脈搏信號檢測儀的設計與實現

鄭爭兵

(陜西理工學院物理與電信工程學院，陜西 漢中 723003)

0 引言

隨著我國社會老齡化的到來，城市中大量獨居老人的健康監護問題越來越突出。心血管疾病作為老年人疾病中比例較高的病癥，許多病情較輕的病人由于未及時進行檢查，錯過了寶貴的診治機會，導致病情加重，嚴重者可能引起中風甚至危及生命[1]。因此，預防此類疾病對老年人的健康具有重要意義。

根據中醫理論，脈搏信號波所呈現出來的形態、強度、速率和節律等方面的綜合信息，能反映出人體心血管系統中許多生理疾病信息;對脈搏波形特征參數進行科學合理的檢測、診斷、分析，可以更有效地預防此類疾病[2－3]。考慮到脈搏檢測裝置的簡易操作性和便攜性，提出了一種基于光電傳感器的脈搏檢測儀。試驗測試結果表明，該儀器在家居護理領域具有較好的應用前景。

1 硬件設計

脈搏檢測系統由光電傳感器、單片機AT89S51系統和PC監測終端組成，其系統結構圖如圖1所示。

圖1 脈搏檢測系統結構圖Fig.1 Structure of human pulse detecting system

脈搏信號經過集成光電傳感器得到數字信號，然后對數字信號進行整形，去除干擾后送入AT89S51單片機進行處理。單片機可實現測頻顯示功能、語音提示報警功能和與PC機終端數據的交互功能。按鍵電路用來完成相關功能的選擇。PC機具有簡易的操作監控軟件，其對采集的數據進行分析、顯示并保存相關數據，從而完成對系統功能的測試。

1.1 光電脈搏傳感器

脈搏傳感器是脈搏檢測系統的重要組成部分，其基本功能是將切脈壓力和橈動脈搏動壓力物理量轉換成便于測量的電信號量。脈搏傳感器的精度、靈敏度、抗干擾能力及安裝方式決定了脈搏測量精度，因此，采用合肥華科電子技術研究所開發的光敏元件HKG-07A作為脈搏傳感器。整個傳感器的結構簡單、可靠性高、抗干擾能力強。該結構采用透射式接收光的方式[4－5]，利用特定波長紅外線對手指血管末端血液微循環產生的血液容積變化量進行檢測，得到脈搏信號波形。

脈搏信號經過放大、調理電路，幅度調整、基線調整電路輸出同步于脈搏跳動的數字脈沖信號，光電脈搏傳感器HKG-07A的輸出信號波形如圖2所示。

圖2 輸出信號波形Fig.2 Waveform of the output signal

1.2 整形電路設計

經過實際測試發現，輸出的脈沖信號并不理想，不利于單片機采集處理，可能會造成較大的誤差[6]。因此，在HKG-07A輸出的信號后加入整形電路，將脈搏傳感器輸出的信號作為一級電壓比較后輸出，使之成為一個波形、幅值都適當的信號，便于后續電路的處理。該電路采用高精度單片運算放大器OP07，OP07工作在開環狀態，通過調整電位器改變比較電路的閾值電壓。當輸入電壓大于閾值電壓時，輸出+5 V電壓;當輸入電壓小于閾值電壓時，輸出0 V電壓。此時整形后的輸出電壓滿足AT89S51單片機的要求。

1.3 語音電路和時鐘電路設計

語音電路主要是對單片機處理脈搏信號得到的脈搏頻率進行播報，并對非正常的脈搏頻率范圍的情況進行報警。時鐘電路主要用來實時顯示當前的時間狀態。為了保證電路的簡單可靠，采用集成化的語音芯片ISD1420和時鐘芯片DS1302。具體電路如圖3所示。AT89S51單片機的P0口連接地址輸入端A0～A7，利用 P3.7以脈沖觸發的方式控制 ISD1420的放音鍵PLAYE，使器件即進入放音狀態。為了使揚聲器連接端SP－、SP+的輸出音頻信號能夠可調，利用音頻功率放大器 LM386放大電壓信號[7]。LM386的1、8管腳增加外接電阻和電容，可將電壓增益調為任意值。本電路采用1、8管腳懸空，此時LM386工作在固定放大倍數20，通過改變電位器R3的值來改變放大的輸入信號[8]。

圖3 語音電路和時鐘電路Fig.3 Voice circuit and clock circuit

DS1302是美國DALLS公司推出的一種高性能、低功耗的實時時鐘芯片，可以提供秒、分、時、日、星期、月和年等信息，可以自動調整當月天數(30天或31天)，且具有閏年補償功能。AT89S51采用SPI三線接口與DS1302 進行同步通信[9]。P2.3連接復位/片選線，通過把輸入驅動置高電平來啟動所有的數據傳送;P2.4連接串行時鐘線SCLK，控制數據的輸入和輸出;P2.5連接雙向數據線I/O，實現數據的傳輸。為了保證DS1302在工作時的低功耗，采用了雙電源供電(主電源和備用電源)：Vcc1為主電源，接VCC;Vcc2為備份電源，接兩節干電池。當Vcc2＞(Vcc1+0.2)V時，由3 V電池向DS1302供電，當Vcc2＜Vcc1時，由Vcc1向DS1302供電。

2 軟件設計

2.1 主程序設計

主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flowchart of the main program

單片機AT89S51主要完成各部分硬件的協調、相關控制工作以及對脈搏頻率計數工作。系統設置兩個按鍵來完成功能的選擇：其中一個按鍵用來啟動脈搏信號采集，另一個按鍵用來傳送采集的脈搏信號給PC機。系統上電后，首先進行整機初始化處理，主要包括時鐘芯片DS1302、語音芯片ISD1420、串口控制參數的設定。接著判斷脈搏數據采集按鍵是否開啟，如果是，執行下一步，否則一直等待。然后判斷送上位機按鍵是否開啟，如果是，通過RS-232串口將數據傳給PC處理，否則執行單片機處理程序，即脈搏頻率的計算子程序、顯示子程序和語音提示子程序。利用PC機處理脈搏信號是為了更便于驗證檢測系統的正確性以及擴展系統的靈活性功能。在整個程序設計過程中，脈搏頻率的計算子程序和語音提示子程序是設計的關鍵。

2.2 脈搏頻率計算程序

正常人體脈搏信號的頻率為60～80次/min，一般情況下其頻率為1 Hz左右，屬于低頻信號，所以在設計中采用周期測量法[10]。利用單片機內的16位定時/計數器T0，對以單片機內的標準機器周期Tb計數。將被測信號的周期作為信號閘門，由程序控制開關對機器周期進行計數得n，因此被測信號周期為T=Tb×n，每分鐘跳動次數f=60/T。對于12 MHz晶振，Tb為1 μs，16位定時/計數器 T0的最大定時時間為65 535 μs，因此，在1 min內會產生溢出。對此，采用定時器中斷方式計算脈搏頻率值，即在一個脈搏周期內，隔一段時間T1(T1＜65 535)產生1次中斷，總共產生n1次中斷。

此時：

為了使脈搏跳動次數誤差不超過1次，要求定時器周期T1不超過1/60 s。為方便計算，取T1=1/27，可以得到定時器T0的TH0=1EH、TL0=84H。

2.3 語音提示程序的設計

語音提示是對每次計算的脈搏頻率進行報數并提示用戶是否正常。例如：當前的脈搏頻率為90次/min，語音提示的內容是：脈搏頻率為90次/min，偏高，請就醫。對于要播放的語音信息需要對其進行錄音，單片機負責ISD1420的分段放音控制。因此，必須先使用專用的ISD1420編程軟件對要錄制的語音信息進行分段存儲。單片機通過搜索的方式為每段語音的地址信息建立相應的信息表，并根據要放音的內容，查詢地址信息表獲取地址，通過對ISD1420的8位并行地址線播放不同的信息。地址輸入端A0～A7的有效值范圍為00000000～10011111，這表明最多可被劃分為160個存貯單元，可錄放多達160段語音信息。每段地址長0.125 s，共能錄音 20 s。

3 測試結果及分析

為了更好地測試系統的性能，在PC機上使用虛擬儀器圖形編程軟件LabVIEW8.6，開發了人機交互界面軟件。該軟件通過與 AT89S51[11－13]的串行通信，對接收到的脈搏數據實時顯示其波形圖和心率值，具有保持數據和回放數據的功能，并且能夠改變串口的傳輸參數。為了驗證測試脈搏頻率數據的正確性，將軟件測試的結果與單片機測試的結果進行比較。比較結果顯示，采用這兩種測試方法得到的結果相同。當人體脈搏次數低于50次/min或高于120次/min時，LCD液晶顯示當前脈搏次數，語音提示“偏低，請就醫”信息或者“偏高，請就醫”信息。

4 結束語

本文提出的脈搏檢測系統方案，由于采用集成度高的光電式傳感器和單片機系統測量脈率值，電路簡單、成本低廉、操作方便，能夠完成脈搏次數的顯示和語音提示功能。該裝置非常適合個體使用，可以實時、方便地提醒用戶的身體健康狀況，在家庭監護領域具有較好的實用價值。

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