【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ， 近 年 來(lái) , 光電檢測(cè)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(kāi)強(qiáng)烈的電磁干擾 , 具有很高的絕緣性 , 且可非侵入地檢測(cè)病人各種癥狀信 息 。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 。 本次 畢業(yè) 設(shè) 計(jì) 中 是 利 用 光 電 式 傳 感 器 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 脈 搏 信 號(hào) 的 采 樣 。 本設(shè) 計(jì) 思 路 為 ： 采 用 傳 感 器 ，量 脈 搏 的 跳 動(dòng) ，出 微 弱 的 信 號(hào) ，入 放 大 器 中放 大 ；后 通 過(guò) 濾 波 器 濾 除 干 擾 信 號(hào) 后 ，將 形 整 形 為 方 波 或 脈 沖 信 號(hào) ；后經(jīng) 過(guò) 倍 頻 器 增 加 信 號(hào) 的 頻 率 ，輸 入 計(jì) 數(shù) 器 中 計(jì) 數(shù) ，時(shí) 通 過(guò) 定 時(shí) 器 控 制 計(jì)數(shù) 的 時(shí) 間 ，后 得 出 一 分 鐘 內(nèi) 脈 搏 次 數(shù) 即 為 心 率 。計(jì) 數(shù) 器 計(jì) 數(shù) 值 輸 入 到 顯示 器 中 顯 示 ，同 時(shí) ，將 其 輸 入 到 數(shù) 值 器 中 與 比 較 器 預(yù) 設(shè) 值 即 標(biāo) 準(zhǔn) 值 作 比較，若 ， 測(cè) 量 值 不 在 標(biāo) 準(zhǔn) 值 范 圍 內(nèi) 則 報(bào) 警 ， 即 LED 燈 亮 。 本方案 的 整 體 流 程 圖 ， 如 下 ： 5 圖 21 方案整體流 程 圖 目 前 典 型 的 脈 搏 傳 感 器 有 以 下 三 種 ：光 電 類 、壓 阻 類 和 壓 電 類 。在 這 三種 當(dāng) 中 目 前 采 用 最 多 的 是 壓 電 型 傳 感 器 ，而 本 文 采 用 了 光 電 傳 感 器 ，光電 傳 感 器 的 研 究 有 著 更 為 深 遠(yuǎn) 的 應(yīng) 用 ， 光 電 容 積 血 流 脈 搏 波 描 記 （ PPG）信 號(hào) 可 以 敏 感 反 映 末 梢 循 環(huán) 的 細(xì) 微 變 化 ,臨 床 監(jiān) 測(cè) 領(lǐng) 域 致 力 于 研 究 如 何通過(guò) PPG 波 形 圖 的 變 化 調(diào) 控 人 體 神 經(jīng) 功 能 的 平 衡 ,以 維 持 全 身 循 環(huán) 血 流的 生 物 醫(yī) 學(xué) 工 程 與 臨 床 。 本 心 率 計(jì) 采 用 紅 外 光 學(xué) 檢 測(cè) 法 ，摒 棄 了 不 便 于運(yùn) 動(dòng) 狀 態(tài) 下 測(cè) 量 脈 搏 的 聽(tīng) 診 器 和 吸 附 在 人 體 上 的 電 極 等 老 式 測(cè) 量 方 法 。 方案 及 傳感器的選擇 方案論證 正 常 人 的 脈 搏 次 數(shù) 是 每 分 鐘 60～ 90 次（ 嬰 兒 為 90～ 120 次 ,老年人則為 100～ 150 次 ), 這種頻率 信 號(hào) 屬 于 低 頻 范 疇 .因此 ,脈 搏 測(cè) 試 儀 是用來(lái)測(cè) 量 低 頻 信 號(hào) 的 裝 置 ,它 的 基 本 功 能 要 求 是 : 要 把 人 體 的 脈 搏 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 成 電 信 號(hào) ,這 就 需 要 借 助 傳 感 器 。對(duì) 轉(zhuǎn) 換 后 的電 信 號(hào) 要 進(jìn) 行 放 大 、濾 波 和 整 形 處 理 ，以 保 證 后 續(xù) 電 路 能 正 常 對(duì) 其 進(jìn) 行傳感器 放大器 濾波器 整形電路 倍頻器 計(jì)數(shù)器 定時(shí)器 顯示器 比較器 報(bào)警 6 進(jìn) 一 步 的 加 工 和 處 理 。脈 搏 測(cè) 試 儀 要 能 在 15 秒 左 右 測(cè) 出 脈 搏 跳 動(dòng) 次 數(shù) ，并 作 出 是 否 報(bào) 警 的 判 斷 。報(bào) 警 的 上 、 下限 及 對(duì) 象 選 擇 可 以 通 過(guò) 多 路 開(kāi) 關(guān)調(diào)節(jié) 。 總 之 ， 脈 搏 測(cè) 試 儀 的 核 心 是 要 對(duì) 低 頻 信 號(hào) 在 固 定 的 短 時(shí) 間 計(jì) 數(shù) ，最 后 以 數(shù) 字 形 式 顯 示 出 來(lái) ?？?見(jiàn) ，脈 搏 測(cè) 試 儀 的 主 要 組 成 部 分 是 計(jì) 數(shù) 器和數(shù)字 顯 示 器 。 方案設(shè)計(jì) 脈搏測(cè) 試 儀 的 上 述 功 能 要 求 ， 可 采 用 了 二 種 不 同 的 方 案 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) ： 方 案 一 ：把 轉(zhuǎn) 換 為 電 信 號(hào) 的 脈 搏 信 號(hào) ，在 單 位 時(shí) 間 N 內(nèi)（ 如 15 秒）進(jìn) 行 計(jì) 數(shù) ，完 成 后 將 計(jì) 數(shù) 結(jié) 果 通 過(guò) 乘 法 器 乘 以 系 數(shù) 60/N（如 60247。 15=4）并用數(shù) 字 顯 示 其 計(jì) 算 后 的 值 ， 從 而 得 到 每 分 鐘 的 脈 搏 數(shù) 。 方案二 ：該 種 方 案 和 第 一 種 有 一 點(diǎn) 類 似 ，其 差 別 在 于 該 方 案 采 用 的是 倍 頻 的 方 式 求 取 脈 搏 數(shù) 。在 單 位 時(shí) 間 15 秒 內(nèi) 進(jìn) 行 計(jì) 數(shù) ，由 于 15 秒是一 分 鐘 的 1/4，所 以 理 想 情 況 下 60 秒 內(nèi) 測(cè) 得 的 脈 搏 數(shù) 是 15 秒 內(nèi) 測(cè) 得 值的 4 倍 。 所 以 可 以 通 過(guò) 對(duì) 被 測(cè) 脈 搏 波 進(jìn) 行 細(xì) 分 （ 即 4 倍 頻 ）， 從 而 通 過(guò)計(jì)數(shù)器 在 15 秒 內(nèi) 所 得 計(jì) 數(shù) 結(jié) 果 就 是 一 分 鐘 的 脈 搏 數(shù) 。 方案驗(yàn)證 這二 種 方 案 比 較 起 來(lái) ， 第 一 種 方 案 比 較 直 觀 ， 但 精 度 較 低 ， 如 果 計(jì)數(shù) 時(shí) 間 是 15 秒 最 大 時(shí) 誤 差 為 177。 4 次 ，而 且 電 路 結(jié) 構(gòu) 需 要 乘 法 器 ，乘 法 器芯 片 難 尋 ，電 路 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 ；第 二 種 方 案 直 觀 ，電 路 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ，且 精 度 較第 一 種 方 案 高 ， 但 由 于 采 用 倍 頻 電 路 其 精 度 已 提 高 到 177。 1 次 ， 完 全 滿 足設(shè) 計(jì) 要 求 。為 了 使 脈 搏 測(cè) 試 儀 輕 巧 而 便 宜 ，且 有 較 高 精 度 通 常 采 用 第 二種方案 ， 本 文 的 設(shè) 計(jì) 就 基 于 這 一 方 案 。 總體方案介紹 本 設(shè) 計(jì) 采 用 了 第二 種 方 案 ， 選 用 該 種 方 案 的 原 因 是 電 路 容 易 實(shí) 現(xiàn) ，各 部 分 造 價(jià) 較 低 ，滿 足 精 度 要 求 。該 方 案 選 用 HKG07系 列 紅 外 脈 搏 傳 感器 ， 光 電 式 脈 搏 傳 感 器 由 于 采 用 不 同 的 光 敏 元 件 有 著 多 種 實(shí) 現(xiàn) 方 法 , 其中 光 敏 元 件 主 要 有 光 敏 電 阻 、光 敏 二 極 管 、光 敏 三 極 管 和 硅 光 電 池 。在傳統(tǒng)的 光 電 式 脈 搏 傳 感 器 設(shè) 計(jì)中 , 通常采 用 的 是 獨(dú) 立 光 敏 元 件 , 利用半導(dǎo)體 的 光 電 效 應(yīng) 改 變 輸 出 的 電 流 , 通常光敏 元 器 件 輸 出 的 電 流 極 低 , 容易受 到 外 界 干 擾 , 而且對(duì)后 續(xù) 的 放 大 器 的 要 求 比 較 嚴(yán) 格 , 需要放大器空載 時(shí) 的 電 流 輸 出 較 小 , 避免放 大 器 空 載 輸 出 電 流 對(duì) 脈 搏 信 號(hào) 測(cè) 量的干擾 , 這 樣 對(duì) 于 普 通 的 放 大 器 就 不 能 直 接 應(yīng) 用 在 光 敏 元 件 的 后 端 。在本文中 , 采用一種 新 型 的 光 敏 元 件 OPT101 , 該元件將 感 光 部 件 和 放 大器集成 在 同 一 個(gè) 芯 片 內(nèi) 部 , 這種集 成 化 的 設(shè) 計(jì) 方 式 有 效 地 克 服 了 后 端運(yùn)算放 大 器 空 載 電 流 輸 出 對(duì) 光 敏 部 件 輸 出 電 流 的 影 響 , 而且芯 片 輸 出的電壓 信 號(hào) 可 以 通 過(guò) 外 部 的 精 密 電 阻 進(jìn) 行 調(diào) 節(jié) , 有利于芯 片 適 應(yīng) 整 體的 電 路 設(shè) 計(jì) , 同 時(shí) 芯 片 的 集 成 化 設(shè) 計(jì) 也 能 夠 減 小 系 統(tǒng) 的 功 耗 。光 電 式 脈搏 傳 感 器 主 要 由 光 源 、 光 敏 器 件 , 以 及 相 應(yīng) 的 信 號(hào) 調(diào) 理 控 制 電 路 構(gòu) 成 ，脈搏信 號(hào) 主 要 由 動(dòng) 脈 血 的 充 盈 引 起 , 而血液中 還 原 血 紅 蛋 白 ( Hb) 和氧合血 紅 蛋 白 ( HbO2 ) 含量變 化 將 造 成 透 光 率 的 變 化 , 當(dāng)氧合血 紅 蛋 7 白和還 原 血 紅 蛋 白 對(duì) 光 的 吸 收 量 相 等 時(shí) , 透射光 的 強(qiáng) 度 將 主 要 由 動(dòng) 脈血 管 的 收 縮 和 舒 張 引 起 , 此 時(shí) 能 夠 比 較 準(zhǔn) 確 地 反 映 出 脈 搏 信 號(hào) 。 由 于 我們 需 要 在 十 五 秒 內(nèi) 完 成 脈 搏 計(jì) 數(shù) ，在 這 里 我 們 采 用 了 倍 頻 的 方 式 。 由于15秒是 一 分 鐘 的 1/4， 所 以 理 想 情 況 下 60秒 內(nèi) 測(cè) 得 的 脈 搏 數(shù) 是 15秒 內(nèi) 測(cè)得值的 4倍 。 所 以 可 以 通 過(guò) 對(duì) 被 測(cè) 脈 搏 波 進(jìn) 行 細(xì) 分 （ 即 4倍 頻 ）， 從 而 通過(guò)計(jì)數(shù) 器 在 15秒 內(nèi) 所 得 計(jì) 數(shù) 結(jié) 果 就 是 一 分 鐘 的 脈 搏 數(shù) 。 本 設(shè) 計(jì) 運(yùn) 用 了 ATMEL 公司的 89C2051 單 片 機(jī) 作 核 心 元 件 ，在 這 里 運(yùn)用 了 單 片 機(jī) 能 更 快 更 準(zhǔn) 確 地 對(duì) 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 運(yùn) 算 ，而 且 可 根 據(jù) 實(shí) 際 情 況 進(jìn) 行編 程 ，所 用 外 圍 元 件 少 ， 輕 巧 省 電 ，故 障 率 低 。 ULN2021 為 內(nèi) 置 達(dá) 林 頓管 集 成 電 路 ， 作 動(dòng) 態(tài) 掃 描 時(shí) 的 選 通 驅(qū) 動(dòng) 用 。 220Ω 排 阻 作 限 流 用 ， 維 持?jǐn)?shù) 碼 管 正 常 顯 示 。 本 部 分 電 源 電 壓 為 ＋ 5V 穩(wěn) 壓 。 來(lái) 自 傳 感 器 和 整 形 輸出 電 路 的 脈 沖 電 平 輸 入 單 片 機(jī) 89C2051 的 腳 ， 單 片 機(jī) 設(shè) 為 負(fù) 跳 變中 斷 觸 發(fā) 模 式 ，故 每 次 脈 沖 下 降 沿 到 達(dá) 時(shí) 觸 發(fā) 單 片 機(jī) 產(chǎn) 生 中 斷 并 進(jìn) 行 計(jì)時(shí) ；當(dāng) 下 一 次 脈 沖 的 下 降 沿 到 達(dá) 時(shí) ，單 片 機(jī) 對(duì) 兩 次 脈 沖 間 的 時(shí) 間 進(jìn) 行 運(yùn)算 得 出 心 率 ， 通 過(guò) P1 口 把 結(jié) 果 送 到 數(shù) 碼 管 顯 示 出 來(lái) 。 同 時(shí) ， 對(duì) 每 次 脈沖 的 到 來(lái) 均 響 鈴 ，與 脈 搏 同 步 。這 樣 ，就 可 以 通 過(guò) 聲 光 的 形 式 形 象 地 把脈 搏 的 快 慢 顯 示 出 來(lái) 。為 避 免 干 擾 的 影 響 ，單 片 機(jī) 對(duì) 兩 個(gè) 脈 沖 之 間 的 時(shí)間間距 進(jìn) 行 檢 測(cè) ， 若 發(fā) 現(xiàn) 有 干 擾 則 忽 略 該 干 擾 而 不 顯 示 。 血液波動(dòng)檢測(cè)電路首先通過(guò)紅外光電傳感器把血液中波動(dòng)的成分檢 測(cè) 出 來(lái) ，然 后 通 過(guò) 電 容 器 耦 合 到 放 大 器 的 輸 入 端 。 紅 外 接 收 二 極 管 和型 紅 外 發(fā) 射 二 極 管 工 作 波 長(zhǎng) 都 是 9 4 0 n m， 本 文 論 述 的 是 脈 搏 波 的 采 集的 方 法 ， 但 在 實(shí) 際 應(yīng) 用 中 可 采 用 現(xiàn) 有 的 集 成 光 電 傳 感 器 。 HKG07 系列紅 外 脈 搏 傳 感 器 是 集 紅 外 線 發(fā) 射 管 、接 收 管 為 一 體 的 器 件 ，工 作 時(shí) 把 探頭 貼 在 手 指 上 ，力 度 要 適 中 。紅 外 線 發(fā) 射 管 發(fā) 出 的 紅 外 線 穿 過(guò) 動(dòng) 脈 血 管經(jīng)手指指骨反射回來(lái)，反射回來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度隨著血液流動(dòng)的變化而變化 ， 接 收 管 把 反 射 回 來(lái) 的 光 信 號(hào) 變 成 微 弱 的 電 信 號(hào) ， 并 通 過(guò) C1 耦合到放大器 。 8 3 系統(tǒng) 技術(shù)基礎(chǔ) AT89C2051 主要性能 AT89C2051 是 ATMEL 公 司 生 產(chǎn) 的 帶 2K 字 節(jié) 閃 速 可 編 程 可 擦 除 只 讀存儲(chǔ)器 (EEPROM)的 8 位 單 片 機(jī) ,它 具 有 如 下 主 要 特 性 ： （ 1）和 MCS51 產(chǎn) 品 的 兼 容 （ 2） 2K 字 節(jié) 可 重 編 程 閃 速 存 儲(chǔ) 器 （ 3）耐 久 性 ： 1,000 寫(xiě) ／ 擦 除 周 期 （ 4） ～ 6V 的 操 作 范 圍 （ 5）全 靜 態(tài) AT89C2051 的結(jié)構(gòu)框圖 AT89C2051 是一帶有 2K 字 節(jié) 閃 速 可 編 程 可 擦 除 只 讀 存 儲(chǔ) 體 (EEPROM)的 低 電 壓 ,高 性 能 8 位 CMOS 微 型 計(jì) 算 機(jī) 。如 圖 所 示 。它 采 用 ATMEL的 高 密 非 易 失 存 儲(chǔ) 技 術(shù) 制 造 并 和 工 業(yè) 標(biāo) 準(zhǔn) MCS— 51 指 令 集 和 引 腳 結(jié) 構(gòu)兼 容 。 通 過(guò) 在 單 塊 芯 片 上 組 合 通 用 的 CPL1 和 閃 速 存 儲(chǔ) 器 ,ATMEL AT89C2051 是 一 強(qiáng) 勁 的 微 型 計(jì) 算 機(jī) ,它 對(duì) 許 多 嵌 入 式 控 制 應(yīng) 用 提 供 一 高度靈活 和 成 本 低 的 解 決 辦 法 。 圖 31 AT89C2051 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 9 此外 ,從 AT89C2051 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 圖 也 可 看 出 ,其 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 與 8051 內(nèi)部結(jié) 構(gòu) 基 本 一 致 （ 除 模 擬 比 較 器 外 ）