1 课题现状及研究意义
1.1 课题现状
现代社会，人们生活水平不断提高，生活方式、饮食结构不断改变，习惯的变化和高节奏的生活导致了高血压、冠心病等心血管疾病成为常见病与多发病。据统计，目前我国城市人口中每5个成年人中就有1个不同程度的患有心血管方面的疾病。源于心脏与循环系统的不健康而导致的心肌梗塞、脑卒中、碎死等恶性后果时有发生，而且发病率逐年提高，发病年龄也呈下降趋势。中国每年有100万人死于脑卒中，并且有更多的人致残。特别是在最近，中国、日本和新西兰研究人员发现高血压是东方人脑卒中的主要原因。要避免和减少高血压、冠心病这类心血管疾病给人类健康带来的严重危害，有效的旱期诊断治疗方法和设备，快速的发病后的救治手段都是非常重要的，这些也正是当前广大医学界专家正在共同努力研究的重点。
医学领域中，生物医学参数的测试研究是医学界和工程技术界都很关心的新兴学科。运用近代传感器测试技术来解决临床诊断及实验室研究多种参数的计量检测，无论对于临床诊断与监护还是对于医学基础研究，都具有极其重要的价值和意义。用传感器测试技术来对脉搏信息进行定量分析，是目前国内外医学专家普遍关注的课题之一。
1.2 研究意义
脉搏是常见的生理现象，是心脏和血管状态等重要生理信息的外在反映;因此，脉搏检测不仅为血压测量、血流测量及其他生理检测提供了生理参考信息，而且脉搏波本身也能给出许多有诊断价值的信息。中医脉象诊断技术就是脉搏测量技术在中医诊断上的卓有成效的应用。采用传感器检测脉搏，可较客观地得到尽可能多的信息，更因为此法对人体无创伤，且使用方便，易于被人们接受。
本课题采用光电传感器提取脉搏信号，用嵌入式处理脉搏信号，通过无线收发模块（CC1100）远距离传送,并在PC机上显示.这样就既能减少对人体的创伤的同时，也能远距离并可以在PC机上监视，形成能远程监测人体脉搏的系统，为医生的研究提供一个有效的数据基础。
方案论证
2.1方案选择
要选择合理的方案，之前就应该知道要测量这个物体的特点，这样才能有准确的处理方案。因此在选择方案之前就先来了解一下脉搏信号的特点。
脉搏信号具有如下具体特点:
信号弱、干扰强
由于脉搏信号属于主动信号，其信号源不可触及，一般来说，信号幅度很小，大约是微伏到毫伏的数量级范围。因此，极容易引入干扰，这些干扰有来自50Hz的工频干扰，有来自肌体动作、精神紧张带来的假象信号等。因为生物体的各部分是不可分割、相互影响的，因此，研究一个系统时，来自另一个系统的信号有可能成为噪声，而且这种噪声有时可能比所需的信号强得多。
频率低
人体脉搏信号频率较低，属次声波，其频谱主要分布在0-4Hz之间。
变异性
脉搏信号的变异性来自脉搏系统的变异性，这是由于人体生命过程具有一种借助自身内在的调节机制以适应环境变化的能力，因此，表现在不同的疾病会具有不同的脉搏信号(即脉象)，相同的疾病在不同人身上也会表现出不同的脉象，同一个人的同一疾病在不同时期也会出现不同的脉象，同类脉象在不同病症之间也略有差异。
对于脉搏信号的特点，可以知道，选择测量传感器对脉搏信号的提取最为关键，以下是几种可测量脉搏信号的传感器：
1、压力传感器：用压力传感器采集脉搏信号，原理是将脉搏跳动产生的力通过传感器转化为电信号。他的特点是跳动的脉搏信号要强，如果跳动信号弱，那么传感器可能不能有效的反映出脉搏信号。要么就提高传感器的精度，大家都知道提高一个器件的精度的代价是什么样，而且使用时要用东西把他固定住，这也使得使用起来比较麻烦。
2、光电传感器：用光电传感器采集脉搏信号，原理是吸收红外线穿透血管时血液浓度的改变而导致红外线强度的改变使红外线吸收传感器产生电信号的变化来反映脉搏的变化。
无论要测量的部位是否有强度的脉搏信号的跳动，他基本都没受到干扰，只要有血液浓度的变化就能导致电信号的改变。在体育方面测量，用的脉搏测量大致有指脉和耳脉二种方式。这二种测量方式各有优缺点，指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降；耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确。对一般测量，本课题采用指脉的测量方式，第一，可以简便快速的测量；第二，考虑到性价比。
对指脉的测量有两种方法;光电容积法和阻抗容积法。这两种方法都是采用光电传感器从人体指尖上获取脉搏波。光电传感器有两种类型，即透射型和反射型。
透射型是指光源和光电接收器分别位于被测手指的上下两侧，它是利用肌肉比较容易透射光线，而血液对光线有选择吸收作用的原理制成。光源用红色发光二极管置于指尖上方，光电接收器用光敏三极管或者光敏二极管置于指尖下方。发光二极管发出的光线透过指尖被光敏只极管接收，手指指尖血管血液容积在血液循环过程中呈现博动性变化，于是光敏三极管或者光敏二极管获得的信号便反映了手指动脉血液容积搏动变化的情况，光敏三极管的输出信号呈现周期性变化，经放大后即得到周期性变化的指尖脉搏波信号。如图2.1.1所示。
2.2 系统框图
系统框图如下图2.2.1所示
3 主要芯片介绍
3.1 光电传感器
BPW83型红外接收二极管和IR333型红外发射二极管工作波长都是940 nm，在指夹中，红外接收二极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大。
3.2 Atmega8515
ATmega8515是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega8515 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
ATmega8515 有如下特点 8K 字节的系统内可编程 Flash( 具有同时读写的能力，即RWW)，512字节EEPROM，512字节SRAM，一个外部存储器接口，35个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，两个具有比较模式的灵活的定时器计数器 (T/C)片内外中断，可编程串行 USART，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及三个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于 CPU 停止工作，而 SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力。他具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C 语言编译器、宏汇编、 程序调试器 软件仿真器、仿真器及评估板。
ATmega8515除有AT90S4414/8515的所有特性外，还有一些新的特性。ATmega8515 基本上对 AT90S4414/8515 向下兼容。但两者间还会存在不兼容的问题。可通过对AT90S4414/8515的S8515C熔丝位编程，选择兼容模式来解决该问题，ATmega8515 引脚与 AT90S4414/8515 引脚 100% 兼容，也可在电路印刷板上替换 AT90S4414/8515，但二者的熔丝位位置及电气特性间存在差异。
ATmega8515的引脚结构如图3.2.1所示：
3.4 MAX232芯片
该产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口rs232电平是-10v +10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是ttl电平0 +5v,max232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。
主要特点 ：
1、单5V电源工作
2、 LinBiCMOSTM工艺技术
3、两个驱动器及两个接收器
4、±30V输入电平
5、低电源电流：典型值是8mA
6、符合甚至优于ANSI标准 EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28
7、ESD保护大于MIL-STD-883（方 法3015）标准的2000V
其管脚以及内部结构如图3.4.1所示：
4 硬件设计
4.1 采集部分
脉搏信号采集电路如图4.1所示，LM393的UA接为单位增益缓冲器以产生2.5V的基准电压。
由于红外接收二极管在红外光的照射下能产生电能，单个二极管能产生O.4 V电压，0.5 mA电流。图4-1中D2是红外接收二极管（BPW83型）和D1是红外发射二极管（IR333型），他们的工作波长都是940 nm，在指夹中，红外接收二极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大。在图4.l中，R5选100 Ω是基于红外接收二极管感应红外光灵敏度考虑的。R5过大，通过红外发射二极管的电流偏小，BPW83型红外接收二极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R0过小，通过的电流偏大，红外接收二极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当红外发射二极管发射的红外光直接照射到红外接收二极管上时，UB的反相输入端电位大于同相输入端电位，Vi为“O”。当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期。虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是，由于红外接收二极管中存在暗电流，仍有lμA的暗电流会造成Vi电位略低于2.5 V。二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收二极管中的暗电流减小，Vi电位上升。因为红外线是不可见光，在接上电源时不能直观的知道他是否导通，因此在R5后面节上一个指示灯来判别他是否正常工作。
4.2 滤波部分
按人体脉搏在运动后最高跳动次数达240次/分计算来设计低通放大器。低通滤波器是一种用来传输低频段信号，抑制高频段信号的电路，当信号的频率高于某一特定的截止频率fh时，通过该电路的信号就会被衰减，而频率低于fh的信号则能无阻通过该滤波器。能通过的信号频率范围定义为通带：阻止信号通过的范围定义为阻带，通带与阻带的分界点就是截止频率fh。A0为通带内的电压放大倍数，称为通带电压增益。当输入信号的频率由小到大增加到使滤波器的放大倍数等于0.707A0时，所对应的频率就是截止频率fh。
图4.2为压控电压源（VCVS）有源二阶低通滤波器电路。他由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，信号从运放的同相端输入，故滤波器的输入阻抗很大，其输出阻抗很小。运放OP07与R13和R14组成电压控制的电压源，因此称为压控电压源LPF。优点是电路性能较稳定，增益容易调节。
由上面截止频率计算公式，图4.2的截止频率为： fh=1/(23.14R12C)=1/（6.4810*103*0.47*10-6)=33.8Hz采集到的信号由J1接入，这个信号中含有几种干扰信号，主要有50Hz的电源信号干扰，所以这部分的主要任务就是把主要干扰滤掉。因此滤波电路的截止频率为33.8Hz，于是对于50Hz的干扰则不能通过滤波电路输出。而放大倍数A=U1/U0，在这个电路U1/U0=R14/R13=235，所以图4.1不仅只是滤波作用，还可以对电压进行放大作用。然而对于50Hz干扰信号来说，16.4Hz已经足够消除他了，对于2uV这样弱的信号来说235倍的放大是远远达不到单片机最小识别高电平（3V）信号的，所以必须还要一个放大电路。可以用个精密的滑动变阻器来代替R13，提高放大倍数。
4.5 下位机处理部分
下位机单片机部分又分为：单片机复位电路、数码管显示部分电路、无线发送模块部分、以及单片机的晶振和中央处理部分。
4.5.1 单片机复位电路
复位电路图如4.5.1所示：
4.5.2 数码管显示部分电路
按人体最高时候心跳240次/分的要求，数码管最少用到3位，由于考虑到硬件的制作过程，因此选择4位数码管来显示。其原理图如图4.5.2所示
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