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1、 摘 要本课题是人体脉搏测量仪的设计。由于脉搏信号的特殊性，在设计时必须要注意实现测量的准确。该系统的重点就在于要求实现测量的简便化和精确化。系统要在小于十秒的时间内，测量出人体一分钟的脉搏，并且保证误差在2次以内。本系统以89S51单片机作为中心，通过使用单片机来实现系统最核心的计算脉搏功能。在信号的前端处理上，使用压电陶瓷片采集人体脉搏信号，然后经过AD620放大，施密特触发器整形，低通滤波器滤波等一系列操作，将脉搏信号转换为同频率的脉冲信号输入到单片机内，并利用单片机对其进行计数。计数的方法是利用单片机的计时器，计算一次心跳的时间，然后由该周期计算出频率，继而就可以求出一分钟的脉搏数。按
2、照理论来说，只要有一次心跳信号就可以。但是要考虑到计算的精确性，可以设定为测量五次心跳信号，然后再求脉搏就可以使结果比较精确。计数结果将最终送至液晶屏1602来进行显示。虽然压电陶瓷片的性能并非很好，在信号的采集上不能实现非常精确的采集，但是它的价格低廉，并且在经过系统的信号调理电路后，也能比较满意的实现我们所要实现的目标。整个系统耗电低，体积小，具有便携性与精确性。经过多次调试和实验，本系统基本实现了设计所要求的指标。关键词：脉搏测量；心律监测；压电陶瓷片；液晶显示屏 目 录引言11 设计任务及要求31.1 设计任务31.2 设计要求31.3 设计时所遇到的问题 32 系统总体设计 32.1
3、 方案论证 32.2 总体设计框图43 系统硬件设计 53.1 脉搏信号采集53.1.1传感器的选择53.1.2三种方案的优缺点比较 63.1.3压电陶瓷片介绍73.2 信号调理单元73.2.1一级放大电路83.2.2二阶滤波器电路 103.2.3二级放大电路 123.3 整形电路 143.4 电源滤波电路 163.5 单片机电路 163.6 显示系统 184 测试方案及结果 214.1 测试方案214.2 模拟测试结果 214.2 实际测试结果 225 结束语22谢辞24参考文献25附录26引言 在我国传统中医学的诊断中，“望、闻、问、切”是最基本的四个方面。而在其中，切，也就是脉诊，占有非
4、常重要的地位。通过脉诊，医生可以对患者的身体状况有一个大概的了解，进而对症下药。脉搏信号可以直接反应出患者心脏的部分状况，我国传统中医学认为，通过脉诊可以了解到患者脏腑气血的盛衰，可以探测到病因，病位，预测疗效等。从近代医学的角度来看，人体循环系统承担着协调全身各组织的能量代谢，输送氧气、营养物质，运走代谢废物等重要的工作，还承担运送抗体、激素等物质以协调整体的动态平衡。从整体的角度对疾病进行综合分析，显然循环系统的信息将占很重要的比重；从整个循环系统来看桡动脉介于大动脉与小动脉之间，由于心脏的舒缩、内脏血容量的变化、血管端点阻抗、管道内脉波的反射、血液的粘滞性、血管壁的粘弹性等因素使脉象携带
5、着有关心脏运动、内脏循环、外周循环等丰富的心血管系统及整体的动态信息。因此脉诊的临床意义很大，它的机 鉴于脉诊的重要性，人们对于脉搏测量一直非常关注，早在1860年Vierordt 创建了第一台杠杆式脉搏描记仪，国内20世纪50年代初朱颜将脉搏仪引用到中医脉诊的客观化研究方面。此后随着机械及电子技术的发展，国内外在研制中医脉象仪方面进展很快，尤其是70年代中期，国内天津、上海、广州、江西等地相继成立了跨学科的脉象研究协作组，多学科共同合作促使中医脉象研究工作进入了一个新的境界。脉搏测量仪的发展主要向以下几个趋势发展： (1) 自动测量脉搏并且对所得到的脉搏进行自动分析。目前很多脉搏测量仪都具有
6、检测血氧等其他的功能，但是对这些信号的分析和诊断还需要一些有经验的医生观察，进行分析后才能确认结果，浪费大量的人力，且由人为引入的误差较大。因此，未来脉搏自动检测的内容将更加详细，自动分析诊断功能也更强大。(2) 数字化技术等先进技术的应用。随着数字科学技术的发展，脉搏测量仪集成度将更高，更便于携带。数字信号处理的运用将使干扰更小，测量更为准确。（3）多功能化越来越明显目前的脉搏测量仪，一般都具有测试血氧，心电图等等功能，单纯的脉搏测量仪已经很少见。随着电子技术的发展，脉搏测量仪必然可以实现更多的功能。人体脉搏测试仪是用来测量人体心脏跳动频率的电子仪器，也是心电图的主要组成部分。心脏跳动频率通
7、常用每分钟心脏跳动的次数来表示。采用数显式脉搏计测量心脏跳动的频率不但精确，而且使用方便，显示结果醒目。本设计所使用的系统利用压电陶瓷片将脉博转换为电压信号，经过信号调理后利用AD放大器进行放大和整形，在短时间内，测量出人体一分钟的脉搏数，并将心率进行实时显示，便于携带。达到了方便、快速、准确地测量心率的目的。这样的脉搏测量系统性能良好，结构简单，性价比高，输出显示稳定，比较适应大众化，适合家庭进行自我检查以及医院护士进行每日的临床记录。人体脉搏测试仪是用来测量人体心脏跳动频率的电子仪器，也是心电图的主要组成部分。心脏跳动频率通常用每分钟心脏跳动的次数来表示。采用数显式脉搏计测量心脏跳动的频率
8、不但精确，而且使用方便，显示结果醒目。1 设计任务及要求1.1 设计任务本课题要求利用传感器对人体脉搏信号进行采集，设计相应的信号调理电路，然后利用通过对脉搏信号进行测量，来进行实时显示测量结果。1.2 设计要求(1) 、应用数字电路实现在1min或0.5min内测量脉搏数，并显示其数值；(2) 、脉搏测量精度：2次/分钟；(3) 、正常成年人的脉搏数为6080次/min，老年人为100150次/min，如果出现心律不齐，要有所指示。1.3 设计时要考虑的问题由于人体的脉搏信号具有频率低、幅度小干扰大，不稳定度低，随机性强等特点，使得对脉搏信号的采集放大电路的设计提出了很严格的要求，尤其是抗干
9、扰变为十分重要，需要设计低通滤波器进行滤波。选择放大器时需要从增益、频率响应，输入阻抗，共模抑制比，噪声，漂移等几个方面加以综合考虑。（1）抗干扰 工频50HZ干扰及其各次谐波使用频率为50HZ的市电的电子仪器设备会对检测系统会产生较大的干扰，其幅值大约是脉搏信号峰峰值的50%,是主要的干扰源肌电干扰肌肉的收缩会产生微伏级的电势，其幅值大约是脉搏信号峰峰值的10，维持时间大约是50ms，频带范围可以在0HZ10000HZ。由于呼吸引起的基线漂移和ECG幅度变化呼吸引起的基线漂移可以看成是一个以呼吸的频率加入ECG信号的窦性成分（正弦曲线），这个正弦成分的幅度和频率是变化的。呼吸所引起的ECG信
10、号的幅度的变化可以达到15。基线漂移的频率是从0.150.3HZ。（2） 低噪声、低漂移在脉搏信号放大器中，由于增益较高，噪声和漂移是两个较重要的参数。脉搏信号放大器运行过程中的噪声主要表现为电子线路的固有热噪声和散粒噪声，这些都属于白噪声，其幅值为正态分布。为了获得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格要求。另外，温度变化会造成零点漂移，漂移现象限制了放大器的输入范围，使得微弱的缓变信号无法被放大。而脉搏信号具有很低的频率成分，为了能正常测量，必须采取措施来限制放大器的漂移。所以放大器应选用低漂移，高输入阻抗并且具有高共模抑制比的集成运放电路。2 系统总体设计2.1 方案论证正常成
11、年人的脉搏次数是60-80次/min，婴儿为90-140次/min，老年人则为100-150次/min，显然这种信号属于低频范畴。因此，脉搏计时用来测量低频信号的装置，根据任务要求可知，要把人体的脉搏（振动）信号装换成点信号，这就需要借助于传感器。对装换后的电信号要进行放大和整形等处理，以保证其他电路工作正常。要求在很短的时间（若干秒）内测量出放大的电信号频率值。脉搏计的核心是在固定的短时间内对低频电脉冲信号计数，最后以数字形式显示出来，这可以用频率测量的原理来实现，脉搏计的主要组成部分是计数和数字显示器。要满足上述脉搏计功能的要求，可以实现的方案有很多，现提出两种不同的方案。方案一：对装换为
12、电信号的脉搏信号在单位时间内（1min或0.5min）进行计数，并用数字显示其计数值，从而直接得到每分钟的脉搏数，脉搏计方案一电路框图如图2.1所示。用这种方案测量的误差为+/-2次/min，测量时间越短，误差也就越大。图2.1脉搏计方案一电路框图各电路的作用如下：传感器：将脉搏跳动信号装换为与此相对的电脉冲信号。放大与整形电路：将传感器的微弱信号放大，整形除去杂散信号，获得标准计数脉冲。基准时间产生电路：产生短时间的控制信号，以控制诚恳时间。控制电路：保证在基准时间控制下，将放大整形后的脉冲信号送到计数译码显示电路。计数译码显示电路：读出脉搏数，并以十进制数的形式有数码管显示出来。方案二：测
13、量脉搏计跳动固定次数（例如5次，10次）所需的时间，然后换算为每分钟的脉搏次数，脉搏计方案二电路框图如图所示。这种测量方法的误差小，可达+/1次/min。图2.2脉搏计方案二电路框图此方案的传感器，放大与整形电路，译码显示电路与方案一完全一样，其余部分的功能叙述如下：六进制计数器：检测6个脉搏信号，产生5个脉冲周期的门控信号。基准时间产生电路：产生周期为0.1s的基准脉冲信号。门控电路：控制基准脉冲信号进入8位二进制计数器。8位二进制计数器：对通过门控电路的基准脉冲进行计数，例如5个脉搏周期为5 s，即门打开5 s的时间，让0.1 s周期的基准脉冲信号进入8位二进制计数器，显然计数值位50；反之，由它可相应求出5个脉冲周期的时间。 定脉冲数产生电路：产生定时脉冲数信号，如3000个脉冲送入可预置8位计数器输入端。 可预置8位计数器：以8位二进制计
