基于STC89C52單片機(jī)的指環(huán)脈博測量儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周擇文，邵婷婷

(延安大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，陜西 延安 716000)

0 引言

脈搏有著人體健康狀況的詳細(xì)信息，我國中醫(yī)自來就非常重視脈搏的診斷，這種方式也是受到了大家的接受，但是這種方式因?yàn)閱螒{醫(yī)生的手指切脈，往往帶有很強(qiáng)的主觀臆斷，而且技巧很難熟練掌握。在醫(yī)院里護(hù)士每天都要記錄住院的病人脈搏情況，方便醫(yī)生進(jìn)行科學(xué)合理的診斷，通常采用的方法都是把手放在病人的動(dòng)脈上，記錄10秒時(shí)間內(nèi)心跳的數(shù)，然后乘以6倍，最后得出病人的脈搏數(shù)。通過這種方法得出的病人的脈搏數(shù)不夠精準(zhǔn)，而且比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，為了有效地提升脈搏測量的精準(zhǔn)度，多樣式的脈搏儀成為醫(yī)療設(shè)備與器械研發(fā)的重點(diǎn)[1-2]。

以往的脈搏傳感器多采用的是比如指脈、耳脈等方式，但也具有難以有效維護(hù)、數(shù)據(jù)不精確等弊端。當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動(dòng)著脈搏測量技術(shù)的提升，現(xiàn)在的脈搏測量精度也是顯著加強(qiáng)，國內(nèi)外先后推出了多種款式的脈搏測量儀，中間的核心技術(shù)是對(duì)脈搏傳感器的研究。丁青鋒等[3]以STC89C52單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了基于復(fù)合傳感器的人體健康監(jiān)測系統(tǒng)。使用電容式壓力傳感器和溫度傳感器測量人體血壓脈搏和體溫，避免了傳統(tǒng)測量方式下因?yàn)槿说闹饔^因素影響測量結(jié)果的問題。楊波等[4]使用Arduino單片機(jī)采集心電和脈搏波信號(hào),并通過Wi-Fi把數(shù)據(jù)發(fā)送到LabVIEW，該儀器使用心電貼片和壓電脈搏波傳感器替代傳統(tǒng)充氣式袖帶，可進(jìn)行無創(chuàng)連續(xù)血壓測量。羅明等[5]設(shè)計(jì)了一種適用于日常家庭心理健康監(jiān)護(hù)的腕部脈搏波的脈率變異性檢測系統(tǒng)。藺瑩等[6]開發(fā)了一種便攜Android的智能健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，相關(guān)數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值，手機(jī)將發(fā)出報(bào)警聲，達(dá)到了預(yù)警效果。徐玉菁[7]開發(fā)的MSP430單片機(jī)的便攜式血氧儀系統(tǒng)成本低、體積小、方便攜帶,具有非常好的應(yīng)用前景。潘天文等[8]設(shè)計(jì)PSoC單片機(jī)的低功耗心率監(jiān)測，改進(jìn)算法的檢出率比閾值檢測算法提高了1.59%，心率采集端的平均功耗僅約40.6 mW。上述專家學(xué)者從儀器設(shè)備便攜、低能耗、高檢測精度、降成本等各角度為出發(fā)點(diǎn)不斷探索具有良好的應(yīng)用價(jià)值軟硬件系統(tǒng)[9-12]。

目前國內(nèi)外的研究方向集中在無創(chuàng)傷非接觸式的傳感器，它測量精度高，誤差小，不與人體有直接接觸[13-16]。本文基于STC89C52核心利用主流技術(shù)的光電式脈搏傳感器，采用對(duì)手指末端透光度的監(jiān)測，從而能夠間接獲得脈搏信息，本套設(shè)備可提升護(hù)理工作時(shí)效性，以期在臨床醫(yī)學(xué)的領(lǐng)域中得到應(yīng)用與推廣[17-19]。

1 設(shè)計(jì)原理

脈搏測量儀的設(shè)計(jì)理念為收集并發(fā)送人體脈搏發(fā)生瞬時(shí)改變而產(chǎn)生的生物信號(hào)，接著通過生物信號(hào)轉(zhuǎn)變成光電物理信號(hào)，實(shí)時(shí)偵測人體的脈搏情況。整個(gè)過程需相應(yīng)的硬件電路與相關(guān)軟件來實(shí)現(xiàn)。依照上述思路，本文進(jìn)行了脈搏測量儀的設(shè)計(jì)。

1.1 工作原理

1.1.1 脈搏信號(hào)采集

依據(jù)郎伯-比爾定律，物質(zhì)在某種環(huán)境下波長處的吸光情況和它的濃度呈現(xiàn)的是正比的關(guān)系。如果一個(gè)保持不變的波長照到人體身上的時(shí)候，經(jīng)過人體組織的吸收和衰減以后，實(shí)際測量到的光強(qiáng)能夠比較全面的反饋出被照射位置的結(jié)構(gòu)情況。

脈搏是依靠人的動(dòng)脈舒張和收縮形成的，每個(gè)人的指尖位置的動(dòng)脈成分是比較高的，而且在指尖的位置人體的組織厚度是比較薄的，光通過手指檢測到的光強(qiáng)比較清晰，所以設(shè)計(jì)的脈搏測量儀是使用在人體的指尖。人的手指組織是由皮膚、肌肉、骨骼等組織構(gòu)成，分為非血液組織和血液組織，很明顯非血液組織它們吸收到的光通常是恒定的，而靜脈血的搏動(dòng)非常的微弱，不適用進(jìn)行檢測。所以可以知道光通過手指后，出現(xiàn)了一系列的變化，這些都是由動(dòng)脈血的細(xì)微變化引起的，這樣采用固定播長的光源進(jìn)行照射，然后對(duì)通過手指的光強(qiáng)度進(jìn)行檢測，就能獲得人體的脈搏信號(hào)情況。

光電傳感器由紅外發(fā)光二極管和紅外接收三極管構(gòu)成。檢測的基本原理是，伴隨人的心臟的跳動(dòng)，人體組織半透明度就會(huì)發(fā)生一定的改變，如果血液送到了人體的組織器官時(shí)，則它的半透明度就會(huì)變少，當(dāng)血液回到了心臟，則組織器官的半透明度就會(huì)增強(qiáng)，這種情況在人體組織的比如耳垂、手指尖的位置尤其明顯。所以本設(shè)計(jì)運(yùn)用的是通過紅外發(fā)光二極管對(duì)人體的手指展開照射，人的手指組織的反射和衰減情況，都會(huì)由紅外三極管來進(jìn)行接收，并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。因?yàn)槭种竸?dòng)脈血在血液循環(huán)中間是按照周期規(guī)律進(jìn)行變化的，所以對(duì)光的反射和衰減也是按照周期規(guī)律進(jìn)行變化的，這樣只要把紅外接收三極管獲取到數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的處理，就能非?？焖俚孬@得脈搏的測量情況。

本設(shè)計(jì)采用的是透射式的，其工作原理是，發(fā)射光源和光敏接收的器件的位置和距離對(duì)稱放置，通過這種方式能夠有效的獲得心律的實(shí)際情況，減少了一系列的干擾。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 透射式光電傳感器

1.1.2 STC89C52單片機(jī)

設(shè)計(jì)中運(yùn)用單片機(jī)STC89C52為控制核心，當(dāng)把手指放到光電傳感器上面時(shí)，伴隨著心臟的跳動(dòng)，這時(shí)血管中的血液的流量就會(huì)出現(xiàn)變化，這就會(huì)造成血液飽和度產(chǎn)生改變，從而使得光的強(qiáng)弱出現(xiàn)改變，這個(gè)節(jié)拍和心跳是一致的，紅外接收三極管的電流同樣也會(huì)出現(xiàn)變化，使得紅外接收三極管就會(huì)發(fā)出脈沖信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過一定的處理，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)上，單片機(jī)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行處理后，把數(shù)據(jù)傳送到數(shù)碼管，數(shù)碼管就會(huì)顯示出測量的結(jié)果，工作原理如圖2所示。

圖2 工作原理示意圖

設(shè)計(jì)的脈搏測量儀有許多的特點(diǎn)：1)測量不會(huì)侵入人體；2)使用方便快速，數(shù)值精準(zhǔn)；3)穩(wěn)定性強(qiáng)、方便維護(hù)、壽命比較長；4)體積小、重量輕。

1.2 主要元器件

在本設(shè)計(jì)中采用的STC89C52為控制核心，它是一款性能比較高、低電壓的單片機(jī)，能夠充分的滿足本設(shè)計(jì)的需求。此次設(shè)計(jì)使用的AT89C51單片機(jī)的封裝形式是DIP40。STC89C52單片機(jī)的封裝形式和個(gè)引腳功能如圖3和表1所示。

圖3 STC89C52單片機(jī)的封裝形式

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

信號(hào)采集電路如圖4所示。脈搏信號(hào)采集的電路設(shè)計(jì)中，紅外U3為發(fā)射和接收元件，為了使得紅外發(fā)射裝置的靈敏度符合設(shè)計(jì)要求，R20選擇了300 Ω。在使用過程中，通常會(huì)出現(xiàn)兩種情況，一種情況是沒有脈期，這時(shí)候手指阻礙了發(fā)射的紅外光，但因?yàn)榧t外接收三極管中間有暗電流，這就會(huì)使得電壓相對(duì)較低；另一種情況是有脈期，因?yàn)槊}搏產(chǎn)生了跳動(dòng)，血管中的血液讓手指的透光性變得很弱，就使得紅外接收管中暗電流變少，輸出電壓提升。這樣就能較易收集到目標(biāo)信號(hào)。

表1 引腳各功能表

圖4 信號(hào)采集電路

當(dāng)傳感器輸出頻率比較的低時(shí)，易受高頻源干擾，所以在設(shè)計(jì)中添加了C7濾波，排除了高頻干擾，然后把數(shù)據(jù)傳送到線性放大輸入端。

2.2 信號(hào)放大設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)按照人體在體育運(yùn)動(dòng)后的脈搏跳動(dòng)次數(shù)195次/min來進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過圖5能夠看出，在設(shè)計(jì)中R14、C14形成了低通濾波器，使干擾盡量減少到最低，同時(shí)兩者還確定了截止頻率，U2B把信號(hào)進(jìn)行了有效的增大，具體增大的倍數(shù)由R14/R16值來確定。

若有信號(hào)輸入的時(shí)候，U2A就會(huì)輸出比較高的電平，這時(shí)候紅色發(fā)光二極管LED的燈會(huì)閃爍，脈搏每跳動(dòng)一次，燈就會(huì)隨之閃爍一次，脈沖電平經(jīng)過R24傳遞到單片機(jī)/INTO腳，然后就能獲得心率的相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖5 信號(hào)放大電路圖

2.3 單片機(jī)處理電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中選用的STC89C52芯片，能夠非常迅速的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)能進(jìn)行有效的編程，故障率較低。單片機(jī)處理電路設(shè)計(jì)如圖6所示。通過傳感器和整形輸出電路獲得的脈沖電平，通過芯片的/INTO腳進(jìn)入到芯片，單片機(jī)設(shè)置的模式是負(fù)跳變中斷模式。

圖6 單片機(jī)處理電路設(shè)計(jì)

因此，每一次的脈沖下降沿到達(dá)時(shí)，會(huì)激發(fā)單片機(jī)出現(xiàn)中斷，然后展開計(jì)時(shí)，每一個(gè)脈沖脈搏對(duì)應(yīng)的就是加1個(gè)次數(shù)，定時(shí)器中斷設(shè)置為1 min，單片機(jī)對(duì)1 min內(nèi)的脈搏情況累加，然后把相關(guān)的數(shù)據(jù)內(nèi)容經(jīng)過P0和P1口傳到顯示電路。

2.4 顯示電路設(shè)計(jì)

通常進(jìn)行單片機(jī)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，為了能夠有效的觀察到設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，要使用顯示器來展現(xiàn)運(yùn)行的實(shí)際情況，所以本設(shè)計(jì)當(dāng)中也是需要采用顯示器設(shè)備。本設(shè)計(jì)中運(yùn)用的LED數(shù)碼管顯示器，它是由發(fā)光的二極管顯示字段構(gòu)成的，LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示，采用3位7段共陽極數(shù)碼管顯示器，有12個(gè)引腳，8個(gè)位選端，8個(gè)字選段，相關(guān)的顯示電路如圖7所示。

圖7 顯示電路

采用LED動(dòng)態(tài)顯示時(shí)，按順序點(diǎn)亮每位顯示器，每個(gè)數(shù)碼管的位選被按次序挑選，多個(gè)數(shù)碼管共同使用一個(gè)段選，段選數(shù)據(jù)僅對(duì)位選選中的數(shù)碼管有效。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 脈搏測量主程序

脈搏測量主程序讓單片機(jī)按照系統(tǒng)設(shè)定的內(nèi)容進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)通電以后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，主要是對(duì)單片機(jī)內(nèi)各個(gè)部分的工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定。完成了初始化的工作后，然后就按照設(shè)定好的流程，進(jìn)行相應(yīng)的程序運(yùn)行，圖8為程序流程圖。

圖8 主程序流程圖

3.2 定時(shí)器中斷程序

定時(shí)器中斷程序主要是由脈搏時(shí)間計(jì)量、有沒有信號(hào)判斷、數(shù)碼管掃描構(gòu)成。當(dāng)定時(shí)器中斷開始運(yùn)行后，對(duì)規(guī)定時(shí)間內(nèi)脈搏的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，流程如圖9所示。

圖9 定時(shí)器中斷程序流程圖

3.3 INT中斷程序

外部中斷服務(wù)程序是對(duì)外部信號(hào)的測量和計(jì)算，采取的是邊沿觸發(fā)的模式，當(dāng)進(jìn)行測量的時(shí)候，有一個(gè)脈沖脈搏就會(huì)進(jìn)行計(jì)數(shù)為1，然后單片機(jī)里面的內(nèi)部定時(shí)1 min，最后計(jì)算出1 min里面脈搏的總數(shù)據(jù)。

4 調(diào)試及實(shí)際驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

可以對(duì)脈搏測量儀出現(xiàn)的各類情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試，讓設(shè)備各功能都正常發(fā)揮作用，常用的調(diào)試內(nèi)容如表2所示。

表2 系統(tǒng)調(diào)試常用內(nèi)容

基于單片機(jī)的脈搏計(jì)系統(tǒng)是多功能的數(shù)字型設(shè)計(jì)，所以對(duì)于它的程序也較為復(fù)雜。所以在編寫程序和調(diào)試時(shí)出現(xiàn)了相對(duì)較多的問題。最后經(jīng)過多次的模塊子程序的修改，至調(diào)試成功。由于Proteus中缺少傳感器等相關(guān)元器件，故選用開關(guān)的閉合與斷開時(shí)高低電平的變化來表示脈搏的跳動(dòng)，其仿真如圖10所示。

圖10 Proteus整體仿真圖

當(dāng)脈搏數(shù)大于120時(shí)，蜂鳴器報(bào)警同時(shí)黃燈亮。當(dāng)脈搏數(shù)小于60時(shí)，綠燈點(diǎn)亮同時(shí)蜂鳴器顯示報(bào)警，仿真在模擬心跳時(shí)是用信號(hào)發(fā)生器替代的，可以通過改變其周期數(shù)改變心跳數(shù)，在模擬時(shí)達(dá)到良好效果。

4.2 脈搏測量儀使用

當(dāng)脈搏測量儀通電后，設(shè)備上顯示為零，然后把手指套上指環(huán)傳感器，很短的時(shí)間內(nèi)，紅色發(fā)光二極管會(huì)跟著脈搏的跳動(dòng)而閃爍，在按下復(fù)位按鈕后設(shè)備開始運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)就會(huì)顯示出測量人的心率和測試時(shí)間，如果測量出現(xiàn)有不穩(wěn)定的狀態(tài)，可以重新按下復(fù)位鍵進(jìn)行再次測量。

4.3 實(shí)際效果驗(yàn)證

為了測試本文設(shè)計(jì)的指環(huán)脈搏測量儀的準(zhǔn)確度，與聽診器實(shí)際測得脈搏次數(shù)進(jìn)行比較。結(jié)果如表3所示，實(shí)際脈搏次數(shù)與脈搏測量值之差為絕對(duì)誤差，得單片機(jī)絕對(duì)誤差為1.1，相對(duì)誤差為0.9%，達(dá)到直接應(yīng)用要求。

表3 實(shí)測脈搏數(shù)據(jù)比較次 min

4.4 減少干擾方法

對(duì)于脈搏測量儀來說，因?yàn)闄z測到的數(shù)據(jù)信號(hào)都是十分的微弱，外界有著很微小的影響干擾，都會(huì)對(duì)測量結(jié)果造成較大的誤差。

1)減少環(huán)境光的干擾。通過本設(shè)計(jì)的脈搏測量儀進(jìn)行檢測中，光敏器件在獲取到的光信號(hào)中，不光有脈搏信息的透射光的信號(hào)，同時(shí)還會(huì)有外界的自然光的影響，所以可以采取密封的指套式包裝形式，讓整個(gè)外殼都采用不透光的材質(zhì)，這樣能夠使得外界光源對(duì)于檢測的數(shù)據(jù)影響減到最小。采取指套式外殼后進(jìn)行檢測，獲得的檢測數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，穩(wěn)定性更高，易于收集。

2)減少電磁干擾?？紤]到本設(shè)計(jì)中采取光電轉(zhuǎn)換獲得的脈搏信號(hào)都是比較微弱的，通常會(huì)受到外界的電磁信號(hào)的干擾，所以在設(shè)計(jì)中充分考慮到這一點(diǎn)，芯片內(nèi)集成了光敏器和一級(jí)放大電路，從根本上排除了其它電磁信號(hào)對(duì)收集到的脈搏信號(hào)的干擾。另外工頻干擾也是會(huì)影響測量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的，一般的脈搏信號(hào)頻率都是0.3～30 Hz，比工頻的50 Hz要小，信號(hào)通過低通濾波器，將工頻干擾有效抑制。

3)排除移動(dòng)或者震動(dòng)的干擾。在對(duì)脈搏進(jìn)行測量的時(shí)候，一般手指和脈搏傳感器會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的移動(dòng)或者震動(dòng)，這就會(huì)使得測量的結(jié)果出現(xiàn)一定的差別，這就要使手指和指套式傳感器緊密的結(jié)合，保證測量時(shí)的穩(wěn)定性，這就能使得測量的效果準(zhǔn)確有效。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)中采用STC89C52單片機(jī)作為核心的控制器，通過光電傳感器收集到脈沖信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過有效的放大、濾波以及整形，經(jīng)過單片機(jī)的有效處理，最終在數(shù)碼管上顯示出脈搏測量的結(jié)果，采取有效的調(diào)試和使用。本套設(shè)備可提升護(hù)理工作時(shí)效性，在臨床醫(yī)學(xué)的領(lǐng)域中具有較大應(yīng)用與推廣價(jià)值。