基于STC89C52單片機的指環(huán)脈博測量儀設計與實現(xiàn)

周擇文，邵婷婷

(延安大學 物理與信息工程學院，陜西 延安 716000)

0 引言

脈搏有著人體健康狀況的詳細信息，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，但是這種方式因為單憑醫(yī)生的手指切脈，往往帶有很強的主觀臆斷，而且技巧很難熟練掌握。在醫(yī)院里護士每天都要記錄住院的病人脈搏情況，方便醫(yī)生進行科學合理的診斷，通常采用的方法都是把手放在病人的動脈上，記錄10秒時間內心跳的數(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，而且比較費時費力，為了有效地提升脈搏測量的精準度，多樣式的脈搏儀成為醫(yī)療設備與器械研發(fā)的重點[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、數(shù)據(jù)不精確等弊端。當前科學技術的不斷進步，推動著脈搏測量技術的提升，現(xiàn)在的脈搏測量精度也是顯著加強，國內外先后推出了多種款式的脈搏測量儀，中間的核心技術是對脈搏傳感器的研究。丁青鋒等[3]以STC89C52單片機為核心，設計了基于復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)測量方式下因為人的主觀因素影響測量結果的問題。楊波等[4]使用Arduino單片機采集心電和脈搏波信號,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，可進行無創(chuàng)連續(xù)血壓測量。羅明等[5]設計了一種適用于日常家庭心理健康監(jiān)護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)護系統(tǒng)，相關數(shù)據(jù)超出設定閾值，手機將發(fā)出報警聲，達到了預警效果。徐玉菁[7]開發(fā)的MSP430單片機的便攜式血氧儀系統(tǒng)成本低、體積小、方便攜帶,具有非常好的應用前景。潘天文等[8]設計PSoC單片機的低功耗心率監(jiān)測，改進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。上述專家學者從儀器設備便攜、低能耗、高檢測精度、降成本等各角度為出發(fā)點不斷探索具有良好的應用價值軟硬件系統(tǒng)[9-12]。

目前國內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核心利用主流技術的光電式脈搏傳感器，采用對手指末端透光度的監(jiān)測，從而能夠間接獲得脈搏信息，本套設備可提升護理工作時效性，以期在臨床醫(yī)學的領域中得到應用與推廣[17-19]。

1 設計原理

脈搏測量儀的設計理念為收集并發(fā)送人體脈搏發(fā)生瞬時改變而產生的生物信號，接著通過生物信號轉變成光電物理信號，實時偵測人體的脈搏情況。整個過程需相應的硬件電路與相關軟件來實現(xiàn)。依照上述思路，本文進行了脈搏測量儀的設計。

1.1 工作原理

1.1.1 脈搏信號采集

依據(jù)郎伯-比爾定律，物質在某種環(huán)境下波長處的吸光情況和它的濃度呈現(xiàn)的是正比的關系。如果一個保持不變的波長照到人體身上的時候，經過人體組織的吸收和衰減以后，實際測量到的光強能夠比較全面的反饋出被照射位置的結構情況。

脈搏是依靠人的動脈舒張和收縮形成的，每個人的指尖位置的動脈成分是比較高的，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比較清晰，所以設計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，而靜脈血的搏動非常的微弱，不適用進行檢測。所以可以知道光通過手指后，出現(xiàn)了一系列的變化，這些都是由動脈血的細微變化引起的，這樣采用固定播長的光源進行照射，然后對通過手指的光強度進行檢測，就能獲得人體的脈搏信號情況。

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

本設計采用的是透射式的，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稱放置，通過這種方式能夠有效的獲得心律的實際情況，減少了一系列的干擾。結構如圖1所示。

圖1 透射式光電傳感器

1.1.2 STC89C52單片機

設計中運用單片機STC89C52為控制核心，當把手指放到光電傳感器上面時，伴隨著心臟的跳動，這時血管中的血液的流量就會出現(xiàn)變化，這就會造成血液飽和度產生改變，從而使得光的強弱出現(xiàn)改變，這個節(jié)拍和心跳是一致的，紅外接收三極管的電流同樣也會出現(xiàn)變化，使得紅外接收三極管就會發(fā)出脈沖信號，信號經過一定的處理，傳輸?shù)絾纹瑱C上，單片機對脈沖信號進行處理后，把數(shù)據(jù)傳送到數(shù)碼管，數(shù)碼管就會顯示出測量的結果，工作原理如圖2所示。

圖2 工作原理示意圖

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

1.2 主要元器件

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

圖3 STC89C52單片機的封裝形式

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 信號采集電路設計

信號采集電路如圖4所示。脈搏信號采集的電路設計中，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計要求，R20選擇了300 Ω。在使用過程中，通常會出現(xiàn)兩種情況，一種情況是沒有脈期，這時候手指阻礙了發(fā)射的紅外光，但因為紅外接收三極管中間有暗電流，這就會使得電壓相對較低；另一種情況是有脈期，因為脈搏產生了跳動，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信號。

表1 引腳各功能表

圖4 信號采集電路

當傳感器輸出頻率比較的低時，易受高頻源干擾，所以在設計中添加了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 信號放大設計

本設計按照人體在體育運動后的脈搏跳動次數(shù)195次/min來進行設計，通過圖5能夠看出，在設計中R14、C14形成了低通濾波器，使干擾盡量減少到最低，同時兩者還確定了截止頻率，U2B把信號進行了有效的增大，具體增大的倍數(shù)由R14/R16值來確定。

若有信號輸入的時候，U2A就會輸出比較高的電平，這時候紅色發(fā)光二極管LED的燈會閃爍，脈搏每跳動一次，燈就會隨之閃爍一次，脈沖電平經過R24傳遞到單片機/INTO腳，然后就能獲得心率的相關數(shù)據(jù)。

圖5 信號放大電路圖

2.3 單片機處理電路設計

本設計中選用的STC89C52芯片，能夠非常迅速的對數(shù)據(jù)進行計算，同時能進行有效的編程，故障率較低。單片機處理電路設計如圖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腳進入到芯片，單片機設置的模式是負跳變中斷模式。

圖6 單片機處理電路設計

因此，每一次的脈沖下降沿到達時，會激發(fā)單片機出現(xiàn)中斷，然后展開計時，每一個脈沖脈搏對應的就是加1個次數(shù)，定時器中斷設置為1 min，單片機對1 min內的脈搏情況累加，然后把相關的數(shù)據(jù)內容經過P0和P1口傳到顯示電路。

2.4 顯示電路設計

通常進行單片機的設計當中，為了能夠有效的觀察到設備的運轉情況，要使用顯示器來展現(xiàn)運行的實際情況，所以本設計當中也是需要采用顯示器設備。本設計中運用的LED數(shù)碼管顯示器，它是由發(fā)光的二極管顯示字段構成的，LED數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示，采用3位7段共陽極數(shù)碼管顯示器，有12個引腳，8個位選端，8個字選段，相關的顯示電路如圖7所示。

圖7 顯示電路

采用LED動態(tài)顯示時，按順序點亮每位顯示器，每個數(shù)碼管的位選被按次序挑選，多個數(shù)碼管共同使用一個段選，段選數(shù)據(jù)僅對位選選中的數(shù)碼管有效。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 脈搏測量主程序

脈搏測量主程序讓單片機按照系統(tǒng)設定的內容進行運轉，當整個系統(tǒng)通電以后，首先進行系統(tǒng)的初始化，主要是對單片機內各個部分的工作狀態(tài)進行設定。完成了初始化的工作后，然后就按照設定好的流程，進行相應的程序運行，圖8為程序流程圖。

圖8 主程序流程圖

3.2 定時器中斷程序

定時器中斷程序主要是由脈搏時間計量、有沒有信號判斷、數(shù)碼管掃描構成。當定時器中斷開始運行后，對規(guī)定時間內脈搏的測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，流程如圖9所示。

圖9 定時器中斷程序流程圖

3.3 INT中斷程序

外部中斷服務程序是對外部信號的測量和計算，采取的是邊沿觸發(fā)的模式，當進行測量的時候，有一個脈沖脈搏就會進行計數(shù)為1，然后單片機里面的內部定時1 min，最后計算出1 min里面脈搏的總數(shù)據(jù)。

4 調試及實際驗證

4.1 系統(tǒng)調試

可以對脈搏測量儀出現(xiàn)的各類情況進行相應的調試，讓設備各功能都正常發(fā)揮作用，常用的調試內容如表2所示。

表2 系統(tǒng)調試常用內容

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

圖10 Proteus整體仿真圖

當脈搏數(shù)大于120時，蜂鳴器報警同時黃燈亮。當脈搏數(shù)小于60時，綠燈點亮同時蜂鳴器顯示報警，仿真在模擬心跳時是用信號發(fā)生器替代的，可以通過改變其周期數(shù)改變心跳數(shù)，在模擬時達到良好效果。

4.2 脈搏測量儀使用

當脈搏測量儀通電后，設備上顯示為零，然后把手指套上指環(huán)傳感器，很短的時間內，紅色發(fā)光二極管會跟著脈搏的跳動而閃爍，在按下復位按鈕后設備開始運轉，這時就會顯示出測量人的心率和測試時間，如果測量出現(xiàn)有不穩(wěn)定的狀態(tài)，可以重新按下復位鍵進行再次測量。

4.3 實際效果驗證

為了測試本文設計的指環(huán)脈搏測量儀的準確度，與聽診器實際測得脈搏次數(shù)進行比較。結果如表3所示，實際脈搏次數(shù)與脈搏測量值之差為絕對誤差，得單片機絕對誤差為1.1，相對誤差為0.9%，達到直接應用要求。

表3 實測脈搏數(shù)據(jù)比較次 min

4.4 減少干擾方法

對于脈搏測量儀來說，因為檢測到的數(shù)據(jù)信號都是十分的微弱，外界有著很微小的影響干擾，都會對測量結果造成較大的誤差。

1)減少環(huán)境光的干擾。通過本設計的脈搏測量儀進行檢測中，光敏器件在獲取到的光信號中，不光有脈搏信息的透射光的信號，同時還會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，讓整個外殼都采用不透光的材質，這樣能夠使得外界光源對于檢測的數(shù)據(jù)影響減到最小。采取指套式外殼后進行檢測，獲得的檢測數(shù)據(jù)更加精準，穩(wěn)定性更高，易于收集。

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

3)排除移動或者震動的干擾。在對脈搏進行測量的時候，一般手指和脈搏傳感器會產生細微的移動或者震動，這就會使得測量的結果出現(xiàn)一定的差別，這就要使手指和指套式傳感器緊密的結合，保證測量時的穩(wěn)定性，這就能使得測量的效果準確有效。

5 結束語

本設計中采用STC89C52單片機作為核心的控制器，通過光電傳感器收集到脈沖信號，信號經過有效的放大、濾波以及整形，經過單片機的有效處理，最終在數(shù)碼管上顯示出脈搏測量的結果，采取有效的調試和使用。本套設備可提升護理工作時效性，在臨床醫(yī)學的領域中具有較大應用與推廣價值。