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电子与信息工程毕业论文:红外线脉搏监测报警系统设计.doc

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本 科 毕 业 设 计 红外线脉搏监测报警系统设计 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II 摘要 单位时间内心脏的跳动次数就是脉搏或心率,它可以反映人体机能代谢水平和运动激烈程度,也经常作为有氧运动强度的一个指标,人体非运动状 态下的心率还是在各种保健以及物理治疗师监督患者进行干预治疗的一个重要凭据。面前各种心血管疾病已成为全世界关注的热议话题,随着我国亚健康人群的不断扩大,如何有效预防这类疾病将成为人们的研究重点,而心率作为血液循环系统中的重要一环节也渐渐成为人们的研究热点。因此脉搏或的正确测量具有重要意义。 本设计采用价格低、精度高的红外线传感器(发光二极管 pulse wave; proteus simulationIV 目录 前言 ........................................................................................................................ 1 第一章 设计方案 ................................................................................................ 2 1.1 设计任务 .................................................................................................. 2 1.2 医疗诊断背景 .......................................................................................... 2 1.2.1 心脏 ................................................................................................ 2 1.2.2 中医 ................................................................................................ 2 1.2.3 心率与脉搏 .................................................................................... 3 1.3 系统的框图表示 ...................................................................................... 3 第二章 人体脉搏信号的采集方法 .................................................................... 4 2.1 典型的脉搏波 .......................................................................................... 4 2.2 红外线传感器的选择 .............................................................................. 4 2.2.1 脉搏波测量法 ................................................................................ 5 2.2.2 红外线传感器 ................................................................................ 6 2.3 脉搏信号的红外线传感器检测原理 ...................................................... 6 2.4 脉搏信号采集电路设计 .......................................................................... 8 第三章 脉搏信号的处理 .................................................................................... 9 3.1 电压源 ...................................................................................................... 9 3.2 放大电路 .................................................................................................. 9 3.2.1 滤波电路 ........................................................................................ 9 3.2.2 放大电路 ...................................................................................... 10 3.3 整形电路 ................................................................................................ 10 3.3.1 施密特触发器 .............................................................................. 10 3.3.2 芯片介绍 ...................................................................................... 11 3.4 锁相环倍频电路 .................................................................................. 12 3.4.1 锁相环理论 .................................................................................. 12 3.4.2 芯片介绍 ...................................................................................... 12 第四章 单片机处理器及接口电路设计 .......................................................... 14 4.1 单片机介绍 ............................................................................................ 14 V 4.1.1 AT89C51 单片机结构 .................................................................. 14 4.1.2 AT89C51 单片机端口资源 .......................................................... 14 4.2 脉搏显示电路设计 ................................................................................ 16 4.2.1 LED 数码管的选择 ...................................................................... 16 4.3 LED 显示电路设计 ................................................................................ 17 第五章 脉搏语音报警电路 .............................................................................. 18 5.1 相关芯片介绍 ........................................................................................ 18 5.1.1 ISD4004 语音芯片 ....................................................................... 18 5.1.2 LM386 功放芯片 .......................................................................... 18 5.2 脉搏语音报警电路设计 ........................................................................ 19 第六章 软件设计 .............................................................................................. 21 6.1 脉搏显示的软件编程 ............................................................................ 21 6.2 部分程序模块的分析 ............................................................................ 22 6.3 流程图 .................................................................................................... 24 第七章 仿真结果 .............................................................................................. 25 7.1 Proteus 软件操作 .................................................................................... 25 7.2 Proteus 仿真软件的实际运用 ................................................................ 25 小结 ...................................................................................................................... 27 致谢 ........................................................................................错误 未定义书签。 [参考文献 ].......................................................................................................... 28 附录 ...................................................................................................................... 29 1.电路图 ............................................................................................................... 29 2.单片机部分汇编程序 ....................................................................................... 29 3.语音程序 ........................................................................................................... 31 1 前言 随着全球 经济的飞跃发展,医疗设备以及各国人民医疗保健的关注度不断提高,发达国家和发展中国家的医疗投入都在持续上涨。我国在这个方面的投入增长幅度连续几年位列全球榜首。但是,虽然我国投入在增加,“看病难“还是当代社会急需要解决的民生问题之一。我国的投入医疗,大部分在于用一些精密度高的仪器,这只能在医院等大型医疗场所中进行测量,不能面向全国每家每户或者在小区内提供使用,并没有对我国一些收入水平低的人群享受到医疗上的服务。同时伴随着人口密度的增加,空巢现象的产生,越来越多的人外出打工,那么呆在家中的老人如果行动不便不能及时 去到医院检测,后果将不堪设想,也会增加打工人群的无形压力和担忧度,影响他们的精神健康。那么现在相对廉价的简单使用的居家式型电子仪器,将会在社会的市场上占有越来越重的地位,随着科技的日新月异也会为更多的人更多的家庭解决日常生活中出现的容易解决的医学问题或者是为他们提供更加健康的生活环境和生活质量。 根据美国心脏协会的报告,每年大约有 240 万美国人死于心血管疾病,大约 6200 万美国人沾染心血管相关疾病,因心脏病而死亡的人数多过因其它疾病而死亡的人数总和,其中尤以高血压患者所占比率最高,现象最为普遍 [1]。期我国 卫生部所发出的中国成人血脂异常防治指南中特别强调每年大约有 300 万人的死亡原因就是心血管疾病,即一种有关血液循环系统的疾病,主要是指心脏,动脉血管等搬运和输送血液的组织器官,追究其根本原因主要是动脉硬化引起的,此外它还有突发性和缓慢性两种。涉及到心脏、动脉等名词,那就和我们日常所说的心跳数即心率(脉搏)密不可分了。我国的中医切脉,诊脉就是根据脉搏在人体中的运行规律,心脏舒张程度等来识别人体那个生理部位的异常变化。特别是心血管疾病发生后,人特别是老年人很容易引起其他各种类型的更随性并发症例如中风,瘫痪等等 ,鉴于它的危害性大,后果严重,我们只能致力于研究如何提高心血管疾病的预防的作用,借助于一些设备仪器的方法去降低它的发生的频率。所以像学习老中医们的断脉功夫来探究脉搏以及脉搏波的在人体中的传递特征在对我国的大部分亚健康人群中预防这种心血管疾病中有着相当重要和深远的意义。从上诉言论我们可以得出在我国平常百姓中需要及时预防心血管疾病所需要的仪器要具备以下两点要求一、低成本,使用方法简单易懂。二、能够较准确的测量得到人体的心率脉搏数。基于上述背景,本毕业设计的任务就是设计一个较为简单的心率(脉搏)测量器。2 第一 章 设计方案 1.1 设计任务 了解脉搏信号特征,利用传感器对脉搏信号进行采集,调整它的精确度,熟悉单片机结构、原理及扩展方法。设计一种具有推广潜力的便携式脉搏检测仪,以脉搏信号或等价脉搏信号为检测对象,完成系统的功能仿真。 1.2 医疗诊断背景 1.2.1 心脏 人体的心脏有自动的规律性兴奋的一种与众不同的心肌纤维。由窦房结、房室结、房室束以及浦倾野纤维四大构成,它是人体血液循环系统重要的推动源,也为人体各个组织器官吸收必要的营养物质提供保障。心脏内由于心室,心房的有规律的收缩和舒张,房室瓣(三尖瓣 )和动脉瓣交替互异开闭,使得血液从两个心房到左、右心室,再经过心室流向大动脉和肺动脉。 这便形成了心脏内血液的定向循环,即上、下腔静脉和冠状静脉窦→右心房→右房室口(三尖瓣开放)→右心室→肺动脉口(肺动肺瓣开放)→肺动脉→肺(经肺泡壁周围的毛细血管进行气体交换)→肺静脉→左心房→左房室口(二尖瓣开放)→左心室→主动脉口(主动瓣开放)→主动脉(通过各级动脉分布至全身) [2]。 图 1.1 心脏截面图 1.2.2 中医 “今天下言脉者,由扁鹊也”这是司马迁在史记记载的话,也就是说在西汉时期的扁鹊在中医的脉 学诊断上有很大的造诣。古人董四园也说过“脉搏,是血液的通道。血充入脉搏中,跟着人体的运行而流动,一直到达四肢和身体的各个部分,没有身体的任何一处是到不了的,这就是为什么能知道气血的流向和不足,凭借这一点我们可以知道身体气血是充沛的还是不足的,疾病还没有表现出来,脉络就已经很明显了 所以只要是身虚受寒等症,都可以通过脉搏来判断。”通俗的说所谓脉象,是由心脏的规律性跳动,气血是否不足,脉络是否通顺和身体各种器官组织调和而成的。它反映身体某个部位或者是那个系统存在一些3 不寻常的地方,再深究其原因所在。而我国现今出 现的各种著名的医疗书籍中也对中医学的诊脉做了大量描述。发展至今,大家对中医的评价也褒贬不一,但不可否认脉象的诊断与西医的听诊有着异曲同工之妙。 1.2.3 心率与脉搏 心率就是心跳的速率,单位时间内的脉搏数。一般常见的测量心率多使用在保健锻炼的有氧运动中,以便能跟好的达到运动的最佳锻炼效果和适时的调整练习的强度。曾经学习到在运动后测量脉搏是沿用中医的诊脉发,左手搭触在右手手腕处的大拇指下方粗略的知道脉搏数。但是这个脉搏数不精确,根据它在临床治疗上的医学意义,测量到准确的脉搏数可以预防心血管疾病的发生,因为心 脏跳动的不正常,不整齐往往是引发心血管疾病的危险因素。正常人在安静的环境中产生的心率与脉搏数是基本一样的。若有早搏等心律不齐的病症患者,是不可以用脉搏的数量替代心率,这类人需要使用听诊器来对心率进行测量,或者去专业的医疗机构找专业人士进行检测。健康的成人心率为 60100/分钟,老年人慢一些,女性多数会比男性快。婴儿则更加高,可能到达 130/分钟。安静状态下的心率不正常跳动范围在60160 之间,少于 60 或者高于 160/分钟,都可能会有房室传导阻塞,窦性心动过缓或者阵发性心动过速等现象。在本次设计中如果有超 出制定的脉搏设定范围,会出现示警信号。 1.3 系统的框图表示 其中的总电路模块还可以细分成下面几个部分 本设计由五个模块组成一、脉搏信号的采集;二、对采集得到的信号进行数量级的运算放大电路,电路的整形,信号频率的放大;三、单片机对信号的分析;四、 LED 数码管的显示;五、语音报警。首先是红外线传感器对人体脉搏信号的采集形成一个周期性改变的信号,再经过运算放大,输出到可以供给单片机识别的电压值,再经过整形电路完成对脉搏波的转化,为了提高实验的精确程度接着加入倍频电路。再传到 AT89C51 单片机中进行数据分析处理,把测得的脉搏值在发光二级数码管 LED 上显示,并且判断是否超过脉搏的正常范围,若超过正常范围则激发语音报警电路工作。总电路模块(包括滤波,积分,放大,倍频等) 集成运算放大电路 密特触发器(整形) 频电路(提高精度) 等于 AT89C51 单片机对脉冲信号的处理 红外线传感器接收脉搏信号 LED显示 报警系统 总电路模块(包括滤 波,放大,倍频等) 4 第二章 人体脉搏信号的采集方法 2.1 典型的脉搏波 根据中医学中所提到的脉搏,我们不难发现它建立在两个基础之上,一、心脏自动规律的舒张。二、动脉传输管道的扩张性和伸缩性。心脏由规律的周期性舒张和收缩,在动脉血管内以脉搏波的形式传输血血液到身体的各个部位,主要是动脉血管内血液量导致的内部血压不同。图 2.1 是身体的两处地方的动脉脉搏波。 图 2.1 颈动脉 与手腕动脉的波形 一般人们对脉搏信号的采集会通过在时域或者是频域上的分析,对患者的测出的脉搏波与人体在正常状态下的脉搏波进行比较分析。如图 2.2,是通过采用手腕带式桡动脉测试仪分别对健康人与动脉硬化患者进行检测,并经统计分类把脉搏波依据其动脉硬化程度分为四类 [3]。图 2.2 显示了其中的两种正常型和轻度动脉硬化的脉搏波。但由于要得出的正确的时域以及频域的分析结果,为了使显示的结果相对准确,则需要长期的实践诊断的累积,不符合本次设计的任务要求。 图 2.2 正常与非正常脉搏波的对比图 2.2 红外线传感器的选择 太阳的光线中存在红外线,它是一种不能用人眼看不见,在日常生活中触摸到的光线。这种光线照射入人体时,会对穿过身体的部位进行散射,折射,吸收。我们日常说的红外线传感器就是运用红外线的反射,吸收,转化红外线的辐射能再接收这些信号,分析达到我们5 想要检测物体或者是检查问题的一个效果。红外线传感器根据所需要的接收红外线信号的装置不同分为热传感器和光子传感器。根据它们两类传感器的入射光线波长与响应电压的不同,见图 2.3(线段 1 为热传感器,曲线 2 为光子传感器),从图中的电压响应曲线中我们可以发现前者与入射光线的波长没有联 系,后者更加符合这次课题的研究。 图 2.3 红外线传感器的电压响应曲线 所以基于光电效应选用的有高响应速率和频率,高灵敏度的光子传感器,本次设计会运用到一个发光的红色二极管产生红外线光速,一个接受装置由一个光敏电阻和部分电路组成。 2.2.1 脉搏波测量法 运用上面的红外线传感器如何正确得到脉搏波的信号。研究表明,微动脉和微静脉之间的微循环状况不良,导致微循环水平上的血管和血流的形态与功能发生紊乱,进而致使机体组织的系列缺血、缺氧性细胞病变,最后容易引起诸如高血压、冠心病、心肌梗塞及脑动脉硬化等心脑血管方 面的疾病,而容积脉搏波是观察和评价外周微循环状态的有效方法 [4,5]。简单地说心脏跳动,血液通过循环系统到达体循环不断向身体各组织输送,这个时候人体外表血管内的容纳的血液再跟随着心脏的舒张和收缩的变化而变化,在心脏向外射血时刻达到最大值。图 2.4 就是容积脉搏波被光子传感器接收到的波形,从图中我们可以可出动脉血是呈现周期性变化的。 图 2.4 状态图光线入射到身体组织中 外周血管又以颈部动脉,手腕的桡动脉、手指等处的变化最明显。通过以上原理我们可以通过使用红外线传感器对这几个身体部位进行容积脉搏波来采集得到我 们需要的脉搏信
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