一種基于AT89S52的可視電子聽診器的研制

摘? 要： 一種以AT89S52單片機為核心，利用駐極體式聲音傳感器實現的心音數據采集系統，利用圖形液晶模塊實現顯示的新型可視電子聽診器。介紹了電子聽診器的系統結構圖，給出了硬件電路原理和軟件流程。該系統在進行常規心臟聽診的同時可通過液晶顯示屏直觀地顯示心率和心音波形。

　　心音是能反映心臟正常或者病理的音響，它是由于心臟搏動過程中各瓣膜的開閉以及心肌和血液運動所產生的震動形成的。心音聽診是診斷心臟疾病的重要依據。傳統的方法是采用聽診器聽診心音，診斷的依據主要是醫師的經驗。這種方法比較簡單，但由于人耳對聲音的感知是聲強與頻率的綜合效應，因而有些病理特性難以捕捉，且準確性較差。設計一種新的電子聽診器對聽診音進行定量、準確的分析很有必要。目前，國內電子聽診器產品的價格和功能與國外相比還存在較大差距，多數只是將心音采集后放大，雖然在一定程度上改良了聽診器，但是還不能很好地反映心音波形。本文研制的可視聽診器實現了這一功能。它集聽診和心電信號監測功能于一體，可以實時記錄并顯示心率及心音圖，使診斷更準確，且便于醫學教學。同時具有可存儲、實時顯示、簡單易用、成本低、體積小等優點。本文對該可視聽診器的結構及工作原理作了較詳細的介紹。

1? 硬件設計

????? 可視聽診器的系統結構圖如圖1所示。該可視聽診器由采集處理和波形顯示二部分組成，具體由聲音傳感器、信號調理采樣電路和鍵盤顯示電路組成。

????? 由于聽診器接收到的是微弱的寬帶頻率信號，因此由聲音傳感器轉換成電信號后，需要經過濾波檢波放大電路對心電波形進行調理，然后經由A/D轉換送給單片機進行處理、存儲，并根據用戶設置在液晶顯示屏上實時顯示出來，以便用戶仔細觀察心音波形。另外，波形數據可以通過串行通信方式傳給上位機（PC機），再利用上位機強大的處理功能和模擬示波器軟件來顯示心電波形。

1.1 拾音頭

????? 由于心音頻率較低（20～600Hz），在人耳可聽頻域范圍的低頻段，因此選用傳聲器(話筒——將聲信號轉換成電信號的換能器）作為聲音傳感器。聲音傳感器（話筒）有很多種類，如駐極體式、動圈式和電容式等。本系統對傳感器的選取原則是：靈敏度高，抗干擾能力強，除了要提取微弱的心音信號外，還要求它不受人聲、工頻等信號的干擾。經多次實驗比較，設計中選用駐極體式話筒。拾音器MIC的制作選用老式聽診器的振膜頭部分。在振膜耳把套上20cm長的橡皮管，另一頭擠壓入一只微型駐極體話筒，話筒的2根導線用屏蔽電纜接到電路中的MIC處，駐極體話筒處用熱縮套管加固，以防止操作時產生不必要的噪聲干擾。

1.2 信號調理電路

????? 信號調理電路如圖2所示，主要由三部分組成：(1)信號輸入級(第1級)。拾音頭輸出音頻信號經耦合電容C1輸入信號處理電路，為保證拾音頭正常工作須提供較大的負載電阻，為此設計中采用了由NPN三極管構成的射極跟隨器作為輸入級。(2)濾波放大(第2級)。經測量，心音頻率較低，因此在信號放大的同時可將頻率在600Hz以上的信號全部濾除，以提高系統的抗干擾能力。設計中采用一階低通濾波電路。(3)檢波放大(第3級)。由于聲波圖形類似于調幅波形，故需用檢波電路把迅速變化的電壓信號轉變成變化較慢的直流電壓信號。檢波電路可分為峰值檢波、平均值檢波和均方根值檢波。本電路中采用了峰值檢波，它能給出一定時間間隔內的最大值。另外為便于采集并有效地利用A/D的轉換范圍，信號要放大到相應的電平范圍之內，故設計中使用了比例放大電路。

1.3 信號采樣

????? 心音頻率f在20Hz～600Hz之間，根據香農（Shannon）采樣定理，只要采樣的頻率高于或等于原來頻率的2倍，就可以完整地重現原波形，因此選擇的A/D轉換器的轉換速率應在1 200Hz以上，故設計中選用了串行A/D轉換器TLC0831。

????? 信號采樣電路的工作原理：把調理電路的模擬輸出信號用A/D轉換器變成數字量后，再由單片機送到液晶顯示屏顯示。

1.4 鍵盤顯示

????? 本系統選用了精電蓬遠的QH12864T點陣式液晶顯示(LCD)模塊。該模塊由控制器T6963C、列驅動器T6A39、行驅動器T6A40及與外部設備的接口等部分組成，它既能顯示字符（中文和西文字符），又能顯示圖形，還能夠將字符與圖形混合顯示。

????? LCD與單片機的接口方法分為直接訪問方式和間接控制方式。直接訪問方式是把液晶模塊作為存儲器接在CPU的數據線、地址線和控制線上，同時把它的數據總線接在89S52的P0口上，片選以及寄存器選擇信號線由P2口提供，讀寫操作由單片機的讀寫操作信號控制。這種方式是以訪問存儲器的方式來訪問液晶顯示模塊。間接控制方式不使用單片機的數據系統，而是利用它的I/O口來實現與顯示模塊的通信，即將液晶顯示模塊的數據線與單片機的P0口連接作為數據總線，另外3根時序控制信號線通常利用89S52的P3口中未被使用的I/O口來控制。這種訪問方式不占用CPU的存儲器空間，它的接口電路與時序無關，其時序完全靠軟件編程實現。間接控制方式的速度較直接訪問方式快，所以本設計中采用的是間接控制方式，具體連接如圖3所示。

????? 另外系統設置了6個按鍵，用于圖形的拉伸、縮放、存儲、回放及菜單式操作。

2? 調理電路的調試

????? 一個正常人的心音圖如圖4所示，其中s1是第1心音，s2是第2心音；Systole代表心臟收縮期，Diastole代表心臟舒張期。

????? 經過信號調理電路后的心音變成如圖5所示的波形。

3? 系統軟件設計

????? 系統選用的LCD是在圖形工作方式下，通過建立坐標系，利用位操作實現對心音波形的逼真顯示。下面詳細介紹液晶顯示屏繪圖編程的算法和波形連續顯示。

3.1 繪圖編程的算法

????? 系統選用的是128×64點陣式圖形液晶顯示模塊。要繪制心音波形只要根據A/D轉換來的數據在液晶顯示器的對應位置上繪點顯示。首先在液晶平面上建立如圖6所示的顯示坐標系。

? 圖中畫出了液晶顯示器在圖形工作方式下液晶平面的每一處所對應的顯示緩沖區地址情況，數據為十六進制，并建立以左下角為坐標原點的坐標系。這樣坐標(X，Y)的值都為正值，簡化了算法。其中X表示1～128個點，Y表示各個點所對應的幅值。由于A/D采樣的數值為0~255，而LCD的行取值為0～63，所以把幅值縮小一定的倍數，即Y=D/B，D為A/D采集的數字量，B為該數縮小的倍數。由圖可以看出幅值Y加1，顯示緩沖區地址K就減少10H，從而得到緩沖區地址的表達式：K=X/8-10H*Y＋0BF0H。而緩沖區地址字節中對應X除以8的余數的位就正好是要繪點的位置。只要利用位操作命令對它置位就可實現繪點。

3.2 波形顯示

????? 把采集的數據存放在RAM中，RAM共存了8KB波形數據。而液晶顯示器1次只能顯示128個點，因此可以通過改變在RAM中讀數間隔來控制波形的橫向顯示，即每顯示完1個數據，RAM地址加N，通過改變N的大小來拉開或回縮信號波形，以便于觀察。

????? 如果相鄰2個點的幅值稍有不同，2個點的距離就會分開，造成顯示不連續，影響視覺效果。因而怎樣使波形顯示連續，是顯示信號波形中一個很重要的問題。本系統中對這一問題的解決方法：在LCD上每顯示完1個點后，判斷它與前1個點的幅值差距，即Y值值差，若大于8，就要在2點之間插入若干點(X值不變，只變Y值)，使2點連續起來，然后再進行下1個點的顯示。利用這種方法，可很好地實現心音波形的顯示。波形顯示程序流程圖如圖7所示。

4? 結束語

????? 本文介紹的可視聽診器能實時顯示心率和心音波形，并能進行波形拉伸、變換和回放，形象直觀、操作方便，適合向臨床教學和醫療領域推廣應用。