【文章內(nèi)容簡介】 的非電生理信號 ,因此必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求。 5 第二章 脈搏測量儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 脈搏測量儀的設(shè)計(jì)，必須是通過采集人體脈搏變化引起的一些生物信號，然后把生物信號轉(zhuǎn)化 為物理信號，使得這些變化的物理信號能夠表達(dá)人體的脈搏變化，最后要得出每分鐘的脈搏次數(shù)。在硬件設(shè)計(jì)中一般的物理信號就是電壓變化，有了這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，本課題就此開始實(shí)施。 光電脈搏測量儀的結(jié)構(gòu) 光電脈搏測量儀是利用光電傳感器作為變換原件，把采集到的用于檢測脈搏跳動的紅外光轉(zhuǎn)換成電信號，用電子儀表進(jìn)行測量和顯示的裝置。本系統(tǒng)的組成包括光電傳感器、信號處理、單片機(jī)電路、液晶顯示、電源等部分。 1．光電傳感器 即將非電量 (紅外光 )轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它由紅外發(fā)射二極管和接收三極管組成，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)換成便于測量的物理量 (如電壓、電流或頻率等 )輸出。 2．信號處理 即處理光電傳感器采集到的低頻信號的模擬電路 (包括放大、濾波、整形等 )。 3. 單片機(jī)電路 即利用單片機(jī)自身的定時(shí)中斷計(jì)數(shù)功能對輸入的脈沖電平進(jìn)行運(yùn)算得出心率（包括 AT89S5外部晶振、外部中斷等）。 4．液晶顯示 即把單片機(jī)計(jì)算得出的結(jié)果用 LCD1602來顯示，便于直接準(zhǔn)確無誤的讀出數(shù)據(jù)。 5. 電源 即向光電傳感器、信號處理、單片機(jī)提供的電源，可以是 5V的直流的穩(wěn)壓電源。 工作原理 本設(shè) 計(jì)采用單片機(jī) AT89S52 為控制核心，實(shí)現(xiàn)脈搏測量儀的基本測量功能。脈搏測量儀硬件框圖如下圖 所示： 6 圖 脈搏測量儀的工作原理 當(dāng)手指放在紅外線發(fā)射二極管和接收三極管中間，隨著心臟的跳動，血管中血液的流量將發(fā)生變換。由于手指放在光的傳遞路徑中，血管中血液飽和程度的變化將引起光的強(qiáng)度發(fā)生變化，因此和心跳的節(jié)拍相對應(yīng)，紅外接收三極管的電流也跟著改變，這就導(dǎo)致紅外接收三極管輸出脈沖信號。該信號經(jīng)放大、濾波、整形后輸出，輸出的脈沖信號作為單片機(jī)的 外部中斷信號。單片機(jī)電路對輸入的脈沖信號進(jìn)行計(jì)算處理后把結(jié)果送到液晶顯示。 光電脈搏測量儀的特點(diǎn) 與傳統(tǒng)的脈搏測量儀相比，光電式脈搏測量儀具有以下特點(diǎn)： 1. 測量的探測部分不侵入機(jī)體，不造成機(jī)體創(chuàng)傷，通常在體外。 2. 傳感器可重復(fù)使用且速度快，精度高。 3. 測試的適用電壓為 5V直流電壓。 4. 穩(wěn)定性好、磨損小、壽命長、維修方便。 5. 由于結(jié)構(gòu)簡單，因此體積小、重量輕、性價(jià)比優(yōu)越。 6. 測量的有效范圍為 60次 100次 /分鐘。 外部中斷信號 光電傳感器 放大器 比較器 單片機(jī) AT89S52 液晶顯示電路 外部晶振 7 第三章 硬件系統(tǒng) 控制器 本系統(tǒng)基于 51 系列單片 機(jī)來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橄到y(tǒng)沒有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們最終選擇了 AT89S52 通用的比較普通單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 AT89S52 簡介 AT89S52 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器 (PEROM)和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲單元，功能強(qiáng)大 AT89S52 單片機(jī)可為您提供 許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域 。 AT89S52 的特點(diǎn) 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲器 1000 次擦寫周期 全靜態(tài)操作： OHz24MHz 三級加密程序存儲器 128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM 32 個(gè)可編程 I／ O 口線 2 個(gè) 16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器 6 個(gè)中斷源 可編程串行 UART 通道 低功耗空閑和掉電模式 AT89S52 的結(jié)構(gòu) 此次設(shè)計(jì)所使用的 AT89S52 的封裝形式是 DIP40。如圖 所示。 8 圖 AT89S52 的封裝形式 引腳功能： Vcc：電源電壓 GND：接地 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I／ 0 口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，對端口寫 “1”可作為高阻抗轉(zhuǎn)入端用。 Pl口： P1 是 —個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動 (吸收或輸出電流 )4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對端口寫 “1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因內(nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個(gè) 電萌。 P2 口： P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口， P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流 )4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對端口寫 “1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個(gè)電流。 P3口： ：①可以作為輸入 /輸出口，外接輸入 /輸出設(shè)備。②作為第二功能使用，每一位功能定義如表 所示。 9 表 P3 口的第二功能 端口引腳 第二功能 RXD(串行輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) INTO(外中斷 0) INT1(外中斷 1) TO(定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0) T1(定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1) WR(外部數(shù)據(jù) 存儲器 寫選通 ) RD(外部數(shù)據(jù) 存儲器 讀選 通 ) RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時(shí)， ALE(地址鎖存允許 )輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器， ALE 仍以時(shí)鐘振器頻率的 1／ 6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。 PSEN：程序存儲允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng) AT89S52由外部程序存儲器取指令 (或數(shù)據(jù) )時(shí)．每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù) 據(jù)存儲器，這兩次有效的 PSEN 信號不出現(xiàn)。 EA／ VPP： EA ＝ 0，單片機(jī)只訪問外部程序存儲器。 EA ＝ 1，單片機(jī)訪問內(nèi)部程序存儲器。 ． XTALI：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 ． XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 10 電源 電路 電源電路如圖 所示。本設(shè)計(jì)采用 USB 供電，使用按鍵開關(guān)控制電路通與斷，分別將 VCC 和 GND 接入電路中 圖 電源電路 時(shí)鐘電路 AT89S52 雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外接元件，所以實(shí)際構(gòu)成的振蕩時(shí)鐘電 路，外接晶振以及電容 C7 和 C10 構(gòu)成了并聯(lián)諧振電路接在放大器的反饋回路中，對接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會影響振蕩頻率的高低，振蕩器的穩(wěn)定性，起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。晶振的頻率可在~12MHZ 之間任選，電容 C7 和 C10 的典型值在 20pf~100pf 之間選擇，由于本系統(tǒng)用到定時(shí)器，為了方便計(jì)算，采用了 12M 的晶振，采用電容選擇 30pf，時(shí)鐘電路如圖 所示。 11 圖 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 AT89S52 的復(fù)位輸入引腳 RST 為單片機(jī)提供了初始化的手段，可以使程序從 指定處開始執(zhí)行，在 AT89S52 的時(shí)鐘電路工作后，只要 RST 引腳上出現(xiàn)超過兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，即可產(chǎn)生復(fù)位的操作，只要 RST 保持高電平，則 AT89S52 循環(huán)復(fù)位，只有當(dāng) RET 由高電平變成低電平以后， AT89S52 才從0000H 地址開始執(zhí)行程序，本系統(tǒng)采用按鍵復(fù)位方式的復(fù)位電路。復(fù)位電路如圖 所示。 圖 復(fù)位 電路 12 脈搏信號采集 目前脈搏波檢測系統(tǒng)有以下幾種檢測方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應(yīng)變式脈搏傳感器。近年來 , 光電檢測技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用 中發(fā)展很快 , 這主要是由于光能避開強(qiáng)烈的電磁干擾 , 具有很高的絕緣性 , 且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息 ,具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、精度高、可重復(fù)好等優(yōu)點(diǎn) [6]。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學(xué)儀器工作的專家和學(xué)者的重視 。 光電傳感器的原理 根據(jù)朗伯 比爾 (LamberBeer)定律， 物質(zhì)在一定波長處的吸光度和他的濃度成正比。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的結(jié)構(gòu)特征 [7]。 脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生的 ，在人體指尖組織中的動脈成分含量高，而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測到的光強(qiáng)相對較大，因此光電式脈搏傳感器的測量部位通常在人體指尖。 手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織，其中非血液組織的光吸收量是恒定的，而在血液中，靜脈血的搏動相對于動脈血是十分微弱的，可以忽略。因此可以認(rèn)為光透過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起的，那么在恒定波長的光源照射下，通過檢測透過手指的光強(qiáng)將可以間接測量到人體的脈搏信號 [7]。 光電傳感器的結(jié)構(gòu) 傳感器由紅外發(fā)光二級管和紅外接收 三極管組成。采用 GaAs 紅外發(fā)光二極管作為光源時(shí)，可基本抑制由呼吸運(yùn)動造成的脈搏波曲線的漂移。紅外接收三極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能，它的特性是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。在本設(shè)計(jì)中，紅外接收三極管和紅外發(fā)射二極管相對擺放以獲得最佳的指向特性。 從光源發(fā)出的光除被手指組織吸收以外，一部分由血液漫反射返回，其余部分透射出來。光電式脈搏傳感器按照光的接收方式可分為透射式和反射式 2 種 [8]。其中透射式的發(fā)射光源與光敏接收器件的距離相等并且對稱布置，接收的是透射光，這種方法可較好地反映出心律的時(shí)間關(guān)系。因此本系統(tǒng)采用了 指套式的透射型光電傳感器 , 實(shí)現(xiàn)了光電隔離 ,減少了對后級模擬電路的干擾。結(jié)構(gòu)如圖 所 13 示。 圖 透射式光電傳感器 光電傳感器檢測原理 檢測原理是 : 隨著心臟的搏動，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，組織半透明度則增大；這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯 [5]。因此本設(shè)計(jì)將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的手指部位，經(jīng)過手指組織的反射和衰減由裝在該部位旁邊的光敏三管來接收其透射光并把它轉(zhuǎn)換成電信號。由于手指動脈血在血 液循環(huán)過程中呈周期性的脈動變化，所以它對光的反射和衰減也是周期性脈動的 , 于是紅外接收三極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化。故只要把此電信號轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示 [9]，即可實(shí)時(shí)的測出脈搏的次數(shù)。 信號采集電路 圖 是脈搏信號的采集電路， L2， L3 分別是紅外發(fā)射和接收裝置，由于紅外發(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，所以對R6 阻值的選取要求較高。 R6 選擇 330Ω 同時(shí)也是基于紅外接收三極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。 R6 過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小， 紅外接收三極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時(shí)的信號。反之， R6 過小，通過的電流偏大，紅外接收三極管也不能準(zhǔn)確地辨別有脈搏和無脈搏時(shí)的信號。當(dāng)手指離開傳感器或檢測到較強(qiáng)的干擾光線時(shí)，輸入端的直流電壓會出現(xiàn)很大變化，為了使它不致泄露到U2B 輸入端而造成錯(cuò)誤指示，用 C2 耦合電容把它隔斷 [10]。 當(dāng)手指處于測量位置時(shí)，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，但是由于紅外接收三極管中存在暗電流，會造成輸出電壓略低。二是有脈期。當(dāng)有跳動的脈搏時(shí)，血脈使手指透光性變差，紅外接收三極管中的暗電流減小，輸出電壓上升。但該傳感器輸出信號的頻率很低，如當(dāng)脈搏只有為 50 次 /分鐘時(shí)，只有 ， 200 次 /分鐘時(shí)也只有 ，信號首先經(jīng) C6 濾除高頻干擾，再由耦合電容 C2 加到線性放大輸入端。 14 圖 信號采集電路 信號放大 由于人體的脈搏通常為 50~200 次 /分鐘，對 應(yīng)的頻率范圍在 ~之間，因此經(jīng)紅外檢測采集到并轉(zhuǎn)換得到的電信號頻率就非常低。為了防止信號因外界高頻信號干擾而使檢測結(jié)果有誤，信號就必須先進(jìn)行低通濾波，以便濾出絕大部分的高頻干擾。而且脈搏儀所使用的地點(diǎn)不能保證是陰暗的室內(nèi)，所以要考慮到強(qiáng)光對其測量的干擾。此外，低頻信號需要經(jīng)過多倍放大和整形，才能被主控模塊所接受和處理。 信號轉(zhuǎn)換模塊會使用到 LM358 運(yùn)算放大器。主要參數(shù)和特性如下： LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用 ，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。 [3] 特性 (Features): ? 內(nèi)部頻率補(bǔ)償 ? 直流電壓增益高 (約 100dB) ? 單位增益頻帶寬 (約 1MHz) 15 ? 電源電壓范圍寬：單電源 (3—30V) ? 雙電源 (177。 ——177。 15V) ? 低功耗電流，適合于電池供電 ? 低輸入偏流 ?