基于單片機(jī)的脈搏測量儀畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(編輯修改稿)
2025-02-14 15:09 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 能產(chǎn)生電能， V電壓， mA電流。BPW83型紅外接收二極管和IR333型紅外發(fā)射二極管工作波長都是940 nm，在指夾中，紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管相對擺放以獲得最佳的指向特性。紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強(qiáng)度就越大。在圖l中，RO選100 Ω是基于紅外接收二極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R0過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小，BPW83型紅外接收二極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時的信號。反之，R0過小，通過的電流偏大，紅外接收二極管也不能準(zhǔn)確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。當(dāng)紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光直接照射到紅外接收二極管上時，IC1B的反相輸入端電位大于同相輸入端電位，Vi為“O”。當(dāng)手指處于測量位置時，會出現(xiàn)二種情況：一是無脈期。雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是，由于紅外接收二極管中存在暗電流， V。二是有脈期。當(dāng)有跳動的脈搏時，血脈使手指透光性變差，紅外接收二極管中的暗電流減小，Vi電位上升。由此看來，所謂脈搏信號的拾取實(shí)際上是通過紅外接收二極管，在有脈和無脈時暗電流的微弱變化，再經(jīng)過IClB的放大而得到的。所拾取的信號為2μV左右的電壓信號。 信號放大按人體脈搏在運(yùn)動后最高跳動次數(shù)達(dá)240次/分計(jì)算來設(shè)計(jì)低通放大器，它由IC2A和C04等組成，如圖2所示。轉(zhuǎn)折頻率由R0C0R08和C05決定，放大倍數(shù)由R08和R06的比值決定。圖33 低通濾波器圖根據(jù)二階低通濾波器的傳遞函數(shù)，可得 （1）放大倍數(shù)為 H=R08/R06 =22 （2），即fH = （3）按人的脈搏最高為4 Hz考慮，低頻特性是令人滿意的。需要說明的是，以上分析是在忽略C03的條件下做出的，如果考慮C03的話，那么：由此可見，C03沒有影響頻率特性的分析，它的作用只是隔直。二級放大器兼比較器如圖4所示。Rpll用以調(diào)整系統(tǒng)的放大倍數(shù)，C06用以防止放大器自激。采用二級放大，零點(diǎn)漂移不很明顯， V左右。 V，以確保濾除干擾信號。采用比較器的好處是能有效地克服零點(diǎn)漂移所造成的影響，提高測量的準(zhǔn)確性。圖34 二級放大器和比較器圖 波形整形部分波形整形電路如圖5所示，IC3A是CD4528型單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器， s．其寬度由R22和C20決定。IC3B也組成一個單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，脈寬為240ms。DDl和T3等組成一個或非門，只有C，E兩點(diǎn)均為低電平時，信號放大器整機(jī)輸出才是高電平。設(shè)計(jì)這個電路的目的是為了在輸出端輸出一個窄脈沖，并且要在由R13和C07決定的時間內(nèi)任何信號都不會干擾輸出。R23和C21充電時間的長短決定了計(jì)數(shù)脈沖的寬度，一般不希望它太寬。波形整形時序如圖6所示。圖35 波形整形線路圖第四章 整體電路分析 光發(fā)射電路經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知,采用GaAs紅外發(fā)光二極管作為光源時，可基本抑制由呼吸運(yùn)動造成的脈搏波曲線的漂移。脈搏波檢測以光電檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，因此受周圍雜散光、暗電流等各種干擾影響較大。為了克服這一問題本系統(tǒng)采用脈沖振幅光調(diào)制技術(shù)。脈沖調(diào)制傳送的是調(diào)制信號的采樣值，只要采樣頻率奈奎斯特采樣頻率，則可由采樣脈沖來恢復(fù)原信號，而不會導(dǎo)致失真。系統(tǒng)對紅外二極管的驅(qū)動脈沖信號的頻率選定為工頻整數(shù)倍400Hz以降低工頻干擾。脈沖載波由ADuC841內(nèi)部16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。為了保證紅外發(fā)光二極管的光源穩(wěn)定，本文采用運(yùn)放op495和NPN型三極管作為恒流源電路向發(fā)光二極管提供穩(wěn)定的工作電流，光源驅(qū)動電路如圖41所示。 光電轉(zhuǎn)換電路光敏二極管的特性是將光信號轉(zhuǎn)換為電流，而隨后的A/D轉(zhuǎn)換電路是以電壓為檢測對象。因此，接收電路中應(yīng)采用電流電壓變換電路，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。運(yùn)算放大器與電阻R形成電流電壓變換電路，如圖42所示。（圖中S_GND為信號地，運(yùn)算放大器工作正負(fù)電源為5V、0V，為避免信號丟失，將信號抬高至VS_GND=1V。）電路輸出電壓。圖41 發(fā)光二極管驅(qū)動電路圖圖42 光敏二極管的電流電壓轉(zhuǎn)換電路圖 信號采集及處理系統(tǒng) 由于光電脈搏波屬于緩慢變化的微弱生理信號，信噪比低，極易受到環(huán)境噪聲和肢體運(yùn)動的干擾。傳統(tǒng)的光電脈搏波信號檢測電路都采用高增益放大器，以獲得較高的檢測靈敏度，這種設(shè)計(jì)思路導(dǎo)致了檢測信號動態(tài)范圍縮小，在受到運(yùn)動干擾時，將導(dǎo)致由于干擾信號而帶來的光電脈搏波信號檢測的飽和失真。本系統(tǒng)采用過采樣技術(shù)，通過對信號的高速采樣來提高采樣精度，相當(dāng)于用高分辨率的ADC對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，達(dá)到了提高信噪比并改善動態(tài)范圍的效果。因此本系統(tǒng)對經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換而不需要任何信號調(diào)理（放大和濾波）電路。 過采樣技術(shù)的應(yīng)用所謂過采樣技術(shù)是指以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于奈奎斯特(Nyquist)采樣頻率的頻率對模擬信號進(jìn)行采樣的方法。由信號采樣量化理論可知，若輸入信號的最小幅度大于量化器的量化電平△，并且輸入信號的幅度隨機(jī)分布，則量化噪聲的總功率是一個常數(shù)，在0～fs／2的頻帶范圍內(nèi)均勻分布[8]。因此量化噪聲電平與采樣頻率成反比，如果提高采樣頻率，則可以降低量化噪聲電平，而由于基帶是固定不變的，因而減少了基帶范圍內(nèi)的噪聲功率，提高了信噪比，從而提高分辨率，并且采樣頻率每提高4倍，則信噪比提高4倍，相當(dāng)于A/DC的分辨率提高1位。本文設(shè)計(jì)的脈搏檢測系統(tǒng)正是利用了這一原理，在A/DC過采樣之后進(jìn)行數(shù)字濾波，大部分噪聲被數(shù)字濾波器濾掉，這樣量化噪聲就降低了，即提高了系統(tǒng)信噪比。系統(tǒng)采用FIR結(jié)構(gòu)的滑動平均濾波器，在過采樣之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字抽取濾波。滑動平均濾波器系統(tǒng)傳遞函數(shù)為。該濾波器的作用是濾波、抽取和抗混疊。濾波器為一個數(shù)字低通濾波器，主要是濾除采樣信號頻帶以外的高頻量化噪聲，并維持信號頻帶以內(nèi)的信號基本不變，相當(dāng)于增加了數(shù)字信號的有效分辨率；抽取是將采樣得到的高速低分辨率的數(shù)字信號的抽樣頻率降至奈奎斯特采樣頻率，進(jìn)而完成高
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