脈搏信號(hào)的采集測(cè)試儀

劉威

襄陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院

脈搏信號(hào)的采集測(cè)試儀

劉威

襄陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院

為了提高脈搏測(cè)量?jī)x的簡(jiǎn)便性和精確度，系統(tǒng)以MSP430G2553單片機(jī)為核心，用ST168紅外傳感器檢測(cè)脈搏信號(hào)，利用單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部ADC模快對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行采樣并計(jì)數(shù)，系統(tǒng)運(yùn)行中能自動(dòng)啟動(dòng)測(cè)量脈搏次數(shù)，1分鐘完成測(cè)量后待機(jī)。

脈搏信號(hào)；紅外傳感器ST168；LCD12864顯示；單片機(jī)MSP430

隨著人們生活水平的提高，大家對(duì)日常身體常規(guī)保健越來越重視，人們需要更加方便、快捷、準(zhǔn)確的對(duì)身體機(jī)能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，比如說脈搏的檢測(cè)。本設(shè)計(jì)就是基于TI公司低功耗單片機(jī)，用紅外傳感器檢測(cè)脈搏信號(hào)，采用單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部ADC模快對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行采樣并計(jì)數(shù)，這樣設(shè)計(jì)的儀器測(cè)量準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單、功耗低、成本低、體積小、便于攜帶。

1 總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)的框圖如下圖所示。光電脈搏檢測(cè)的基本原理是：隨著心臟的搏動(dòng)，人體組織半透明度隨之改變。當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明度減小；當(dāng)血液流回心臟，組織的半透明度增大，這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖，利用波長(zhǎng)600-1000nm的紅光或紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的光線照射到人體的手指尖、耳垂等部位，用裝在該部位另一側(cè)或同側(cè)旁邊的光電接收管來檢測(cè)機(jī)體組織的透明程度，即可將搏動(dòng)信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：信號(hào)采集，將脈搏跳動(dòng)信號(hào)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換為與此相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)；信號(hào)處理電路，因傳感器輸出的電信號(hào)一般在毫伏級(jí)，且不穩(wěn)定，所以需對(duì)此信號(hào)進(jìn)行放大并濾波，以便于單片機(jī)處理；信號(hào)轉(zhuǎn)換及顯示電路，單片機(jī)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換處理得到的脈搏頻率信號(hào)，最后在液晶顯示電路中直觀地顯示出對(duì)一分鐘內(nèi)脈搏測(cè)量次數(shù)的顯示；報(bào)警電路，可預(yù)置脈搏次數(shù)上下告警門限，當(dāng)脈搏次數(shù)測(cè)量值超出報(bào)警限值時(shí)，測(cè)試儀聲音報(bào)警。

設(shè)計(jì)框圖

2 電路與程序設(shè)計(jì)

2.1 光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

正常人脈搏跳動(dòng)一般在50次/分--200次/分之間，對(duì)應(yīng)的頻率范圍在0.78Hz--3.33Hz之間，因此經(jīng)紅外光電傳感器檢測(cè)脈搏信號(hào)且轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)頻率是超低頻信號(hào)。

反射式光電傳感器是發(fā)光器件與光接收器件于一體，能避免環(huán)境光強(qiáng)對(duì)信號(hào)的干擾，所以選取反射式光電傳感器。

激勵(lì)電阻R1選270 Ω是基于紅外接收二極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R1過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小，ST168紅外接收管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時(shí)的信號(hào)。反之，R1過小，通過的電流偏大，紅外接收管也不能準(zhǔn)確地辨別有脈搏和無脈搏時(shí)的信號(hào)。當(dāng)手指處于測(cè)量位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)二種情況：一是無脈期,雖然手指遮擋了紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外光，但是，由于紅外接收管中存在暗電流，仍有l(wèi)μA的暗電流會(huì)造成Vout電位略低于3.6V。二是有脈期,當(dāng)有跳動(dòng)的脈搏時(shí)，紅外接收管中的暗電流減小，Vout電位下降。

ST168傳感器是將非電量(紅外光)轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它可以將接收到的紅外光按一定的函數(shù)關(guān)系(通常是線性關(guān)系)轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電參量(如電壓、電流或頻率等)輸出。

2.2 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

脈搏經(jīng)傳感器輸出的電壓信號(hào)較弱，一般在毫伏級(jí)，需要對(duì)其進(jìn)行放大。所以，設(shè)計(jì)的信號(hào)放大電路，應(yīng)將傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，便于后續(xù)電路處理。經(jīng)測(cè)量脈搏從傳感器出來，的電壓信號(hào)接近1mV，經(jīng)過前置放大電路將此信號(hào)放大20倍，再通過二階低通濾波將環(huán)境光強(qiáng)和工頻干擾濾除。

2.2.1 信號(hào)前置放大

傳感器輸出的是低頻微弱信號(hào)，需加前置放大電路，并且在傳感器與放大器之間利用較大電解電容耦合。如若采用單電源供電，必然要考慮較大電容沖放電對(duì)運(yùn)算放大器輸出電壓的影響，其會(huì)使得放大器達(dá)飽和而失去信號(hào)放大功能。故前置放大電路，采用雙電源供電的帶濾波的反向比例遠(yuǎn)算放大電路。脈搏經(jīng)紅外傳感器出來的電壓信號(hào)經(jīng)過反相比例運(yùn)算放大器U1 OP07將信號(hào)放大20倍。

2.2.2 二階低通濾波

經(jīng)過電阻、電容和運(yùn)算放大器U2 OP07構(gòu)成的有源二階低通濾波電路，在9HZ處產(chǎn)生3dB衰減，濾除干擾信號(hào)（環(huán)境光強(qiáng)和工頻干擾）。

2.2.3 后置放大電路

經(jīng)過U3 OP07反相比列運(yùn)算電路再一次將信號(hào)放大，得到一個(gè)伏特級(jí)電壓信號(hào)，便于單片機(jī)ADC模塊進(jìn)行信號(hào)采樣。

3 系統(tǒng)調(diào)試及測(cè)量數(shù)據(jù)

3.1 測(cè)試條件儀器

示波器，秒表，醫(yī)用脈搏測(cè)試儀。

3.2 測(cè)試結(jié)果完整性

注：實(shí)際測(cè)量值以醫(yī)用脈搏測(cè)試儀為參照

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)過誤差分析，測(cè)量誤差不大于測(cè)量誤差不大于±3次。

4 結(jié)束語

本脈搏測(cè)試儀能準(zhǔn)確、便捷的測(cè)量脈搏信號(hào)，經(jīng)測(cè)試工作穩(wěn)定可靠，精確度高。

[1]王麗英.基于光電技術(shù)的脈搏測(cè)量方法[J].傳感器技術(shù).2006,5(11):32-34.

[2]華成英.模擬電子技術(shù)[J].北京：清華大學(xué)出版社,2006.

劉威（1977-），女，湖北襄陽(yáng)人，碩士，襄陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，從事應(yīng)用電子技術(shù)、智能儀器技術(shù)方面的研究和教學(xué)。