基于LabVIEW的脉搏检测系统设计和实现计算机专业.doc

基于LabVIEW的脉搏检测系统设计 摘要 本课题以STC15单片机作为控制系统核心的心率测量仪的设计，以红外光电传感器作为检测人体心率脉搏的元件，采集到的心率脉搏信号再传送到单片机电路进行处理，得出的数据在LCD12864显示出来。当系统运行时，LCD12864显示是当前人体的脉搏心率跳动次数、脉搏波形，测量结束后显示的是最后一次测量脉搏心率跳动次数和脉搏波形。再通过单片机采集脉搏信号，利用功能强大的虚拟仪器LabVIEW设计出脉搏的采集与分析系统。在单片机上实现了采集脉搏传感器的模拟信号，然后通过串口将数据传输到上位机进行处理与分析，实现远程监控的功能。实验结果表明，系统工作正常，测量灵敏度高，实现了设计功能。 关键词：脉搏检测系统，STC15W408AS，红外光电传感器，串口，LabVIEW Design of pulse rate detection system Based on LabVIEW Abstract This topic for this STC15 single-chip microcomputer as a control system for the core of the heart rate meter design, with infrared receiving sensor as the detecting element of human pulse of heart rate, heart rate were collected pulse signal transmit to MCU circuit for processing, the data in LCD12864 display. When the system is running, the LCD12864 display is the current pulse rate of the pulse rate of the human body and the pulse waveform. After the measurement, the pulse rate of the pulse rate and pulse pulse are measured. By single-chip microcomputer to collect the pulse signal, the use of powerful LabVIEW virtual instrument design pulse acquisition and analysis system, on the single chip microcomputer to realize the collection of the analog signal of the pulse sensor and then through a serial port to transmit data to PC for processing and analysis, realizes the remote monitoring function. The experimental results show that the system works normally, the measurement sensitivity is high, and the design function is realized. Keywords:Pulse detection system, STC15W408AS,infrared emission receiving sensor, serial port, LabVIEW 目录 1 引言 1 1.1 脉搏的研究背景与意义 1 1.2 选题意义 1 2 系统设计方案 1 2.1 实现的要求和功能 1 2.2 采集主控芯片方案 2 2.3 脉搏传感器的选择 2 2.4 上位机实现方案 4 3 硬件电路设计 5 3.1 系统总框架 5 3.2 单片机模块 6 3.2.1主芯片STC15W408AS介绍 6 3.2.2 单片机最小系统模块 7 3.2.3电源电路 7 3.2.4复位电路 7 3.3 脉搏信号的采集 8 3.4 脉搏信号的处理 9 3.4.1低通滤波放大电路 9 3.4.2 电压比较器 9 3.4.3 运算放大器LM358 10 3.5 液晶显示模块 11 3.6 USB串口通信模块 12 4 系统软件设计 12 4.1测量计算原理 12 4.2 主程序流程介绍 13 4.3 显示程序流程 13 4.4 ADC 采用程序流程介绍 14 4.5 LabVIEW上位机程序设计 16 4.5.1 LaBVTEW串口通信配置 16 4.5.2 LabVIEW 脉值及波形显示 17 6 系统测试与结果分析 18 6.1下位机测试 18 8 误差分析与修正 20 总结 21 致谢 22 参考文献 23 附录 24 附录A硬件原理图 24 附录B PCB图 25 附录C 硬件外观图 26 附录D LabVIEW程序及前面板： 27 附录F 部分程序 28 1 引言 1.1 脉搏的研究背景与意义 每分钟脉搏跳动次数这一物理量在生产加工，人们日常生活的各个方面都是一个最基本也是非常重要的一个物理量，在很多应用条件下，需要对脉搏跳动这个量进行检测和监控。近几年来，伴随现代科学技术的不断进步，对现代设备的精度的要求也越来越高，信息技术领域的前沿尖端技术包括传感器技术，通讯技术以及计算机技术，技术应用的非常的普遍，已经应用到了社会生活的各个范围。 1.2 选题意义 由心脏搏动而引起的脉搏,这个信息可以反映身体的健康情况。针对脉搏的跳动,我们都知道在中医上有一种非常重要的诊断方式，那就是诊脉。中医的医生一直是用手来号脉,进而得到脉搏的信息。通过手号脉是一种很难掌握的技巧,因此人们十分的迫切有一种仪器可以快速准确的得到脉搏跳动的次数这个信息。 作为工业管制系统中必不可少的组成部分，实时数据采集，是进行工业分析，进行工业处理以及控制的根据。大规模集成电路、单片机、计算机等近些年来，在工业控制领域有着广泛的应用，实时的数据采集是必然的趋势，采集既是对模拟量通过模数转换器，数字化的过程。这就对模数转换器的性能提出了更高的要求，以及通过使用单片机进行数据，处理和数据传输，和对计算机接口技术，通信技术等技术提出了跟高的要求。 2 系统设计方案 2.1 实现的要求和功能 (1)通过光电传感器采集指尖脉搏信号，通过A/D转换、MCU处理及设计的算法得到脉率； (2)通过上位机(LabVIEW)及液晶屏实时显示波形及脉率值，实现人体脉率的现场及远程实时监测； (3)采集到的波形完好干净，噪声小； (4)测量结果误差范围在6%以内； (5)上位机界面友好，人性化，便于专业人士分析观察； (6)价格合理，性价比较高； 2.2 采集主控芯片方案 方案一：利用STC15W408AS单片机完成对各个模块进行控制。 方案二：利用单片机STC89C51作为控制部分。 方案论证：方案一中STC15W408AS单片机是STC生产的单时钟/机器周期（1T)的单片机，是高速/高可靠、低功耗、超强抗干扰，8路高速10位A/D转换。方案二中STC89C51单片机虽然简单易懂，但功耗较大，数据传输速率低，要实现较复杂的控制功能还存在一定的难度。综上所述，本设计采用方案一，用STC15W408AS作为芯片控制部分。 系统所采用的STC15W408AS是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。 STC15W408AS还带有丰富多样和功能灵活齐全的片内外设，为用户提供了丰富的选择空间，同时，也为设计人员们的设计、创新及创造提供了更大的空间。 2.3 脉搏传感器的选择 测量脉搏跳动，传统的测量方法主要是两种：一是利用压力传感器测量血液中压力的变化进而计算脉搏的跳动，二是光电容积法。目前，由于第二种方式测量的准确性和便利性，是应用最为普遍的监测测量方案之一。 光电容积法的基本理论是，由于血管正常的搏动时，会导致人体组织不同的透光率，就是利用这种不同，来达到测量的目的。光源与光电变化器这两个部分组成了这种传感器，一般贴着人的手指或者耳垂。光源利用的是波长为500nm～700nm范围的发光二极管，该波长范围的光，对动脉中氧和血红蛋白具有选择吸收的特性。当一束光照射人体表皮血管时，由于动脉的搏动会改变血液容积的变化，这种变化会导致这束光的透光率发生改变。人体组织反射出来的光线经由光电变换器接收，转变为电信号，再将这个电信号输出。由于心脏是周期性搏动的，动脉中的血管容积也会跟着周期性变化。因此有光电变化得到的电信号也会跟着周期性变化。它们的变化基本上都可以看成是同步的。这样通过电信号周期性的变化，我们就可以得到脉搏跳动的信息，进而的到心率这一指标。 目前市场上常用的光电容积脉搏探测器主要分为两大类：透射式光电容积探测器与反射式光电容积探测器。它们的结构如图2.1所示： 图 2.1 反射式与透射式比较 Figure 2.1 Comparison of reflection and transmission （1）反射式是靠血液与组织反射的光强来间接测量脉搏信号，探测的范围更广，不会受制于探测未知的厚度，但是它提取的信号要比透射式更加微弱，对调理电路要求更高。 （2）透射式是手指放在发射管和接收管之间，手指中血流量的变化会使光电接收管的光电流也随之变化，这种方法不能准确测出血液容积量的变化。但是很好能反映出心率的时间关系。它是针对身体一些比较薄弱的部位设计的，比如说手指或者是耳朵，探测器一侧发出的近红外光能够穿透血液和组织被另一侧的光电探测器所接收，这样就能再现脉搏信号。由上述克制，透射式红外光电传感器能很好地与本设计契合，故将其运用到本设计当中。 当手指侧方在红外对管中间的时候，心脏的跳动，引起血管中的血流量的变化，红外发光二极管产生的红外线照射在放在光传递路径中的手指上，经过手指非血液组织的衰减和反射，由对面的红外接收二极管来接受期透射光，并把透射过来的不同光照强度转换成脉冲，继而进行放大、滤波后传送到单片机的外部计数口，最后单片机对该输入的信号脉冲进行计算处理，即可实时的测出脉搏次数。 脉搏信号的检测提取、滤波放大，然后传到单片机工作的过程如下图2.2所示 图2.2 信号检测处理工作流程图 FIG 2.2 Flow chart of signal detection and processing 2.4 上位机实现方案 上位机和单片机实现是通过串口来实现的。单片机自带串口，实现起来非常方便。在本设计中，通信协议采用自定义的。 上位机的实现方案有很多种，目前主流的面向对象编程软件有Visual Basic .NET、C#、Java、LabVIEW等。本设计中的上位机实现采取了LabVIEW。 LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。 LabVIEW软件是NI设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。 LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所