(1)脈搏信號檢測與提取
用脈搏記錄儀器描繪脈搏波圖像已有百余年的歷史。1860年法國人研制了杠桿脈搏描記器,成為現代脈象描記的基礎。脈象儀的總體構成包括脈象信號檢測,信號預處理和信號分析三個環節。我國醫務界約從50年代初就開始了用西方傳來的脈搏描記技術,使脈象圖形化。近十多年來,已經研制出了許多性能各異的脈象儀,各類脈搏描記器最關鍵和差異較大的部分就是脈象傳感器的研制。從測量原理上講,脈象傳感器可分為機械式、壓電式、光電容式等多種。
(2)脈搏信號處理與特征提取
目標信號檢測的關鍵是提取信號的特征。在實際中,目標信號總是淹沒在大量的雜波或干擾中,而且目標信號的幅值或功率較雜波或干擾信號可能還低得多,這就需要進行有效的信號處理。
時域分析法:目前國內對脈象信號的特征提取方法,多數采用時域分析法,即在時間方向上分析波動信號的動態特征,通過對主波、重搏前波、重搏波的高度、比值、時值、夾角、面積值的參量分析,找出某些特征與脈象變化的內在聯系。時域分析法包括直觀形態法、多因素識脈法、脈象速率圖法、脈圖面積法。直觀形態法。
頻域分析法:頻域分析主要是通過離散快速傅里葉變換,將時域的脈搏波曲線變換到頻域,得到相應的脈搏頻譜曲線,通過頻譜曲線的特征分析,從中提取與人體生理病理相應的信息,實現脈象分類。與時域分析不同, 脈搏信號的頻域特征可分辨性好, 因此80年代以來國內外一些學者開始在頻域內對脈搏信號進行分析, 初步取得了有意義的結果。這種從頻域和能量的角度來分析脈搏信號的思想是十分正確的。我們從能量角度研究了幾種不同疾病脈搏信號的特征頻域特征和差異, 利用頻域分析的延伸技術——倒譜與同態解卷,首次估計出了人體脈搏系統的傳遞函數, 分析了脈搏系統的頻率特性。
時頻聯合分析法:是把一維信號或系統表示成一個時間和頻率的二維函數,時頻平面能描述出各個時刻的譜成分。常用的時頻表示方法有短時傅立葉變換和小波變換(WT) 。
短時傅立葉變換(STFT)方法:是一種廣義情形,是一種線性時頻表示方法,它依賴于被分析信號的線性特性,即信號的頻譜與在數據中提供正弦成分的幅度成線性比例。其最主要的優點是容易實現、計算簡潔有效,而它主要的缺陷是時間和頻率分辨率在整個時頻平面上固定不變。另外的限制是對一個特殊的信號,需要一個特殊的窗才能得到最佳分辨率。
小波變換(WT):是另外一種重要的線性時頻表示,它在時頻平面上具有可變的時間和頻率分辨率,把FT 中的正弦基函數修改成在整個時頻平面上具有可變時頻分辨率的基函數,使得它在高頻區域能夠提供高的時間分辨率,而在低頻區域能夠提供高的頻率分辨率。小波變換這種獨特的能力使其成為分析脈搏這種非平穩信號的有力工具。在目前已知的小波函數中,復值調制的Gaussian 函數是使用最高的小波之一。
1.3 論文結構安排
本文首先對方案的選擇做了詳細的論證與設計。本設計用到的主要核心部件是AT89C2051,為了加深對該單片機的了解,本文詳細介紹了該單片機的內部結構圖以及它的復位電路和振蕩電路。該電路為了采集脈搏波信號用到了光電傳感器,并對光電傳感器的信號拾取,信號放大做了較為詳細的介紹,因為采集到的光電信號比較弱,所以用到了二級放大,經過二級放大后的波形經過整形電路,將脈沖信號傳送到單片機,經CPU的計數、比較最終將結果顯示出來。
2 方案原理及設計
2.1 方案原理介紹及論證
正常人的脈搏次數是每分鐘60~90次(嬰兒為90~120次,老年人則為100~150次), 這種頻率信號屬于低頻范疇.因此,脈搏測試儀是用來測量低頻信號的裝置,它的基本功能要求是:
要把人體的脈搏數(振動)轉換成電信號,這就需要借助傳感器。對轉換后的電信號要進行放大、濾波和整形處理,以保證后續電路能正常對其進行進一步的加工和處理。脈搏測試儀要能在幾秒左右測出脈搏跳動次數,并作出是否報警的判斷。報警的上、下限及對象選擇可以通過多路開關調節。總之,脈搏測試儀的核心是要對低頻信號在固定的短時間計數,最后以數字形式顯示出來。可見,脈搏測試儀的主要組成部分是計數器和數字顯示器。
脈搏傳感器的作用是將脈搏信號轉換為相應的點沖信號。脈搏傳感器是脈搏象檢測系統中重要的組成部分,其性能的好壞直接影響到后置電路的處理和結構的顯示。目前典型的脈搏傳感器有以下三種:光電類、壓阻類和壓電類。在這三種目前采用最多的是壓電類傳感器,近年來, 光電檢測技術在臨床醫學應用中發展很快, 這主要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受到了從事生物醫學儀器工作的專家和學者的重視。
圖3-1 AT89C2051的內部結構圖
此外,從AT89C2051內部結構圖也可看出,其內部結構與8051內部結構基本一致(除模擬比較器外),引腳RST、XTAL1、XTAL2的特性和外部連接電路也完全與51系列單片機相應引腳一致,但P1口、P3口有其獨特之處。
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圖3-2 復位電路圖
時鐘電路工作后,在REST管腳上加兩個機器周期的高電平,芯片內部開始進行初始復位(如圖2—3)。
3.5 振蕩電路
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2021-9-10 03:01 上傳
圖3-3 振蕩電路圖
圖5-3 中斷子程序流程圖
6 總結
本設計通過數模混合電路設計實現了對脈搏信號的實時測定,并能發出警告。整個電路盡量考慮到各方面的因素,做到線路簡單,減小電磁場干擾,充分利用集成芯片,彌補分離元器件的精度不足。甚至還可以以該設計為基礎加載其他功能,使其功能和結構更加完善,擴展至對人體其他生理狀態的測定。
對于此次設計,我自己感覺學到了很多東西。不僅是新知識的學習,更重要的是我學會了如何去運用已有的知識,深刻體會到了基礎知識的重要性,更懂得了閉門造車是行不通的。
通過這次設計,加強了我動手、思考和解決問題的能力。我覺得做畢業設計同時也是對課本知識的鞏固和加強,平時看課且還可以記本時,有時問題老是弄不懂,做完設計,那些問題就迎刃而解了。而住很多東西。比如PLC的功能,平時看課本,這次看了,下次就忘了,主要是因為沒有動手實踐過吧!認識來源于實踐,實踐是認識的動力和最終目的,實踐是檢驗真理的唯一標準。作為畢業的學生,能夠搞這樣的關于PLC技術的設計,確實從中學到了很多的知識。在項目設計方面,打破了以往單純為解決問題的觀念,樹立了良好的項目設計思想。在內容設計方面,比較深入的學習了PLC方面的知識,補充了自己知識上的不足,更重要的是給自己找到了一個發展的方向。
在這個過程中,受到了我們老師和同學的熱切關注和耐心輔導,特別朱璐瑛老師對我進行了系統的講解和指導,對設計提出了很多建設性的意見及建議,對我的設計起到了指導性和決定性的作用,使我深刻的體會到了良師益友給我帶來的幫助,在此表示深深的感謝!
畢業設計,就是為了讓我們把已有的知識加以融會貫通,在此次設計中我們運用的都是以前學過的知識數字電子技術、模擬電子技術、測控電路和ORCAD等。然而這在以前,它們都是零散的,在此次設計中,一個脈搏測試儀就讓我們把它們聯系了起來。在設計電路時才真正弄懂了ORCAD的模擬功能是用來做什么的,對分頻、倍頻的概念才有了宏觀的認識,明白了到了作為做儀器開發的工作人員的辛苦。
總之,親自動手是課堂學習的延續,電子領域隨時隨地都在發生著翻天覆地的變化,現有的知識儲備總是落后于科技的發展腳步,我們只有不斷學習新知識,才能做到在面對新課題時游刃有余。
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附錄
總電路
致 謝
在這次畢業設計的過程中,我的指導老師蔡老師給予了我很大的幫助,提供了相關的資料,對我的作品給予了指導和支持。使我順利圓滿的完成了此次畢業設計。在此,向老師表示衷心的感謝!同時,也要感謝學院提供計算機等設施,使我的設計得以順利完成。
寒窗幾載,春花秋實。大學四年是我一生的重要階段,是學習專業知識及提高各方面能力的重要階段。從跨入大學的校門的那一刻起我就把這一信念做為人生的又一座右銘。
我的論文作品不是很成熟,還有很多不足之處。但是這次做論文的經歷使我終身受益。我感受到做論文是要真正用心去做的一件事情,是真正的自己學習的過程和研究的過程,沒有學習就不可能有研究的潛力,沒有自己的研究,就不會有所突破,那也就不叫論文了。期望這次的經歷能讓我在以后學習中激勵我繼續進步。
最后,再次感謝學院給了我們機會,以及電子信息工程學院的各位老師和許多的朋友、同學在各個方面給予了我很多的幫助和支持,謝謝你們!
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