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1、中北大学2012届毕业设计说明书毕业设计说明书基于单片机的脉搏数据采集储存 系统学生姓名： 李宇 学号：0805074140学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 通信工程 指导教师： 郝利华 2012年 6月基于单片机的脉搏数据采集储存系统摘要脉搏是临床检查和生理研究中常见的生理现象。脉搏波的波幅和形态包含了反映心脏和血管状况的重要生理信息，是诊断疾病的重要依据。脉搏波采集仪就是利用仿生学原理结合人工智能对脉搏诊断过程进行模拟的仪器。针对现有的脉搏信号采集系统不能准确施加诊脉压力的不足，提出了一种具有脉压检测功能的脉搏信号采集系统设计方案，整个方案以单片机STC89C52为核心，结合基于PV
2、DF材料制作的脉搏传感器，放大、带通滤波电路、AD转换和串行通信模块，经过实验，实现了自动加压，并在浮、中、沉三种不同取脉压力下，对人体桡动脉寸、关、尺三处的脉搏波信号完成了采集。关键词：脉搏波，取脉压力，单片机，AD转换Storage system based on the pulse of themicrocontroller data acquisitionAbstract：Pulse is a common physiological phenomenon in clinical examinations and physiological studyThe wave amplitud
3、e and form of pulse contains the important physiological information which reflects the status of heart and blood vesselsand also provides a significant basis for disease diagnosisThe pulse wave acquisition instrument applies principle of bionicsand artificial intelligence to simulate the process of
4、 pulse diagnosisAiming at the failure that the existing pulse signal acquisition system can not bring the diagnosis pressure accurately on pulse，a design proposal of a pulse signal acquisition system is put forward The microcontroller STC89C52 is taken as the core of the systemThe automatic pressure
5、 was realized in combination with amplification circuit，bandpass filtering circuit，AD conversion and serial communication moduleThe pulse signat collection of the 3 partsGun，Guan and Chi of radial artery was achieved at three different pulsetaking pressures：light，medium and heavyKeywords：pulse wave；
6、pulsetaking pressure,microcontroller,AD conversion 目 录1 引言11.1本课题设计的目的和意义11.2 国内发展现状11.3 国外诊脉测仪科技动向31.4 设计任务41.4.1光电脉搏传感器41.4.2信号采集系统51.4.3放大电路51.4.4滤波电路51.4.5数据采集电路62 脉搏信息采集系统的硬件电路设计72.1 AT89C52单片机92.1.1 AT89C52主要功能92.1.2 AT89C52主要性能92.1.3 AT89C52引脚功能102.2 传感器的选择142.3 转换电路172.4 放大电路的设计203 脉搏信息采集系统的
7、软件设计233.1 主程序233.2 初始化部分子程序233.3 数据函数处理子程序243.4 串口发送子程序274 结论29附 录30参 考 文 献32致 谢33第IV页 共IV页1 引言1.1本课题设计的目的和意义脉诊是中医传统诊断中最主要的一个诊断方法，已有近千年的历史，它是种无创伤的检测方法，简便易行。但是，传统的诊断方法属于主观诊断，其结果容易受到生理、心理等变化的影响，使临床处理的有效性降低1。如果采用电子测量技术，就能够精确测量，还可以借助现代化的工具进行更高效、合理的判断和分析。随着集成电路的发展，脉搏测量计必然向微型化、大众化、智能化发展。脉搏测试系统可以从脉搏波中提取人体的
8、生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视2。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号, 脉搏波信号更是低频微弱的非生理信号, 必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求3。我们的目的很明确，可以了解单片机的发展历史以及最新的发展动态，脉搏测试的发展现状，可以从研究中得到设计系统的经验，了解了人体脉搏的一些知识，为发展我国的中医事业做贡献，中医就是靠把脉得知患者的病情，我们
9、可以作出一个仪器，这个仪器就能够把脉而且准确度很高。更加深层次的加深了对单片机控制电路的理解，切实结合实际经验来设计，认真务实，锻炼我们的动手能力。51.2 国内发展现状中医脉诊具有历史悠久，内容丰富的特点，将中医“整体观念，辨证论治的思想得到了很好的体现和应用。早在秦汉时期的黄帝内经的灵枢和素问中曾提到过：从灵枢的记载中可知秦代以前的医师通常用人迎、寸口对比的诊脉方法来对疾病部位进行诊察。而素问中又指出：“五脏相音，可以意识，五色微诊，可以目察，能合色脉，可以万全6。记录了古人脉诊使用了通过对颜面、手腕和足踩3部的血管脉搏搏动进行比较来诊断病症。到了汉代，难经又进一步确立寸口部位的寸关尺脉与
10、其浮、中、沉诊法为定为三部九候的诊脉方法。东汉末年，中医鼻祖张仲景在总结前人的成果后开创了病、脉、诊综合治病的先河7。三国时期，我国第一部脉学专著脉经由王叔和撰写成功。其主要内容是：阐述了近于完善和成熟在脉理、脉名、脉形和脉法以及诊断等多方面的理论，为脉诊成为一门独立的学科创造了基本条件。所以，当前我们普遍认为它是标志着脉学的形成。明代，李时珍以六朝时期的高阳生所撰脉决一书中的理论为基础，并兼顾各家所长再加上自己的研究心得，于1564年撰写完成了濒山东大湖脉学一书，该书中详细定义和描述了浮、沉、迟、数、滑、涩等27种脉象的形态、对应病症及相似脉之间的鉴别15J。而对于脉诊客观化的研究，可以追溯
11、到宋代，宋代的许叔微绘有仲景脉法图，而明代沈际飞则编著有人元脉影归指图说，其中记载有七表、八里、十六怪脉等的脉搏图形。他们都试图利用图形来描绘脉搏从而使脉诊能够更加具体化，但由于其均带有较强的个人主观性强，缺乏必要的客观基础。近年来随着电子技术的快速发展，脉诊客观化的研究也得到了很快的进步8。20世纪50年代末期设计出的利用酒石酸钾钠压电晶片作为传感器件的脉搏仪，其主要原理为：将中医寸、关、尺3处的脉搏信息，通过换能器采集并转换电信号，再加以放大等处理再进行描述并记录，初步确定了中医弦脉、滑脉、平脉等主要的脉象图形；60年代初研制出的三线脉象仪，首先实现完成了对寸、关、尺3部位的切脉压力进行任
12、意调节和客观定量的测定，并进而完成了对压力脉搏波图形的描述与记录9。随后，全国各地陆续研制出采用各种不同材料的换能器(如半导体硅应变片换能器，电感式压力换能器，电阻抗式换能器)为基础设计的脉搏仪，其目的均是为了不断提高换能器件的灵敏度，精确度，并对探头的形状进行改造。在脉诊客观化的研究中，脉搏信息的获取是脉搏采集装置中最为重要的一环，脉搏信息的获取必须要用到脉搏传感器来检测，所以脉搏采集系统的发展与脉搏传感器的发展密切相关，最早的脉搏传感器为机械式传感器，后来逐渐开发了压电式传感器，光电式传感器，液态传感器，PVDF(压电薄膜)传感器等一系列多种传感器。而其信号的转换方式分为固体、气压、液压等
13、方式，其材料可以采用压电晶体、半导体应变片、PVDF压电薄膜和液态可变电阻等多种材料10。其中PVDF(压电薄膜)传感器采用了新型压电薄膜材料，利用其压电效应将压力信号转化为电信号，具有频响宽(O500MHz)，材料薄(几um到几百um)而柔软，有很好的时间和温度稳定性等多个优点。并且PVDF与水及人体软组织的声阻抗匹配良好，比较适合采集脉搏信号。所以PVDF压电薄膜自20世纪90年代末出现以来，在较短的时间内就得到了广泛的应用11。而对于脉搏信号进行分析处理的方法，可以对其分别在时域和频域上对其进行分析与处理，尤其是在频域上对脉搏信号进行分析处理。研究表明，从频域上对脉搏信号分析处理所得到的
14、结果是十分正确的。特别是近几年傅里叶分析和小波变换分析方法在脉搏波信号分析中得到了广泛的应用，我们对脉搏波形图进行小波变换时，可以把不同频率的信号显现在小波分解后的各个尺度上，再在特征尺度上对各个特征点进行准确定位，从而获得较全面的脉搏信息，其次，采用小波变换的分析处理方法，我们在进行重构的时侯还可对其基线漂移和高频干扰进行一定的去除川12。1.3 国外诊脉测仪科技动向国外研究状况，公元前四世纪，希腊的Herophilus就曾重点注意到了脉搏的节律、速率、强度和形状，他还认为认为脉搏的搏动可以通过音乐的形式来进行表达。随后，Calen成为国外第一个采用检查手腕处脉搏来对疾病进行诊断的方法的医学
15、家。13国外在关于脉诊理论方面也出现过不少相关的著作，总结了许多与脉诊有关的临床经验，其中波兰Struthius于1540年撰写的脉诊的艺术一书，占有比较重要的地位，书中描绘出了脉搏图形，是西方最早的脉搏图解。1700年著名的物理学家牛顿对动脉弹性腔的意义进行了论证，1733年生理学家斯蒂14。文哈尔斯提出动脉管的系统模型。1741年爱尔兰的Niheu发表了“从脉搏观察各种疾病变化的新方法的文章。到了近代，英国人Marye最早研制出采用弹簧为动力的杠杆式脉搏传感器，并使用其对挠动脉脉搏波形图进行了记录。近年来日本、美国等国家的医生、学者在对医学与针灸研究中设计出了一些对脉象进行客观化描述的描记
16、仪器和装置15。其主要功能是描记脉象波形图，在临床上，也可用作观察脉象变化的工具。但这些仪器装置大多数没有形成产品，没有得到市场化，当然在临床上也没有见到广泛应用的报道。这其中较有代表性的仪器如：美国医学博士JohnHLaub研制的一种针灸临床用的新型无创脉搏波记录仪、日本的田口贤辉设计的一种“压力、脉搏测定装置和代用文彦设计的一种“局部加压型可偿还脉装置”以及日本Sony公司曾经推出的一种采用三个驻体微音器作为脉搏波转换元件的脉搏波形仪器16。1.4 设计任务根据脉搏信号的特点，利用单片机设计和实现脉搏信号的实时采集系统，并将采集的信号放大以便于能够清晰的在显示屏上显示，从而得到脉搏跳动的一
17、些信心，如每次跳动的快慢，每分钟跳动的次数等等信息。内容涉及到传感器的选择，放大电路、滤波电路、数据采集电路的设计。1.4.1光电脉搏传感器传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。脉搏传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式决定了脉搏测量精度。因此其选型对整个设计具有决定性的作用。目前，脉搏信号的测量方式主要有：1）光电脉搏波传感器。血管不受压力时，血流均匀，反射光也比较均匀，故传感器无脉搏信号输出；当血管受压血液不流动时，传感
18、器也无输出信号；只有当血管受到挤压，血管中的血液断续流动时，反射光也随之变化，这时传感器输出脉搏信号，达到了测量脉搏的作用。这种传感器的特点是结构简单、可靠性高、抗干扰能力强，主要用于测量脉搏的跳动次数。人体不同部位的脉搏波波形存在差异，光电脉搏波传感器不适合用于提取不同部位的脉搏波信号。2）力传感器测量。其测量原理是，将测力传感器的受力端压在人体桡动脉处，模仿人的指头。这种方式通常采用压阻式传感器，它具有抗干扰能力强的特点，但由于动脉血管产生的力很小，故量程小，抗冲击力不强。3）脉搏信号还表现为皮肤振动，因此可以用加速度传感器进行检测，其特点是结构简单、体积小、波形测量精度较高。光电容积脉搏
19、波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。近年来光电检测技术在临床医学应用中发展很快，这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰，具有很高的绝缘性，且可非侵入地检测病人各种症状信息。用光电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生物医学仪器工作的专家和学者的重视。本系统设计了指套式的透射型光电传感器，实现了光电隔离，减少了对后级模拟电路的干扰。考虑到各种脉搏传感器的特点，本文采用的是光电脉搏传感器。1.4.2信号采集系统由于光电脉搏波属于缓慢变化的微弱生理信号，信噪比低，极易受到环境噪声和肢体运动的干扰。传统的光电脉搏波信号检测电路都采用高增益放大器，以获得较高的检测灵敏度，这种设计思路
20、导致了检测信号动态范围缩小，在受到运动干扰时，将导致由于干扰信号而带来的光电脉搏波信号检测的饱和失真。本系统采用过采样技术，通过对信号的高速采样来提高采样精度，相当于用高分辨率的ADC对信号进行模数转换，达到了提高信噪比并改善动态范围的效果。因此本系统对经过光电转换后的信号进行模数转换而不需要任何信号调理(放大和滤波)电路。1.4.3放大电路脉搏信号的基本特征是：稳定性不高并且具有随机性，还是一种典型的极微弱生理信号。凡是生理信号大都具有强干扰与的噪声强的特点，因此，要想感测到信号就必须对噪声进行抑制，还要求所采用的放大电路必须具有高增益、高输入阻抗和低噪声等特点。脉搏传感器的输出信号大致在0
21、-5mV的毫伏级电压信号，所以需要放大的倍率在1000以上。本系统设计了前置放大电路和主放大电路组成的多级放大电路对其进行放大处理，可以使得放大后的信号满足系统分析的要求。1.4.4滤波电路滤波电路就是对信号波形进行一种类似过滤处理的电路，具体来说是让某些频率范围内的信号通过，而其它频率信号不能通过的电路单元。即对有些频率信号波形具有抑制功能。信号处理系统中滤波电路得到了非常广泛的应用，其种类繁多。具体分类如下：既可以分为低通滤波电路(LPF)，高通滤波电路(HPF)，带通滤波电路(BPF)和带阻滤波电路(BEF)等；也可看其内部是否含有有源器件(通常是运放)分为无源滤波电路和有源滤波电路，除
22、此之外，滤波电路还可分为一阶、二阶和高阶滤波电路，而高阶滤波电路可通过低阶滤波电路进行级联而组成。1.4.5数据采集电路由光电传感器感测的脉搏信号经前电路一系列处理后，还需要进行A/D转换后才可以送到单片机进行逻辑与数据传输控制等处理。2 脉搏信息采集系统的硬件电路设计系统以单片机为核心，由光电脉搏传感器采集脉搏信号，经滤波、放大、积分、比较后得到与脉搏相关的脉冲信号，该脉冲信号作为中断信号交由单片机进行脉冲周期的计算，然后得出每分钟的脉搏搏动次数，并在数码管上显示。图2.1硬件方案总体框图硬件电路的设计首要任务就是核心部分单片机进行合理的选择，如图2.1中所示我选择使用的是AT89C52，而
23、市面上的单片机还有以下几种类型： Motorola单片机: Motorola是世界上最大的单片机厂商。从M6800开始,开发了广泛的品种,4位,8位,16位32位的单片机都能生产,其中典型的代表有:8位机M6805,M68HC05系列,8位增强型M68HC11,M68HC12 , 16位机M68HC16, 32位机M683XX. Motorola单片机的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多,因而使得高频噪声低,抗干扰能力强,更适合于工控领域及恶劣的环境。 MicroChip单片机: MicroChip单片机的主要产品是PIC 16C系列和17C系列8位单片机,CPU
24、采用RISC结构,分别仅有33,35,58条指令,采用Harvard双总线结构,运行速度快,低工作电压,低功耗,较大的输入输出直接驱动能力,价格低,一次性编程,小体积。适用于用量大,档次低,价格敏感的产品.在办公自动化设备,消费电子产品,电讯通信,智能仪器仪表,汽车电子,金融电子,工业控制不同领域都有广泛的应用,PIC系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高.发展非常迅速。 MDT20XX系列单片机: 工业级OTP单片机,Micon公司生产,与PIC单片机管脚完全一致,海尔集团的电冰箱控制器,TCL通信产品,长安奥拓铃木小轿车功率分配器就采用这种单片机。 EM78系列OTP型单片机: 台湾
25、义隆电子股份有限公司,直接替代PIC16CXX,管脚兼容,软件可转换。 cenix单片机: Scenix公司推出的8位RISC结构SX系列单片机与Intel 的Pentium II等一起被评选为1998年世界十大处理器。在技术上有其独到之处: SX系列双时钟设置,指令运行速度可达50/75/100MIPS(每秒执行百万条指令,XXX M Instruction Per Second) ;具有虚拟外设功能,柔性化I/O端口,所有的I/O端口都可单独编程设定,公司提供各种I/O的库函数,用于实现各种I/O模块的功能,如多路UART,多路A/D,PWM,SPI,DTMF,FS,LCD驱动等等。 采用
26、EEPROM/FLASH程序存储器,可以实现在线系统编程。通过计算机RS232C接口,采用专用串行电缆即可对目标系统进行在线实时仿真。 8051单片机最早由Intel公司推出,其后,多家公司购买了8051的内核,使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大,应用也最广泛,有人推测8051可能最终形成事实上的标准MCU芯片。 LG公司生产的GMS90系列单片机,与Intel MCS-51系列,Atmel 89C51/52,89C2051等单片机兼容,CMOS技术,高达40MHZ的时钟频率,应用于: 多功能电话,智能传感器,电度表,工业控制,防盗报警装置,各种计费器,各种IC卡装置,DV
27、D,VCD,CD-ROM。 华邦单片机: 华邦公司的W77,W78系列8位单片机的脚位和指令集与8051兼容, 但每个指令周期只需要4个时钟周期,速度提高了三倍,工作频率最高可达 40MHz.同时增加了WatchDog Timer,6组外部中断源,2组UART,2组Data pointer及Wait state control pin. W741系列的4位单片机带液晶驱动,在线烧录,保密性高,低操作电压(1.2V1.8V)。 Zilog单片机: Z8单片机是Zilog公司的产品,采用多累加器结构,有较强的中断处理能力,开发工具价廉物美.Z8单片机以低价位面向低端应用。我想很多人都知道Z80单板
28、机,直到90年代后期,很多大学的微机原理还是讲述Z80。 NS单片机: COP8单片机是NS(美国国家半导体公司)的产品,内部集成了16位A/D,这是不多见的,在看门狗多路及STOP方式下单片机的唤醒方式上都有独到之处.此外,COP8的程序加密也做得比较好。我们之所以选用AT89C52单片机是因为：AT89C52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89C52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。2.1 AT89C52单片
29、机AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52可降至
30、0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。2.1.1 AT89C52主要功能1、拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash2、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）3、内部程序存储器（ROM）为8KB4、内部数据存储器（RAM）为256字节5、32个可编程I/O口线6、8个中断向量源7、三个16位定时器/计数器8、三级加密程序存储器9、全双工UART串行通道2.1.2 AT89C52主要性能1、与M
31、CS-51单片机产品兼容2、8K字节在系统可编程Flash存储器3、1000次擦写周期4、全静态操作：0Hz33Hz5、三级加密程序存储器6、32个可编程I/O口线7、三个16位定时器/计数器8、八个中断源9、全双工UART串行通道10、低功耗空闲和掉电模式11、掉电后中断可唤醒12、看门狗定时器13、双数据指针14、掉电标识符2.1.3 AT89C52引脚功能图2.2 AT89C52芯片管脚图图2.3单片机基本电路VCC：AT89C52电源正端输入，接+5V。VSS：电源地端。XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1和
32、XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一20PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。RESET：AT89C52的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89C52便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。EA/Vpp：EA为英文External Access的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。因此在803
33、1及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用8751内部程序空间时，此引脚要接成高电平。此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。ALE/PROG:ALE是英文Address Latch Enable的缩写，表示地址锁存器启用信号。AT89C52可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0A7）锁进锁存器中，因为AT89C52是以多工的方式送出地址及数据。平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录8
34、751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。PSEN:此为Program Store Enable的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。AT89C52可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。PORT0（P0.0P0.7）：端口0是一个8位宽的开路汲极（Open Drain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。其他三个I/O端口（P1、P2、P3
35、）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0A7）及数据总线（D0D7）。设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0A7，再配合端口2所送出的A8A15合成一完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。PORT2（P2.0P2.7）：端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在AT89C52扩充
36、外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。PORT1（P1.0P1.7）：端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LS TTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。PORT3（P3.0P3.7）：端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及
37、外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。引脚分配如下：P3.0：RXD，串行通信输入。P3.1：TXD，串行通信输出。P3.2：INT0，外部中断0输入。P3.3：INT1，外部中断1输入。P3.4：T0，计时计数器0输入。P3.5：T1，计时计数器1输入。P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，
38、此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加
39、密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.2 传感器的选择传感器是将非电量转换为与之有一定对应关系的电学量输出的器件或装置。IEC(Intemational Electro technical Commission)将其定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。我们国家标准(GB66587)中对传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出
40、信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成181。其基本结构图如下：图2.4 传感器基本结构图用于脉搏检测的传感器的式样很多，有单部与三部、单点与多点、刚性接触式与软性接触式、气压式和液态水等等，而作为脉搏传感器的主要敏感原件又分为应变片、压电晶体、单晶硅、光敏元件、PVDF压电薄膜等多种。目前得到应用的脉搏传感器种类繁多，按照工作原理可分为以下4种：l、压力传感器，它是通过感测脉搏搏动时产生的压力变化来对脉搏进行描述；2、光电传感器，它是通过感测脉搏血管内血液的容积变化来描述脉搏；3、传声器，它是利用物理声学的原理，感测脉搏引起的振动，即听信号；4、超声多普勒检测技术。1压力式脉搏传感器
41、压力传感器分为压电式传感器、压阻式传感器和压磁式传感器3种。压电式传感器：其原理是利用压电材料的物理学效应(压电效应)将感测到的脉搏的机械压力信号转换为电信号。压电式传感器可分为压电晶体式传感器、压电陶瓷式传感器、压电聚合物传感器和PVDF压电材料传感器等。压阻型传感器：其原理是主要利用介质的压阻效应即：介质电阻率随机械压力变化而变化的性质制成的。可分为固态压阻式传感器、液压传感器和气导式传感器3种拶J。压磁式传感器：也叫磁弹性传感器，是一种新型压力传感器。其作用原理是物理学效应(磁弹性效应)，这种传感器其工作原理是利用磁导率随机械压力变化而变化的性质制成的，并进而将磁导率变化转换成相应变化的
42、电信号输出。2光电式脉搏传感器光电式脉搏传感器的工作原理主要如下：血液的流动会导致血管内的血容量的发生改变，而血容量的多少会影响血液对光线的吸收量，从而导致透过组织的光线强度也将随血流的变化而发生变化，光电传感器就是将接收透射后的光信号转换为电信号，从而来获取脉搏信息的。我们可以基于上述原理设计出光电容积式脉搏计、光闸式挠动脉脉搏传感器和红外光电传感器等。3传声器脉搏的搏动可以认为是一种振动信号，继而会产生波动，由于其频率极低，所以其本质应是一种次声波。传声器就是利用物理声学原理，通过探测器感测由脉搏引起的振动(听信号)。提取方法主要有间接耦合的方式(即非接触式)，脉搏声波经空气腔耦合后传到传
43、声器振膜(敏感膜)上从而被获取。4超声多普勒检测技术其主要原理是基于物理学中超声的多普勒效应，也属于一种非接触式的脉搏检测方式。随着医学超声成像技术的发展，超声多普勒技术在脉诊客观化的研究中也越来越受到重视，并且也取得了一些进展。但是后两种即传声器、超声多普勒技术等非接触式的脉搏检测方式，与中医通过手指来进行切脉的特点不相符合，难以准确全面的反映中医脉搏的特征由于脉搏信息中最为主要的是各种与力相关的综合信息，比如心脏的收缩对人体血管的压力以及产生的血管表面张力等等。所以本系统设计采用的是一种新型压电聚合物传感器来对与力相关的脉搏信息进行感测。制作所用的压电聚合物材料为聚偏氟乙烯(简称PVDF)
44、材料。其基本工作原理还是基于压电效应。压电效应(pizeoelectric effect)是法国物理学家居里兄弟(Pierre Curie和Jacqnes Curie)于1880年发现的。分为正压电效应(direct pizeoelectric effect)和逆压电效应(converse pizeoelectric effect)。其具体定义如下：当我们对某些电介质，例如石英晶体、陶瓷、高分子聚合材料等在其某些方向上施加机械力的作用时，在电介质的某个相对的两个表面内会出现符号相反的束缚电荷，束缚电荷的电量与外力大小成J下比，这种由机械能转换为电能的效应称为正压电效应(direct pizeo
45、electric effect)；相反，如果在电介质的某两个表面施加外电场，则该电介质会在相应的方向上出现时而伸长时而缩短的几何变形，即为振动，这种由电能转换为机械能的效应称为逆压电效应(converse pizeoelectriceffect)。20世纪40年代成功合成的PVDF材料，具有强度高、高稳定、易于加工、耐腐蚀和绝缘等特性。1969年， Kawai在对PVDF的研究中发现，经单轴拉伸、并在高温和强电场下的PVDF薄膜产生极化后会显示出很强的压电效应。由于PVDF具有很强的压电特性，而且易于加工制作成大面积的薄膜和一些不规则的形状，所以PVDF在生物医学工程等领域得到了越来越广泛的应
46、用。本系统设计即采用PVDF压电脉搏传感器感测脉搏信息。图2.5 PVDF压电效应示意图本文选用PVDF压电薄膜脉搏传感器，是因为它具有如下优点：(1)PVDF膜的压电效应强，其压电系数大(d33=20pCN)，从而使得变力响应灵敏度高。比石英晶体要高一个数量级以上，而电压输出常数g=174，在所有压电材料中是最高的。(2)PVDF膜在高交变电场的环境下不会产生去极化，所以在单位体积上PVDF可以获得较大的输出功率。(3)PVDF膜的密度低并且其柔韧好，与其他压电材料相比具有更低的导热性，并且该膜还易于加工制作，能制得更加薄的薄膜。(4)PVDF薄膜材料的声阻抗接近于人体组织和水，从而与人体组
47、织的阻抗耦合性好，能与人体形成良好的匹配。并且其能够紧贴皮肤，使得脉搏信息被PVDF薄膜感测而不致失真。(5)PVDF膜具有带宽广的特性，人体的脉搏频率非常低，处在05一25Hz的范围内，所以其完全可以满足脉搏信号的频率特性。其次，由于PVDF膜在其厚度方向上伸缩振动的谐振频率很高，使其在较宽的范围内具有较平坦的频率响应(响应范围为0,-一500MHz)。综上所述，PVDF压电薄膜换能器完全能够感测到微弱而且频率低的人体脉搏信号。 表2.1PVDF压电薄膜的主要技术指标目前，国内已有多家医疗仪器公司生产PVDF压电薄膜以及采用PVDF压电薄膜制作的脉搏传感器：如锦州科信电子材料有限公司生产的PVDF压电薄膜与合肥华科电子技术研究所研制设计的基于PVDF压电薄膜材料的HK-2000B型集成化脉搏传感器等。上表31列有锦州科信电子材料有限公司生产的PVDF压电薄膜主要技术指标。2.3 转换电路在单片机应用系统中，被测量对象的有关变化量，如温度、压力、流量、速度等非电物理量，须经传感器转换成连续变化的模拟电信号（电压或电流），这些模拟电信号必须转换