換極限為0V。因此需要放大電路提升信號幅值。本設(shè)計選用LM358構(gòu)成放大電路如圖2所示。滿足A/D轉(zhuǎn)換采樣電壓要求。

圖2 放大電路

2）濾波電路的設(shè)計。根據(jù)臨床經(jīng)驗，人體脈搏通常在40～180次/min，其頻率約為0.6 Hz～3 Hz，脈搏波的絕大部分能量集中在30 Hz以下，另外，為了避免工頻50 Hz的干擾。LPF的轉(zhuǎn)折頻率取40 Hz，HPF的轉(zhuǎn)折頻率取0.1 Hz。則HPF的通帶頻率范圍為0.1 Hz～40 Hz。濾波電路如圖3所示。

圖3 濾波電路

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

本設(shè)計要求所采集的信號具有較高的分辨率，選用MAXIM公司生產(chǎn)的單通道12位逐次逼近型串行A/D轉(zhuǎn)換器。它外圍電路簡單，共有8個管腳，模擬信號由AIN管腳輸入，DOUT、CS、SOLK管腳分別與單片機(jī)P1.2、P1.1、P1.0相連。經(jīng)使用，其轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠，適用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

2.4 主控芯片

本設(shè)計選用單片機(jī)STC89C52作為主控芯片，主要完成信號的A/D轉(zhuǎn)換、測量數(shù)據(jù)顯示及與上位機(jī)的串口通信功能。STC89C52系列單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，指令代碼與傳統(tǒng)8051單片機(jī)完全兼容但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。滿足本設(shè)計需要和日后擴(kuò)展的需求。

2.5串口與上位機(jī)連接電路

串口通信的由于其線路簡單、設(shè)計成本較低，在速度要求不高的近距離數(shù)據(jù)傳送中應(yīng)用廣泛。單片機(jī)將從MAX1240采集到的12位數(shù)據(jù)經(jīng)處理分成兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，再經(jīng)過串口通信電路發(fā)送到COM，可以連接電腦等常規(guī)D型串行接口。MAX232是美信公司為RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的接口電路，TXD與RXD分別與單片機(jī)的RXD與TXD相連，右下角的DB9 插頭連接計算機(jī)的串行口。本設(shè)計采用此連接方式，除作串口通信外，本電路也是ISP程序下載電路。

3 軟件設(shè)計

本設(shè)計中單片機(jī)對數(shù)據(jù)所進(jìn)行的處理相對簡單，程序設(shè)計流程如圖4所示。

4 結(jié)束語

本文通過對脈搏波采集系統(tǒng)硬件和軟件詳細(xì)的介紹，完成了系統(tǒng)的設(shè)計過程。經(jīng)實驗調(diào)試，采集到的信號清晰平穩(wěn)，噪聲基本濾除，整個系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性，并能在PC機(jī)上顯示波形。可應(yīng)用于中老年人或心腦血管疾病患者的監(jiān)護(hù)以及日常的健康檢測。

圖4 程序設(shè)計總流程圖

參考文獻(xiàn)

[1]景軍，牛英勃，景桂芳，等.基于無線傳輸技術(shù)的人體脈搏采集分析系統(tǒng)[J].微處理機(jī)，2009，30（6）.

[2]張洪潤，張亞凡.傳感器技術(shù)與應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3]劉濤，趙艷飛，劉志剛，等.基于STC89C52的多通道脈搏采集系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（15）.

[4]蔣超，金陶威，李世嬌，等.高精度無線脈搏波采集系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2013，39（7）.endprint

摘 要 脈搏波信號當(dāng)中包含著人體最重要、最基本的生理參數(shù)，對診斷心臟及心血管疾病具有重要的臨床診斷價值。本設(shè)計以STC89C52單片機(jī)為控制核心，利用壓電脈搏傳感器采集脈搏波，經(jīng)信號放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)處理，顯示脈搏測量結(jié)果，并通過串口電路送上位機(jī)顯示波形。

關(guān)鍵詞 STC89C52；脈搏信號；信號調(diào)理電路；HK-2000B

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0031-02

當(dāng)前社會已經(jīng)把追求自身和家人的健康作為一種時尚。但是由于人們的飲食結(jié)構(gòu)和生活起居習(xí)慣的不合理，導(dǎo)致心血管疾病等慢性病成為威脅人類健康的高發(fā)病，如何監(jiān)測和預(yù)防心血管疾病已成為日常保健不可缺少的重要部分。

傳統(tǒng)中醫(yī)的脈搏診斷主要依賴于醫(yī)生各自的經(jīng)驗和主觀判斷，使得醫(yī)生對脈象的辨識缺乏客觀、統(tǒng)一、精確的標(biāo)準(zhǔn)。因此，采集脈搏波并在PC機(jī)上對脈搏波進(jìn)行客觀處理對更好的診斷和預(yù)防心腦血管疾病有著很強(qiáng)的社會意義和研究價值。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由單片機(jī)、脈搏傳感器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器和串口通信電路等主要模塊組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

脈搏傳感器對人體脈搏波信號進(jìn)行采集，并將采集到的信號通過信號調(diào)理電路進(jìn)行放大、濾波等預(yù)處理，再將預(yù)處理后的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，送入單片機(jī)進(jìn)行計算并顯示，最后由串行通信電路傳至上位機(jī)，為更加詳盡的病理分析做準(zhǔn)備。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 傳感器的選取

本設(shè)計所選取的脈搏傳感器是華科電子生產(chǎn)的HK-2000B型壓電脈搏傳感器。其內(nèi)部將力敏元件（PVDF壓電膜）、靈敏度溫度補(bǔ)償元件、溫感元件、簡單信號調(diào)理電路通過高度集成化工藝集成在傳感器里，是一種軟接觸式的無創(chuàng)傷脈搏傳感器，能將脈搏的壓力轉(zhuǎn)換為和脈壓對應(yīng)模擬電壓信號。另外，傳感器的采樣頻率為200 Hz，完全能滿足脈搏信號采集需要。

2.2 信號調(diào)理電路

由脈搏傳感器所提取的脈壓信號幅值微小、頻率低、隨機(jī)性強(qiáng)。另外，采集過程不可避免地要引入一些干擾信號，如：檢測現(xiàn)場很多電氣設(shè)備運(yùn)行時的干擾噪聲、電子線路固有的熱噪聲和散粒噪聲等，這些噪聲會疊加在微弱的脈搏信號上，削弱和影響了脈搏信號的真實性，因此在數(shù)據(jù)正式使用之前要對其進(jìn)行預(yù)處理。本設(shè)計主要通過信號放大、濾波等方式對信號進(jìn)行預(yù)處理，以達(dá)到提高有效信號幅值，濾除干擾信號的目的。

1）放大電路的設(shè)計。因為傳感器采樣輸出電壓是-0.1 V～0.6 V，幅值微小且有負(fù)電壓存在，而A/D轉(zhuǎn)換器MAX1240定義的最低轉(zhuǎn)換極限為0V。因此需要放大電路提升信號幅值。本設(shè)計選用LM358構(gòu)成放大電路如圖2所示。滿足A/D轉(zhuǎn)換采樣電壓要求。

圖2 放大電路

2）濾波電路的設(shè)計。根據(jù)臨床經(jīng)驗，人體脈搏通常在40～180次/min，其頻率約為0.6 Hz～3 Hz，脈搏波的絕大部分能量集中在30 Hz以下，另外，為了避免工頻50 Hz的干擾。LPF的轉(zhuǎn)折頻率取40 Hz，HPF的轉(zhuǎn)折頻率取0.1 Hz。則HPF的通帶頻率范圍為0.1 Hz～40 Hz。濾波電路如圖3所示。

圖3 濾波電路

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

本設(shè)計要求所采集的信號具有較高的分辨率，選用MAXIM公司生產(chǎn)的單通道12位逐次逼近型串行A/D轉(zhuǎn)換器。它外圍電路簡單，共有8個管腳，模擬信號由AIN管腳輸入，DOUT、CS、SOLK管腳分別與單片機(jī)P1.2、P1.1、P1.0相連。經(jīng)使用，其轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠，適用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

2.4 主控芯片

本設(shè)計選用單片機(jī)STC89C52作為主控芯片，主要完成信號的A/D轉(zhuǎn)換、測量數(shù)據(jù)顯示及與上位機(jī)的串口通信功能。STC89C52系列單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，指令代碼與傳統(tǒng)8051單片機(jī)完全兼容但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。滿足本設(shè)計需要和日后擴(kuò)展的需求。

2.5串口與上位機(jī)連接電路

串口通信的由于其線路簡單、設(shè)計成本較低，在速度要求不高的近距離數(shù)據(jù)傳送中應(yīng)用廣泛。單片機(jī)將從MAX1240采集到的12位數(shù)據(jù)經(jīng)處理分成兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，再經(jīng)過串口通信電路發(fā)送到COM，可以連接電腦等常規(guī)D型串行接口。MAX232是美信公司為RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的接口電路，TXD與RXD分別與單片機(jī)的RXD與TXD相連，右下角的DB9 插頭連接計算機(jī)的串行口。本設(shè)計采用此連接方式，除作串口通信外，本電路也是ISP程序下載電路。

3 軟件設(shè)計

本設(shè)計中單片機(jī)對數(shù)據(jù)所進(jìn)行的處理相對簡單，程序設(shè)計流程如圖4所示。

4 結(jié)束語

本文通過對脈搏波采集系統(tǒng)硬件和軟件詳細(xì)的介紹，完成了系統(tǒng)的設(shè)計過程。經(jīng)實驗調(diào)試，采集到的信號清晰平穩(wěn)，噪聲基本濾除，整個系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性，并能在PC機(jī)上顯示波形?？蓱?yīng)用于中老年人或心腦血管疾病患者的監(jiān)護(hù)以及日常的健康檢測。

圖4 程序設(shè)計總流程圖

參考文獻(xiàn)

[1]景軍，牛英勃，景桂芳，等.基于無線傳輸技術(shù)的人體脈搏采集分析系統(tǒng)[J].微處理機(jī)，2009，30（6）.

[2]張洪潤，張亞凡.傳感器技術(shù)與應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3]劉濤，趙艷飛，劉志剛，等.基于STC89C52的多通道脈搏采集系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（15）.

[4]蔣超，金陶威，李世嬌，等.高精度無線脈搏波采集系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2013，39（7）.endprint

摘 要 脈搏波信號當(dāng)中包含著人體最重要、最基本的生理參數(shù)，對診斷心臟及心血管疾病具有重要的臨床診斷價值。本設(shè)計以STC89C52單片機(jī)為控制核心，利用壓電脈搏傳感器采集脈搏波，經(jīng)信號放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)處理，顯示脈搏測量結(jié)果，并通過串口電路送上位機(jī)顯示波形。

關(guān)鍵詞 STC89C52；脈搏信號；信號調(diào)理電路；HK-2000B

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0031-02

當(dāng)前社會已經(jīng)把追求自身和家人的健康作為一種時尚。但是由于人們的飲食結(jié)構(gòu)和生活起居習(xí)慣的不合理，導(dǎo)致心血管疾病等慢性病成為威脅人類健康的高發(fā)病，如何監(jiān)測和預(yù)防心血管疾病已成為日常保健不可缺少的重要部分。

傳統(tǒng)中醫(yī)的脈搏診斷主要依賴于醫(yī)生各自的經(jīng)驗和主觀判斷，使得醫(yī)生對脈象的辨識缺乏客觀、統(tǒng)一、精確的標(biāo)準(zhǔn)。因此，采集脈搏波并在PC機(jī)上對脈搏波進(jìn)行客觀處理對更好的診斷和預(yù)防心腦血管疾病有著很強(qiáng)的社會意義和研究價值。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由單片機(jī)、脈搏傳感器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器和串口通信電路等主要模塊組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

脈搏傳感器對人體脈搏波信號進(jìn)行采集，并將采集到的信號通過信號調(diào)理電路進(jìn)行放大、濾波等預(yù)處理，再將預(yù)處理后的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，送入單片機(jī)進(jìn)行計算并顯示，最后由串行通信電路傳至上位機(jī)，為更加詳盡的病理分析做準(zhǔn)備。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 傳感器的選取

本設(shè)計所選取的脈搏傳感器是華科電子生產(chǎn)的HK-2000B型壓電脈搏傳感器。其內(nèi)部將力敏元件（PVDF壓電膜）、靈敏度溫度補(bǔ)償元件、溫感元件、簡單信號調(diào)理電路通過高度集成化工藝集成在傳感器里，是一種軟接觸式的無創(chuàng)傷脈搏傳感器，能將脈搏的壓力轉(zhuǎn)換為和脈壓對應(yīng)模擬電壓信號。另外，傳感器的采樣頻率為200 Hz，完全能滿足脈搏信號采集需要。

2.2 信號調(diào)理電路

由脈搏傳感器所提取的脈壓信號幅值微小、頻率低、隨機(jī)性強(qiáng)。另外，采集過程不可避免地要引入一些干擾信號，如：檢測現(xiàn)場很多電氣設(shè)備運(yùn)行時的干擾噪聲、電子線路固有的熱噪聲和散粒噪聲等，這些噪聲會疊加在微弱的脈搏信號上，削弱和影響了脈搏信號的真實性，因此在數(shù)據(jù)正式使用之前要對其進(jìn)行預(yù)處理。本設(shè)計主要通過信號放大、濾波等方式對信號進(jìn)行預(yù)處理，以達(dá)到提高有效信號幅值，濾除干擾信號的目的。

1）放大電路的設(shè)計。因為傳感器采樣輸出電壓是-0.1 V～0.6 V，幅值微小且有負(fù)電壓存在，而A/D轉(zhuǎn)換器MAX1240定義的最低轉(zhuǎn)換極限為0V。因此需要放大電路提升信號幅值。本設(shè)計選用LM358構(gòu)成放大電路如圖2所示。滿足A/D轉(zhuǎn)換采樣電壓要求。

圖2 放大電路

2）濾波電路的設(shè)計。根據(jù)臨床經(jīng)驗，人體脈搏通常在40～180次/min，其頻率約為0.6 Hz～3 Hz，脈搏波的絕大部分能量集中在30 Hz以下，另外，為了避免工頻50 Hz的干擾。LPF的轉(zhuǎn)折頻率取40 Hz，HPF的轉(zhuǎn)折頻率取0.1 Hz。則HPF的通帶頻率范圍為0.1 Hz～40 Hz。濾波電路如圖3所示。

圖3 濾波電路

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

本設(shè)計要求所采集的信號具有較高的分辨率，選用MAXIM公司生產(chǎn)的單通道12位逐次逼近型串行A/D轉(zhuǎn)換器。它外圍電路簡單，共有8個管腳，模擬信號由AIN管腳輸入，DOUT、CS、SOLK管腳分別與單片機(jī)P1.2、P1.1、P1.0相連。經(jīng)使用，其轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠，適用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

2.4 主控芯片

本設(shè)計選用單片機(jī)STC89C52作為主控芯片，主要完成信號的A/D轉(zhuǎn)換、測量數(shù)據(jù)顯示及與上位機(jī)的串口通信功能。STC89C52系列單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，指令代碼與傳統(tǒng)8051單片機(jī)完全兼容但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。滿足本設(shè)計需要和日后擴(kuò)展的需求。

2.5串口與上位機(jī)連接電路

串口通信的由于其線路簡單、設(shè)計成本較低，在速度要求不高的近距離數(shù)據(jù)傳送中應(yīng)用廣泛。單片機(jī)將從MAX1240采集到的12位數(shù)據(jù)經(jīng)處理分成兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，再經(jīng)過串口通信電路發(fā)送到COM，可以連接電腦等常規(guī)D型串行接口。MAX232是美信公司為RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的接口電路，TXD與RXD分別與單片機(jī)的RXD與TXD相連，右下角的DB9 插頭連接計算機(jī)的串行口。本設(shè)計采用此連接方式，除作串口通信外，本電路也是ISP程序下載電路。

3 軟件設(shè)計

本設(shè)計中單片機(jī)對數(shù)據(jù)所進(jìn)行的處理相對簡單，程序設(shè)計流程如圖4所示。

4 結(jié)束語

本文通過對脈搏波采集系統(tǒng)硬件和軟件詳細(xì)的介紹，完成了系統(tǒng)的設(shè)計過程。經(jīng)實驗調(diào)試，采集到的信號清晰平穩(wěn)，噪聲基本濾除，整個系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性，并能在PC機(jī)上顯示波形?？蓱?yīng)用于中老年人或心腦血管疾病患者的監(jiān)護(hù)以及日常的健康檢測。

圖4 程序設(shè)計總流程圖

參考文獻(xiàn)

[1]景軍，牛英勃，景桂芳，等.基于無線傳輸技術(shù)的人體脈搏采集分析系統(tǒng)[J].微處理機(jī)，2009，30（6）.

[2]張洪潤，張亞凡.傳感器技術(shù)與應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3]劉濤，趙艷飛，劉志剛，等.基于STC89C52的多通道脈搏采集系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（15）.

[4]蔣超，金陶威，李世嬌，等.高精度無線脈搏波采集系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2013，39（7）.endprint