基于51单片机脉搏仪的设计与分析测试

李 静,杨春花

(山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009)

基于51单片机脉搏仪的设计与分析测试

李 静,杨春花

(山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009)

脉搏仪的应用在医疗和居家生活中日渐广泛，作为衡量健康指数的基本指标，脉搏测量的准确性是脉搏仪的重要特征。本设计以STC89C52单片机作为主控芯片，通过键盘设置上下限,将测量到的脉搏信号通过红外传感器及附加放大整形电路转换为电信号，反馈给主控芯片，通过LCD1602显示屏显示脉搏次数。测量分析显示，该设计在一定程度上实现了脉搏的测量，且准确迅速、数据便于记录，同时也实现了脉搏值超过上（下）限时的报警提示。

脉搏仪;STC89C52;红外传感;LCD1602

脉搏作为衡量人体健康的基本指数之一，在医疗和生活方面受到广泛关注，随着科学技术的逐步提高，脉搏仪应运而生，相较传统的诊脉手法“心中易了，指下难明”的缺陷，脉搏仪具有快速、简单、精确度高的优点。经调查和多方查证，目前市面上普遍使用的有指夹式脉搏仪和血压仪，前者基于动脉搏动期间光吸收量的变化，通过微处理器计算出脉搏值，而后者则通过血液循环产生的压力粗略测量脉搏值，这两种脉搏仪都存在一定程度上的测量误差、信号采集延误等问题，并重复使用率低。

针对上述脉搏仪的缺点，本设计选用51系列单片机中的STC89C52为主控芯片，使用红外光电传感器采集脉搏信号，转换成的电信号经过放大整形传递给单片机，单片机将信号进行累加得出脉搏值，可有效地降低仪器本身的误差影响，且信号采集迅速，同时设计添加的时间设置部分，方便使用者在观察数据的同时直观的记录测量时间。设计初期考虑到该脉搏仪的使用，附加了上下限设置模块以及蜂鸣器报警模块，在设计初始设置所需上下界限，当测量的脉搏值超过设置限度时，主控芯片会驱动蜂鸣器报警，方便了使用者对自身健康的督查。

1 设计简介

1.1 系统原理结构

设计的系统总体由C52、键盘、显示屏、光电传感、时钟模块、运放部分来构成，整体结构框图如图1所示，本设计共有四个按键，可在测量前设置实际时间和上下限数据，当测量值超出所设置的限度时，系统会启动蜂鸣器报警，在测量的时候，将手指平稳轻放在光电传感器上，传感器会把脉搏跳动的信号接收并转换成系统所需的电信号，然后经过放大、整形之后传回单片机将信号进行计数，最终把数据显示在显示屏上。

图1 系统结构框图

1.2 软硬件设计

根据设计的整体框架结构，由单片机驱动其余五个模块，开机后通过按键设置系统的上下限数值，之后开始测试，但设计的指脉信号采集是选用红外光电传感器来实现的，经查证人体指脉的信号尤为微弱，大约在 级别，单片机无法识别传感器直接传输的信号，需在单片机和传感器之间设计一个小型滤波模块，该模块采用LM358对采集到的脉搏信号进行相应倍数的放大及整形，转换为单片机在可接收范围内的电信号。之后，单片机会将接收的信号进行计算，得出的结果通过显示屏显示。而本设计具有的报警模块，在脉搏数超过上下限范围时会报警提示，但由于蜂鸣器本身的电流限制，无法被单片机直接驱动，只有加入PNP型的三极管才能实现低电平驱动蜂鸣器报警。

对设计所要实现的模块及其功能选择Protel简单绘制原理图，如图2所示。

图2 Protel原理图

规划系统流程，步骤如下：

(1)单片机上电开机，初始化各个参数。

(2)按键设置时间、上下限的数值。

(3)测试者将手指轻放到传感器上进行信号采集。

(4)观测显示屏的测量值并记录。

依照设计原理图，根据测试步骤对设计进行电路的排版设计，并焊接，在焊接时需对各个模块与单片机相连的引脚一一对应。实际电路设计排布如图3所示。

图3 实际电路设计

2 系统调试分析

该设计的系统是多功能的数字型程序，程序较为繁琐，各个模块的子程序诸多，且电路设计的工程庞大，模块之间的交线较多，为了设计的整体流程，合理布局各个模块，软硬件的调试必不可少。

2.1 软件调试

初步规划设计的整体流程后，结合设计内容及要求编写相应的c语言程序，之后将编写好的c语言程序烧入STC软件中，设置对应端口并连接设计单片机，并观察结果是否正确。结果如图4所示。结果正确后参照系统原理图，在Proteus上录入程序，比照设计要求，进行仿真并操作，观察各项功能是否可以正常工作。仿真图如图5所示。

图4 烧入结果图

图5 软件仿真结果图

调试成功后进行硬件调试。

2.2 硬件调试

调试键盘设置上下限，当所测得的脉搏值超过上下限值时，系统会驱动蜂鸣器报警。由于设置要求，只有加入放大电路后，蜂鸣器才能被驱动。由于捕捉到的人体脉搏信号会很微弱（数值约为IV级别）使得单片机无法接收，在调整相应的放大倍数后，对传感器的输出端进行波形检测，可在示波器上观测到不规则正弦波，且输出的脉冲依旧微弱，在电路正常的前提下，再次提高放大倍数，调整放大器的电阻阻值。示波器测试结果如图6所示。

图6 示波器测试结果

2.3 调试结果分析处理

在设计调试过程中，完善软件数据，降低了部分误差，对附加模块进行修改整理，将误差最大化处理，观测可知该设计可以正常实现各项功能，且测量精确，数据稳定，使用率大大提高。

3 测量结果及分析

3.1 实验结果

设计前期已与市面上同类产品进行比较分析，避开共性误差，并针对部分缺陷进行设计，旨在低成本高精度可长久使用。现选取10位测试者同时使用本设计和市面上的指夹式脉搏仪进行脉搏测量，记录数据，并与使用听诊器测量值进行比较。实验测试结果如表1所示。

表1 三种脉搏仪测量结果对比

本设计具有报警功能，在正常情况下蜂鸣器不会报警，只有在测量值超过开机所设置的上下限制时，才会驱动蜂鸣器报警，故而选取两名在剧烈运动后的测试者进行测试。结果如表2。（当初始设置上限为120，下限为50。）

表2 蜂鸣报警情况测试

据表2的测试结果可知，2号同学测试时脉搏数已经超过所设置的限度，而实验测试时蜂鸣器已报警。

3.2 实验结果分析

根据表1、表2实验结果分析可知，本设计在实际使用的时候数据相较实际值有一定的偏差，但相较同类产品，精确度已得到一定的提升。而且在时间的观察确认以及上下限报警提示方面，具有可观的优势。对于设计中不可避免的误差，对测量数据进行了必要线性补偿。使用均方差公式对结果进行校准：

经校准后，测量值基本接近实际值，满足设计要求。

4 结论

通过对调试和测量结果的分析可以看出，基于51单片机的脉搏测量仪在芯片选型上，极大的降低了对结果的误差影响，在产品的使用率方面也有明显的优化。对于使用过程中的数据偏差，则可由线性补偿得到改善，极大的提高了测量的精确度，且在信号采集方面准确迅速。同时，设计具有的上下限设置和报警提示这一特点，优于同类产品，可在医疗和日常生活中广泛使用。

[1]郑争兵.脉搏信号检测仪的设计与实现[J].自动化仪表，2012,33(11):77-79.

[2]李洋.指尖脉搏信号检测系统研究[D].长春:长春理工大学，2009.

[3]张家田,董秀莲.单片机控制系统的设计与调试方法[J].现代电子技术，2002,25(9):4-7.

[4]林毅.基于AT89C51单片机构成的键盘显示电路[J].现代电子技术，2006,29(13):93-94.

The Design and Analysis of Pulse Instrument Based on 51 Single Chip Microcomputer

LI Jing,YANG Chun-hua
（School of Physics and Electronic Science,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009）

The application of pulse instrument in medical and home life is increasingly wide,as a measure of the basic indicators of health index,the accuracy of the pulse measurement is an important feature of the pulse instrument.This design uses STC89C52 single chip microcomputer as the main control chip,the upper and lower limits of the keyboard.is.set.The measured pulse signal is converted to electric signal through infrared sensor and additional amplification shaping circuit,and feedback to the main control chip,and the pulse frequency is displayed by.the LCD1602 display screen.Measurement analysis shows that the design to a certain extent,to achieve the pulse of the measurement,and accurate and rapid,easy to record data.Also achieved a pulse value over the upper(lower) limit,the buzzer will alarm.

pulse instrument;STC89C52;infrared sensor;LCD1602

TN912.3

A

〔责任编辑 高彩云〕

1674-0874(2017)04-0021-03

2016-11-30

山西大同大学青年科研基金项目[2013Q8]

李静(1986-)，女，山西大同人，硕士，助教，研究方向：语音编码，信号处理。