【正文】 這次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，目前很多公司和廠商都在致力于脈搏傳感器的研究，而且都有很成熟的技術(shù)，在功能上也有很多拓展，比如在檢測脈搏的同時(shí)還能檢測人體的體溫、血液含氧量、血紅蛋白含量等參數(shù)，而且傳感器內(nèi)集成了像信號(hào)放大器、濾波器、波形整形等電路， 使得傳感器的精確度更高了，輸出的直接就是脈搏信號(hào)或者脈搏波信號(hào)，只需將傳感器界面接在示波器上，就能直接顯示出脈搏波形圖，使用極為方便，這樣的脈搏傳感器已被很多醫(yī)療器材所使用，甚至在很多健身器材上也有這樣的脈搏傳感器。 （ 3）連接每個(gè)功能模塊并且生成總體電 路圖。 1999 年清華大學(xué)的金觀昌教授等人將 PVDF 薄膜用于多點(diǎn)脈搏波測試系統(tǒng)研制當(dāng)中 [3]；西北工業(yè)大學(xué)劉希的基于 USB 的多道生物醫(yī)學(xué)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) [4]；武漢大學(xué)袁志勇等人嵌入式脈搏檢測分析系統(tǒng)的研制 [5]；東南大學(xué)楊序等人的脈搏數(shù)據(jù)采集器的研制 [6]；北京中醫(yī)藥大學(xué)牛欣 、楊杰等研制了壓力與 B超整合的中醫(yī)診脈裝置，認(rèn)為可以實(shí)時(shí)直觀觀察寸口橈動(dòng)脈運(yùn)動(dòng)情況 [7]；蘭州理工大學(xué)張愛華等人基于動(dòng)態(tài)圖像的多點(diǎn)脈搏信號(hào)檢測方法 [8]；目前上海中醫(yī)藥大學(xué)湯偉昌研制了壓力式三探頭傳感器，以模擬中醫(yī)寸關(guān)尺取脈，并探討三探頭傳感器與單探頭傳感器以及三探頭傳感器之間信息提取的差別 [9]；目前在國內(nèi)市場上得到認(rèn)可、應(yīng)用較普遍的主要是上海中醫(yī)藥大學(xué)費(fèi)兆馥教授為主要研究者，與復(fù)旦大學(xué)等單位聯(lián)合研制生產(chǎn)的ZM1 型單探頭中醫(yī)脈象儀， ZMIIIc 型智能脈象儀；上海醫(yī)藥大學(xué)與上海交通大學(xué)研制的 TPI 型脈 象數(shù)字化分析儀也已進(jìn)入臨床檢測應(yīng)用。早在 1969 年 10 月，世界上最先運(yùn)用光敏器件開發(fā)光電傳感器的公司日本神視株式社會(huì)正式成立，此后國外很多大公司越來越重視利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)脈搏信息的無創(chuàng)傷檢測的研究。 20xx 年，萬寶龍于日內(nèi)瓦高級(jí)鐘表沙龍 SIHH 上推出全新 Collection Villeret 1858系列 Vintage Pulsographe 款腕表，即復(fù)刻版測量脈搏計(jì)時(shí)表之意，以標(biāo)志現(xiàn)代計(jì)時(shí)技術(shù)面世 190 周年紀(jì)念。 現(xiàn)在社會(huì)各界都提出一種叫做無創(chuàng)測量 （ noninvasive measurements）又稱為非入侵式測量或間接測量，其最重要的特征就是測量的探測部分不侵入人體內(nèi)，不會(huì)對人的身體造成損傷，通過 對體表器官的檢測間接測量人體的生理和升華參數(shù)，醫(yī)學(xué)傳感器是獲取生物信息并將其轉(zhuǎn)換成易于測量和處理信號(hào)的一個(gè)關(guān)鍵器件。于是在節(jié)假日的時(shí)候，都會(huì)有很多人去醫(yī)院檢查身體，由于人很多，需要排很長的隊(duì)，有時(shí)候都不一定能排上，加上昂貴的檢查費(fèi)用，以至于不是每個(gè)人都能到醫(yī)院進(jìn) 行身體檢查。這種測量儀具有精確度高，體積小，價(jià)格便宜，易于操作等特點(diǎn)，特別適合于個(gè)人使用和家庭使用，給我們的生活帶來極大方便，讓我們第一時(shí)間對自己的身體狀況有進(jìn)一步的了解。經(jīng)醫(yī)學(xué)觀察研究表明，人體手指末端含有豐富的毛細(xì)血管和小動(dòng)脈，這些動(dòng)脈和人體其他地方的動(dòng)脈一樣，含有豐富的生理信息。脈診一直是醫(yī)生診斷疾病的重要手段之一，但受人為因素的影響很大。將對脈搏信號(hào)的檢測模塊，脈搏信息的處理模塊，單片機(jī)，數(shù)碼管顯示模塊等電路集成在一塊電路板上，形成一個(gè)簡易的脈搏測量儀。 在我們的日常生活中，為事業(yè)為生活我們四處奔波，緊張的工作，勞累一段時(shí)間之后，我們都會(huì)擔(dān)心我們的身體會(huì)因?yàn)閯诶圻^度等原因造成一定的損傷，這時(shí)候，我們會(huì)選擇去醫(yī)院做一個(gè)身體檢查，到醫(yī)院以后，醫(yī)生或者護(hù)士都會(huì)通過把脈、做心電圖、胸透等方法對我們的身體進(jìn)行全面的檢查，通過分析脈象和心電圖來對我們的身體狀況作出判斷。 人體的脈搏能準(zhǔn)確的反映人體的健康狀況，通過對脈搏的測量，我們就能對自己的身體有一個(gè)大致的了解，在中國很早就有通過把脈檢查人體健康狀況的研究，而中醫(yī)的脈相診斷技術(shù)就是脈搏測量在中醫(yī)上卓有成效的應(yīng)用，但是通過把脈對身體的檢查受人為因素影響比較大，而且精確度也不是很高。在他們的研究論文中也有對脈搏測量儀功能設(shè)計(jì)方面的很多重要突破的記載，而現(xiàn)在很多研發(fā)公司在脈搏測量儀產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)方面，也在不斷地創(chuàng)新，市面上多種多樣的測量儀相繼出現(xiàn)在世人面前。自 1969 年 Kawai發(fā)現(xiàn) PVDF 薄膜（聚偏氟乙烯）具有明顯的壓電特性后， PVDF 薄膜經(jīng)過幾十年的應(yīng)用和基礎(chǔ)研究，近年來被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械開發(fā)和研究中。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 下面是收集的一些資料： 1998 年國科技大學(xué)的朱國富等人研制了袖珍式脈搏測量儀，采用了光電傳感器采集脈搏數(shù)據(jù) [2]。 （ 2）了解每一個(gè) 功能 模塊，并設(shè)計(jì)出 相應(yīng) 子電路。 （ 6）分析調(diào)試中遇到的問題 并找到解決的方案 。方案一是采用壓電式脈搏傳感器，方案二是采用光電式脈搏傳感器。二是將微弱電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并放大。 目前被人們使用最多的是壓電式的 HK20xx系列的傳感器，其外觀如圖 21所示，這種傳感器是典型壓電式傳 感器的代表，該種 采用高度集成化工藝將力敏元件 (PVDF壓電膜 )、靈敏度溫度補(bǔ)償元件、感溫元件、信號(hào)調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)。當(dāng)恒定波長的光照射到人體組織上時(shí)，通過人體組織吸收、反射衰減后測量 到的光強(qiáng)將在一定程度上反映了被照射部位組織結(jié)構(gòu)特征 [14]。 在醫(yī)學(xué)上把 手指組織分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織 兩部分 ， 研究表明， 非血液組織 對 的光吸收 頻率 是恒定 不變 的，在血液中，靜脈血的搏動(dòng) 情況 相對于動(dòng)脈血 而言是 十分微弱 的 ， 測量時(shí) 可以忽略 不計(jì) ， 因此動(dòng)脈血的充盈被認(rèn)為是引起光透哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 過手指后強(qiáng)度變化的主要原因， 那么在恒定波長光源的照射下，通過檢測透過手指的光強(qiáng) 變化 可以間接測量到人體的脈搏信號(hào) 。 光電式脈搏傳感器是當(dāng)今世界比較先進(jìn)的脈搏傳感器，由于剛被人們使用，技術(shù)不是很成熟，是一項(xiàng)新興的光電技術(shù)，還有很多方面需要完善，目前被應(yīng)用的并不是很多，但其結(jié)構(gòu)比較簡單，只需一個(gè)光源和一個(gè)光敏器件就能實(shí)現(xiàn)，操作 簡單，只需將手指放于光源和光敏器件之間就能實(shí)現(xiàn)對脈搏的測量，可以用于個(gè)人使用和家庭使用，這種傳感器可以自己完成制作且容易實(shí)現(xiàn)，不需要花太多的錢去買，精確度高。美國ATMEL 公司采用了高密度、非易失真性存儲(chǔ)技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)而成，它兼容標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51單片機(jī)指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中 央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元。 （ 1） AT89C2051 引腳簡介，引腳圖如圖 31 所示。引腳 和 在接外圍元件時(shí) 必須設(shè)置外部上拉電阻，引腳 ~ 上拉電阻由單片機(jī)內(nèi)部提供。 ④ P3 口： P3 口的引腳 ~ 和 是七個(gè)雙向 I/O 口，它們都帶有內(nèi)部上拉電阻。用作輸入時(shí)， P3 口被外部拉低時(shí)將被上拉電阻作用而輸出電流。振蕩器正在運(yùn)行時(shí)，持續(xù)給 RST 引腳兩個(gè)機(jī)器 周期 的高電平便可完成復(fù)位。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 （ 2） AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 32 AT89C205 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 AT89C2051是帶有 2K 字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ EEPROM）微處理器。空閑方 可以 停止 CPU 工作但允許定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、 程序存儲(chǔ)器 RAM、中斷系統(tǒng) 和 串行工作口繼續(xù)工作。該四 運(yùn)算 放大器 工作電壓跨度較大， 可以在低到 伏或者高到 32 伏的電源 電壓 下 正常工作 ，靜態(tài)電流為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一。LM324 采用 14 腳雙列直插塑膠封裝 ， 引腳排列如圖 34 所示： 圖 33 運(yùn)算放大器 圖 34 LM324 引腳圖 由于 LM324 四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，可單電源使用，靜態(tài)功耗小， 價(jià)格便宜 等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種 放大 電路中。 芯片內(nèi)部 內(nèi)含 有 過 熱 、超載 和 過流 保護(hù)電路。 圖 35 7809 外形引腳圖 7809 主要特點(diǎn)：輸出電流為 1A；輸出電壓為 9V；具有過熱保護(hù)、短路保護(hù)、輸出晶體管 SOA 保護(hù)等功能。 7805外形引腳圖如圖 36所示，其引腳從左到右依次為輸入引腳 （ INPUT） 、接地引腳 （ GND） 、輸出引腳 （ OUTPUT） [22， 23]。 圖 38 脈搏采集電路圖 脈搏信號(hào)采集的基本原理：在人體心臟的不斷地跳動(dòng)過程中，人體各個(gè)組織的半透明度會(huì)隨著心臟的跳動(dòng)而發(fā)生改變，當(dāng)血液被送到人體的組織時(shí)，人體組織的半透明度會(huì)減?。划?dāng)血液流回到心臟時(shí)，人體組織的半透明度會(huì)隨之增大。 這里之所以使用紅外發(fā)光二極管，是因?yàn)橥ㄟ^實(shí)驗(yàn)檢測得到 ,當(dāng)采用紅外發(fā)光二極管用作照射光源時(shí)，基本上可以抑制由于人在呼吸運(yùn)動(dòng)過程中造成的脈搏波曲線的漂移。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 脈搏信號(hào) 處理電路 為了從脈搏信號(hào)中得到有關(guān)人體的生理、病理信息，需要對采集的脈搏信號(hào)進(jìn)行處理。 該部分電路主要由信號(hào)抗干擾電路模塊、信號(hào)整形電路模塊 兩 個(gè)主要的電路模塊組成。為了防止信號(hào)因外界高頻信號(hào)干擾而導(dǎo)致檢測結(jié)果出現(xiàn)誤差，因此，必 須先將信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理，以便能使絕大部分的高頻干擾被濾除。 經(jīng)前面處理 后 得到的信號(hào)為疊加有噪聲的脈沖正弦波 信號(hào) ，接下來 的工作就是要 對這個(gè)信號(hào) 進(jìn)行 整形 處理，以便于后面的顯示 。為了 加強(qiáng)輸出脈沖的穩(wěn)定性 ，在電路的 電路設(shè)計(jì) 過程中 是將此脈沖輸入到單穩(wěn)多諧振蕩器 LM324_c 的反相輸入端，并利用 LM324_c 的輸出 脈沖來 作為后極 單片機(jī) 工作的實(shí)際使用脈沖。 經(jīng) 過 LM324_c 之后的脈沖就是后面單片機(jī)控制電路所需的實(shí)際脈沖，通過 R27送到單片機(jī) ，就可實(shí)現(xiàn)后面的計(jì)數(shù)和顯示了。電路主要完成 的工作是 對于前面采集處理得到 的 脈搏信號(hào) 進(jìn)行計(jì) 算 和顯示。這個(gè)結(jié)果值，將通過 P1口 傳哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 送到 7段 4位數(shù)碼管 顯示芯片的數(shù)據(jù)端口， 最后 被顯示出來。程序流程圖如圖 41 所示。 從 口輸入的與脈搏信號(hào)所對應(yīng)的脈沖信號(hào)來作為外部中斷 0 的中斷請求信號(hào)，外部中斷采用邊沿觸發(fā)的方式。 本系統(tǒng)硬件平臺(tái)的核心是 AT89C2051 芯片，其芯片內(nèi)微控制器是一個(gè)優(yōu)化的單指令周期 8051 閃存 MCU，它的指令系統(tǒng) 保持與 8051 指令系統(tǒng)兼容。由于過采樣倍數(shù) k 為 64，按每提高 4 倍采樣率就能提高一位分辨率來計(jì)算，獲得的 ADC 有效分辨率能提高 3 位，最后能達(dá)到約 15 位精度，其分辨率可達(dá)到。對這四個(gè)寄存器都進(jìn)行初始化，自動(dòng)裝載值為 0FFCAH。經(jīng)過上述對信號(hào)的解調(diào)，有效去除背景光、雜散光的干擾。 當(dāng)脈搏檢測系統(tǒng)與中央監(jiān)測系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通過設(shè)置定時(shí)器T3 的控制寄存器 T3CON 為 86H， T3FD 為 08H，得到 9600 的串口串列傳輸速率。 圖 51 Protues 整體電路圖 Keil 編譯軟件 Keil 軟件是 眾多單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)的優(yōu)秀軟件之一，它集編輯、編譯、仿真于一體，支持匯編、 PLM 語言和 C 語言的程序設(shè)計(jì)，界面友好，易學(xué)易用。Source Group139。 Protues 軟件 簡介 Proteus 仿真 軟件 是英國 Labcenter Electronics 公司出版的 EDA 仿真 軟件 。 無論是 從 電路 原理布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到 PCB 設(shè)計(jì)，真正 意義上的 實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì) 方案 。 （ 2）對 ARES PCB 模型的設(shè)計(jì) 。 （ 3）互動(dòng)的電路仿真。還可以直接在所畫的原理圖的模擬原型上編程，再加上顯示及輸出，能看到運(yùn)行后的輸入以及輸出的效果。 （ 2）能夠提供的調(diào)試手段， Proteus 提供了比較豐富的測試信號(hào)來用于對電路的測試。這些功能都盡可能減少了模擬儀器對測量結(jié)果的影響，使誤差降到最小 [25~27]。 仿真初始化電路如圖 59 所示，仿真電路如圖 510所示。 Protel DXP 20xx 已不是單純的 PCB 印制電路板設(shè)計(jì)工具，而是由多個(gè)模塊組成的系統(tǒng)工具，分別是原理圖設(shè)計(jì)、原理圖仿真、印制電路板設(shè)計(jì)、自動(dòng)布線器和 FPGA 設(shè)計(jì)等，覆蓋了以 PCB 為核心的整個(gè)物理設(shè)計(jì)。 ② 強(qiáng)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證 ： 在 Protel DXP 20xx 中強(qiáng)化了設(shè)計(jì)驗(yàn)證的功能，讓電路 板 與電路 圖 之間的轉(zhuǎn)換更 加 準(zhǔn)確，同時(shí)對交互參考的操作也更容易 更簡便 。而在 Protel DXP 中落實(shí)了這項(xiàng)功能，讓用戶能在畫電路圖時(shí)就定義設(shè)計(jì)規(guī)則。 ③ 文件管理新的模式 ： Protel DXP 20xx 提供三種文件管理模式。這項(xiàng)功能也支持電路板設(shè)計(jì)，包括由電路板反標(biāo)注到電路 圖。 ④ 版本控制 ：設(shè)計(jì)者 可直接由 Protel 設(shè)計(jì)管理器轉(zhuǎn)換到其他設(shè)計(jì)系統(tǒng)，這樣可 更方便更快捷 地 實(shí)現(xiàn) Protel DXP 20xx 中的設(shè)計(jì)與其他軟件共享 的目的 。 ③ 不同波形的重疊 ： 設(shè)計(jì) 者 可以同時(shí)使用不同的多個(gè) Y 軸坐標(biāo)，也可以將多個(gè)不同的波形放置在一起。使設(shè)計(jì)者可以根據(jù)自己的需要設(shè)哈爾濱工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 計(jì)焊點(diǎn)。剛生成的 PCB 板中，所有的封裝并不在工作