2023年基于LabVIEW的脉搏检测系统设计.docx

目录 1 引言 1 1.1 脉搏的研究背景 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 4 3.1 系统总框架 4 3.2 单片机模块 5 5 3.2.2 单片机最小系统模块 6 6 7 3.3 脉搏信号的采集 7 3.4 脉搏信号的处理 8 8 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 11 4 系统软件设计 12 12 4.2主程序流程介绍 12 13 4.4 ADC 采用程序流程介绍 14 4.5 LabVIEW上位机程序设计 15 4. LaBVTEW串口通信配置 16 4.5.2 LabVIEW 脉搏波形显示以及脉率计算 17 5 系统测试与结果分析 19 19 6 误差分析与修正 22 总结 23 致谢 24 参考文献 25 附录 26 附录A硬件原理图 26 附录B PCB图 27 附录C 硬件外观图 28 附录D LabVIEW程序及前面板： 29 附录F 局部程序 30 1 引言 1.1 脉搏的研究背景 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根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。我们可以通过脉搏跳动的情况了解到心脏的情况，以得知身体的健康状况。然而诊断看病是个不容易的工作，诊脉的方法不容易被人掌握。 1.2 选题意义 由心脏搏动而引起的脉搏,我们可以根据这个线索去找反映身体的重要标志。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局部，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。将单片机采集到的脉搏每分钟跳动次数数据通过窗口传输给上位机，到达了进行了实时远程监控，以保证平常医疗平安检测。 2 系统设计方案 2.1 实现的要求和功能 (1)运用光电传感器原理采集到人体的指尖输出的脉搏信号，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作为控制局部。 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作为芯片控制局部。 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。MAX810有很多内部集成专用复位电路，2路的PWM，8路非常高速10位A/D转换，针对电动、智能控制，滤波掉很多干扰场合。 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。 光电容积法的根本理论是，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，来到达测量的目的。光源与光电变化器这两个局部组成了这种传感器，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。它们的变化根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。 。 图 2.1 反射式与透射式比较 Fig 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）透射式是针对身体一些比较薄弱的部位设计的，比方说手指或者是耳朵，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以下图所示。 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属于虚拟仪器，它是NI公司开发的的一款不同于以往的图形化编程软件，通过它可以实现数据的采集以及仪器的控制、数据分析和数据表达。它能方便用户在普通计算机上构建自己需要的仪器系统，通过它与外部的数据采集的硬件加以组合就能很方便的设计出所需要的虚拟仪器。与传统的仪器相比，它使用起来灵活多变，不受生产厂家的限制，所以其应用领域非常广，有很大的应用前景。 LabVIEW有许多传统程序设计方法不能比的优势，作为开发者并不像以往即要考虑用户界面、数据表达、数据同步等复杂的问题还要考虑程序流程方面的问题。在LabVIEW中有许多根本的VI库。使用者只要把各个逻辑框连接起来即可构成程序。LabVIEW图形编程简单明了，相应的设备驱动也很多，同时还配置有很多的分析模块和表达模块，对于相比照拟简单的编程任务,采用单一的VI即可以胜任,对于比较复杂的测试任务,我们可以按照模块化的设计理念,把一项项复杂的测试任务变成一系列的子任务。 3 硬件电路设计 3.1 系统总框架 设计以STC15W408AS单片机为处理控制核心，通过51单片机的ADC功能，本设计主要包括STC15最小系统、LCD12864显示模块、信号采集电路、放大电路、比较电路、液晶显示电路。与单片机进行数据传输，从而实现了将脉搏传感器采集上来的数据传输到LabVIEW上位机上，显示被测者心率值和波形。系统的总框架如以下图。 图3.1 系统总框架 Fig Overall framework of the system 3.2 单片机模块 （1）STC15W408AS单片机引脚分布如图3.2所示。 图3.2 STC15W408AS引脚图 Fig 3.2 STC15W408AS pin drawing （2）下面将对STC15W408AS芯片局部引脚的功能及特性进行说明： 1）RST：表示异步复位引脚。当RST为低电平状态时，MCU为复位状态，重设内部存放器，及片内SRAM；当RST从低电平变为高电平的时候，PC指针从0地址开始。STM15中的RST具有施密特功能，在输入电压不达1.9V时芯片会自动复位。 2）SCK、SDA、RS、CS:连接对应的液晶显示屏的接口，SCK是I2C的时钟控制线，SDA是I2C的数据传输线,RS为RD是读数据的控制信号。 3）P1.0/ADC0：ADC的输入通道经过调理电路放大后的脉搏信号，其峰峰值已能到达0.5V左右，而STC15W408AS系列单片机片内集成有有12位转换精度的ADC模块，最小分辨率为能满足其对精度的需要，其采样频率最高可达200ksps,而信号的频率只有0~10Hz，所以采样频率也能完全符合要求。并且采用片内集成的ADC12还可以节约开发的本钱，增强系统的稳定性、 4）P3.3/INT1:外部中断1，既可以上升沿中断也可以下降沿中断，如果INT1管脚仅为下降沿中断。如果INT1被清0，INT1管脚既支持上升沿支持下降沿中断。作为输出信号接口。 5）TXD和RXD：分别为串口发送和接受引脚。 单片机最小系统指的是单片机的最小应用系统，是用最少的元器件组成的单片机可以正常工作的系统，由单片机、电源电路、复位电路组成。 本设计需要5V电源供电，调理电路中的LM324、LCD显示、单片机供电以及红外发射传感器都需要5V供电。 需要5V供电，并且由于脉搏信号的微弱，很容易受到电源纹波的干扰，所以为了保证能采集到比较干净的脉搏信号，电源的设计也非常的重要。在这里选择了一款低功耗的电压转换器,它是一种低功耗、正电压转换器，其输出电流可达800mA。该芯片非常适用于电池供电场合。在稳压芯片的两端都参加了一个100NF的极性电容用来滤掉电源中的低频信号，也都参加了一个10uF的非极性电容用来滤掉电路中可能出现的高频信号。这样的设计能一定程度上减少电源纹波的干扰，为提取可靠的脉搏信号提供了保证。如图3.3所示。 图3.3 电源电路 Fig 3.3 Power circuit 复位电路 单片机复位是指将整个系统初始化，以便系统回到原始状态重新运行。复位的条件为，在RST引脚输入连续两个周期以上的高电平，然后单片机就开始执行复位操作。本设计中采用的是按键复位，复位电路所接的引脚为单片机的RST引脚。本设计复位电路原理图如以下图。 图3.4 复位电路 Fig 3.4 Reset circuit 3.3 脉搏信号的采集 信号采集电路如以下图3.5所示。D1,D2分别为红外发射二极管和红外接收二极管，D1和D2组成红外传感器。VCC为电源输入。当手指插入手指插入红外对管之间，心脏收缩时，即脉搏跳的瞬间，指尖血液流过时，红外光透过率降低，R3流过的电流小；留神脏舒张时，血液回流，即脉搏不跳的瞬间，指尖血液含量少，透过率相对高，R3流过的电流变大。综上，电流的大小随着手指脉搏跳动变化而变化，从而脉搏输出信号会