大學課題開題報告(2)
一、課題任務與目的
1.課題任務
本課題是基于單片機的脈搏波提取電路的設計。設計采用數(shù)模轉換器MAX1240芯片組成AD轉換電路加上帶通濾波電路、放大電路進行電壓數(shù)據(jù)采集，然后將采集的脈搏信號即模擬電壓值轉換為12位數(shù)字值輸入給單片機，單片機再將此數(shù)據(jù)處理為2個字節(jié)，低字節(jié)為低8位數(shù)據(jù)，高字節(jié)的低4位為數(shù)字電壓值的高4位，進行數(shù)據(jù)處理后在通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
2.課題目的
進一步了解單片機，掌握信號調(diào)理部分電路組成及設計方法，以及單片機設計數(shù)據(jù)信號采集電路的方法。
二、調(diào)研資料情況
當前脈搏波檢測系統(tǒng)有以下幾種檢測方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應變式脈搏傳感器。近年來光電檢測技術在臨床醫(yī)學應用中發(fā)展很快，這是由于光能避開強烈的電磁干擾，具有很高的絕緣性，且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息。用光電法提取指尖脈搏光信息是當前最好的方法。
脈搏波檢測系統(tǒng)的數(shù)字化設計方法:從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學界的重視。幾乎世界上所有的民族都用過“摸脈”作為診斷疾病的手段。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征,因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學價值和應用前景。但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號, 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號, 必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求。
目前的指端脈搏檢測系統(tǒng)都是采用模擬技術來完成濾波,放大整型等處理，再經(jīng)過模數(shù)轉換和進一步處理。這種方法不僅增加了硬件的復雜程度，增大了功耗和體積，更主要的是增加了系統(tǒng)不可靠和不穩(wěn)定因素。隨著電子測量技術的迅速發(fā)展，現(xiàn)代電子測量儀器以極快的速度向數(shù)字化、自動化的方向發(fā)展。
關于脈搏波的波形
脈搏波是心臟的搏動(振動)沿動脈血管和血流向 外周傳播而形成的，因此其傳播速度取決于傳播介質(zhì)的物理和幾何性質(zhì)--動脈的彈性、管腔的大小、血液的密度和粘性等，特別是與動脈管壁的彈性、口徑和厚度 密切相關。實驗發(fā)現(xiàn)動脈血管的彈性越大(即順應性越大)，則脈搏波的傳播速度越小;動脈管徑越小，速度越大。故通常沿主動脈到大動脈、再到較小動脈，脈搏 波的傳播速度越來越大。
脈搏波周期圖的標志點特征與其對應的生理因素有著密切的聯(lián)系，其對心血管功能參數(shù)指標信息的正確提取有著重要影響。如圖1所示，b單波起點(主動脈脈瓣開放點)，c主波波峰(主動脈最高壓力點)，d重搏前波波峰(c點壓力下降后第一個拐點，是左心室射血沖擊主動脈發(fā)生彈性振動造成的)，e舒張期開始點，f重搏波波谷(房室瓣開始打開，左心室開始充盈的標志點)，g重搏波波峰(f點后動脈壓力繼續(xù)上升的一個高峰)。Ps為收縮壓，Pd為舒張壓，Pm1為收縮期平均壓，Pm2為舒張期平均壓。
圖1 脈搏波的具體特征
三、初步設計方法與實施方案
圖2 總體系統(tǒng)框圖
總體流程為：先由脈搏波信號提取模塊的HK2000B型壓電脈搏傳感器提取脈搏波，然后進入脈搏信號調(diào)理模塊進行濾波放大，之后將調(diào)理好的數(shù)字波送到A/D轉換模塊，由MAX1240轉換為模擬波形在傳入單片機處理，最后單片機處理完成的波由串口通信模塊傳遞給PC機。
1.脈搏信號提取模塊
當前，中醫(yī)臨床上最常用的取脈方法是獨取寸口法，此處動脈行徑較固定，解剖位置較淺，毗鄰組織較分明，因此成了脈診有利位置。本課題采用HK2000B型壓電脈搏傳感器，其精度小靈敏度高，輸出為模擬信號。
附其出廠技術指標;
(1)電源電壓：DC5—6V;
(2)壓力量程：-50—+300mmHg;
(3)靈敏度：2000μV/mmHg;
(4)靈敏度溫度系數(shù)：0.0001/°C;
(5)精度：1.5%;
(6)重復性：0.5%：
(7)遲滯：0.5%;
(8)過載：100倍。
2.脈搏信號調(diào)理模塊
(1)濾波電路
常規(guī)脈搏信號的主要頻帶范圍是0.1—40Hz。為防止處于干擾環(huán)境是脈搏信號中混入各種噪聲，因此在本系統(tǒng)中設計了通帶頻率為0.1—40Hz的帶通濾波電路，將脈搏信號的有用成分從采集到的信號中分離出來。本課題帶通濾波器將采用44Hz的二階低通濾波器級聯(lián)0.1Hz的二階高通濾波的方法實現(xiàn)。
(2)放大電路
使用三極管與電阻組成一個放大電路，參考倍數(shù)為8—10倍，具體放大倍數(shù)在仿真時可以測試出來。
3.A/D轉換模塊
MAX1240稱作模數(shù)變換器;簡稱“模數(shù)轉換器”。把模擬量轉換為數(shù)字量的裝置。在計算機控制系統(tǒng)中，須經(jīng)各種檢測裝置，以連續(xù)變化的電壓或電流作為模擬量，隨時提供被控制對象的有關參數(shù)(如速度、壓力、溫度等)而進行控制。計算機的輸入必須是數(shù)字量，故需用模數(shù)轉換器達到控制目的。
主要參數(shù)
1.2.7V—3.6V單電源供電。
2.分辨率為12位。
3.最大采樣率73K次/秒。
4.低功耗，37Mw(73Ksps),5Uw(待機工作)。
5.內(nèi)部提供采樣/保持電路。
6.內(nèi)部提供轉換時鐘。
引腳3(即SHDN)為控制端，其值取0為待機工作模式，取1為正常工作模式，也可懸空，此時內(nèi)部電源無效，可在管腳3(Vref)外接參考電源。
圖3 MAX1240內(nèi)部管腳圖示
4.單片機模塊
本課題采用AT89S52單片機，由于MCS-51系列單片機造價低廉且通用性好，市場應用成熟，其中AT89S52低功耗，高性能方便各類程序測試調(diào)試，很是適合本設計故而選它作為課題單片機。
5.串行通信模塊
串行通信可分為異步傳送和同步傳送兩種形式，異步傳送的特點是數(shù)據(jù)在線路上傳送不連續(xù)，但通信雙方必須事先約定傳送的字符格式和波特率。同步傳輸?shù)乃俣雀哂诋惒絺鬏敚布O備較復雜，而且對同步時鐘信號的相位一致性要求嚴格。
下面是對串行通信的幾個一致的概念和標準：
1)傳輸率：即波特率，范圍一般110—9600。
2)RS232-C：EIA電平與TTL電平轉換，需要電平轉換芯片MAX3232。
3)3.0—5.5V電源供電。
4)300μA低供電電流。
5)只需外接0.1μF電容。
6.電源模塊
脈搏調(diào)理電路需求-5,V+5V模擬電源，單片機需求5V數(shù)字電源，A/D轉換器和MAX3232需求3.3V數(shù)字電源，數(shù)字電源需和模擬電源分離。
四、預期結果
完成脈搏波提取的電路并仿真成功，能夠測試記錄波形，順利且條件允許的情況下將進行硬件操作，最后完成畢業(yè)設計論文的編寫。
五、進度計劃
第一、二、三、四周：調(diào)研資料。
第五、六、七周：將找到的資料進行分析，學習。
第八、九、十、十一周：開始進行電路的設計，仿真。
第十二、十三周：調(diào)試電路并進行最后的修改。
第十四、十五周：撰寫畢業(yè)論文。
第十六周：完成畢業(yè)設計，老師審查，并完成畢業(yè)答辯。