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1、人体脉搏测量仪的设计 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
2、率，继而就可以求出一分钟的脉搏数。按照理 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；压电陶瓷片；液晶显示屏；单片机 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
3、时所遇到的问题 32 系统总体设计 32.1 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 系统软件设计 194.1 软件部分设计 194.1.1 主程序模块 204.1.2 液晶驱动模块 214.2 软件开发环境 215 测试方案及结果 215.1 测试方案215.2
4、獠馐越峁?215.2 实际测试结果 226 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
5、，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，它的机理是急待于我们进行研究的。 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
6、，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
7、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。 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 AT89S51 单片机进行信号采集和处理，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。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，
8、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、完成一次测量时间：lt10s；2、脉搏测量精度：2 次/分钟；3、能够实时显示测量结果。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 1 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
9、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 2 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 3 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
10、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 脉搏测量仪要实现对脉搏信号的检测，并且能够对脉搏信号进行处理，并进而求得脉搏数来显示。考虑到系统的实现，有两种方案可以实现。 方案一：使用 纯硬件电路来实现。整个系统的框图如下图图 2
11、.1 所示 标准时标（分） （3 LED 显示 位） 发生器 计数器 译码器 放大整形 脉膊检测 人体 图 2.1 纯硬件脉搏测量仪框图 方案二：使用单片机电路来实现。通过信号调理电路，将脉搏信号 转换为数字信号，然后利用 单片机来实现脉搏测量功能。使用该方案其框图如下图图 2.2所示。 信号调理 脉膊检测 人体 单片机电路 显示 图 2.2 单片机脉搏测量仪框图 通过比较以上两种方案。方案一由于使用纯硬件方式，系统稳定度比较高。但是功能有限，灵活度 较低，也不能很好的实现锻炼自己的目的。而单片机方案有较大的活动空间，不但能实现所要求的功能而且能在很大的程度上扩展功能，而且还可以方便的对系统进
12、行升级，所以我们采用后一种方案。2.2 总体设计框图 脉搏测量仪系统总框图，如图 2.3 所示。系统由五个部分组成：信号采集单元，信号调理单元，信号整形单元， 单片机单元，显示单元。其中信号采集单元主要是选用合适的传感器将脉搏的压力信号转换为电信号，一般传感器输出的电压都在几毫伏左右。信号调理单元主要包括信号的低通滤波，以及实现信号的放大，经过信号调理单元，几毫伏的脉搏信号的电压被放大为 4V-5V 左右。信号整形单元则将模拟信号转化成数字信号，将脉搏信号转换为同频率的脉冲。单片机单元通过计时器求出一次脉搏的时间，并进而得出脉搏数，然后将该数据送到显示单元进行显示。显示单元选择数码管或者液晶屏
13、，对数据进行实时显示。 信号整形单元 信号调理单元 脉搏采集单元 单片机单元 显示单元 图2.3 系统总体框图3 系统硬件设计 系统的硬件框图如图 2.3 所示，包括五个部分组成。下面将分别介绍该五个单元。3.1 脉搏信号的采集 该单元要将脉搏跳动的压力信号转换为电信号，因此需要使用传感器来实现。 3.1.1 传感器的选择 压电式传感器 目前常用的是一次性心电电极它是用印刷方法制得的 Ag/ Agcl 传感器。 这种传感器采用接扣与敏感区分离的方法能明显的减少由于人体运动产生的干扰。电极的好坏对采集到的心电信号质量起着至关重要的作用采用的电极应有贴力强能紧附在人体表面柔软、吸汗、极化电压低、导
14、电性良好等特点。当选用电极传感器时需要 3 个电极分别置于左右手和左腿构成标准导联。临床上为了统一和便于比较所获得的脉搏信号在检测脉搏信号时对电极的位置引线与放大器的连接方式都有严格的统一规定。 目前市场上有一种采用新型高分子压电材料聚偏氟乙烯研制的压电传感器其灵敏度高频带范围好结构简单便于使用。当手指前端受到轻微的压力时，可以感觉到手指前端在血压的作用下有一张一弛的感觉，将这个信号用传感器提取出来，转变为电信号，通过指脉的波形检测，就可以 获得人体的脉搏信号。 光电式传感器 2 血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍，据此特点，采用光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏
