【導(dǎo)讀】信號(hào)放大、調(diào)理、整形輸出同步于脈搏跳動(dòng)的脈沖信號(hào)，從而計(jì)算出脈率?？梢?，脈搏測試儀的主要組成部分是計(jì)數(shù)器和數(shù)字顯示器。以6即得到每分鐘的心跳數(shù)，即使這樣做還是比較費(fèi)時(shí)，而且精度也不高。行連續(xù)檢測，本課題即針對這一需求，設(shè)計(jì)一臺(tái)簡易的脈搏檢測儀。血液容積脈搏血流中包含有心搏。紅外脈搏波采集操作簡便性能穩(wěn)定具有無創(chuàng)傷和適應(yīng)性。強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)因而受到國內(nèi)外醫(yī)學(xué)界的普遍重視。

　　

【正文】 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 。 圖 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(shí) 的 信 號(hào) 。 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(shí) 的 信 號(hào) 。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(shí) ， 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(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 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 ，仍 有 lμ A 的 暗 電 流 會(huì) 造 成 Vi 電 位 略 低于 。 二 是 有 脈 期 。 當(dāng) 有 跳 動(dòng) 的 脈 搏 時(shí) ， 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(hào) 的 拾 取 實(shí) 際 上 是 通 過 紅 外 接 收 二 極 管 ，在有 脈 和 無 脈 時(shí) 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(hào) 為 2μ V 左 右 的 電 壓 信 號(hào) 。 信號(hào)放大電路 按 人 體 脈 搏 在 運(yùn) 動(dòng) 后 最 高 跳 動(dòng) 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 所 示 。轉(zhuǎn) 折 頻 率 由 R0 C0 R08和 C05 決 定 ， 放 大 倍 數(shù) 由 R08 和 R06 的 比 值 決 定 。 15 R61 0 kR71 0 kR93 0 0 kR82 2 0 kC50 .4 7 u FC40 .1 u FI C 2 AT L C22 6 4C34 .7 u F2 .5 VViV o 1Vs 圖 43 低通濾波器圖 根據(jù)二 階 低 通 濾 波 器 的 傳 遞 函 數(shù) ， 可 得 050408070807060420504080706081011)111(1)()(CCRRRRRCSSCCRRRRSVSV?????? 放 大 倍 數(shù) 為 H=R08/R06 =22 取 倍 零 頻 增 益 計(jì) 算 高 頻 轉(zhuǎn) 折 頻 率 ，即 fH = 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 ： 1111)()(0406030404061 ????? sCRCCsCRSVSV S 由此可 見 ， C03 沒 有 影 響 頻 率 特 性 的 分 析 ， 它 的 作 用 只 是 隔 直 。 二級放大電路和比較電路 二 級 放 大 器 兼 比 較 器 如 圖 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 ，在 V左 右 。 所 以 將 比 較 器 的 閾 值 電 壓 設(shè) 計(jì) 成 V， 以 確 保 濾 除 干 擾 信 號(hào) 。 16 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 。 R 1 61 0 kR 1 61 0 kR 1 23 9 kR43 9 kC60 .1 u F321411I C 2 B 321411I C 2 CT L C22 6 4V C CR P 1 15 0 0 kR P 1 21 0 k2 .5 vV o 1AB 圖 44 二級放大器和 比 較 器 圖 波形整形部分 波 形 整 形 電 路 如 圖 所 示 ， IC3A 是 CD4528 型 單 穩(wěn) 態(tài) 多 諧 振 蕩 器 ，有效 脈 寬 為 s． 其 寬 度 由 R22 和 C20 決定。 IC3B 也 組 成 一 個(gè) 單 穩(wěn) 態(tài)多 諧 振 蕩 器 ，脈 寬 為 240ms。 D Dl 和 T3 等 組 成 一 個(gè) 或 非 門 ，只 有 C，E 兩 點(diǎn) 均 為 低 電 平 時(shí) ，信 號(hào) 放 大 器 整 機(jī) 輸 出 才 是 高 電 平 。設(shè) 計(jì) 這 個(gè) 電 路的 目 的 是 為 了 在 輸 出 端 輸 出 一 個(gè) 窄 脈 沖 ，并 且 要 在 由 R13 和 C07 決 定 的時(shí) 間 內(nèi) 任 何 信 號(hào) 都 不 會(huì) 干 擾 輸 出 。 R23 和 C21 充 電 時(shí) 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(shí) 序 如 圖 所 示 。 17 VCCR 2 22 0 kR 2 32 2 kR 2 41kR 2 54 7 0R 2 41 4 . 7 kR 1 31MR 2 61 0 kC 2 10 .0 1 u FC 2 00 .1 u FD14 1 4 8D34 1 4 8D24 1 4 8C71uFT39 0 1 4RC2CX1+T4T5R3Q6Q7I C 3 A4 5 2 8RC2CX1+T4T5R3Q6Q7I C 3 B4 5 2 8BVCCVCCVCCCED記數(shù)脈沖 圖 45 波形整形線路 圖 顯示器設(shè)計(jì) 經(jīng) 過 譯 碼 器 譯 碼 ，輸 出 信 號(hào) 為 七 段 顯 示 代 碼 ，輸 入 到 七 段 數(shù) 碼 顯 示 管 中即 可 實(shí) 現(xiàn) 顯 示 功 能 。采 用 半 導(dǎo) 體 數(shù) 碼 管 BS201A 顯 示 ，數(shù) 碼 管 引 腳 如 下 ： 圖 46 數(shù)碼管引腳 圖 端為 顯 示 數(shù) 碼 管 的 小 數(shù) 點(diǎn) 位 ， 本 方 案 中 不 需 用 。 BS201A 的 數(shù) 碼管 有 輸 出 位 ，將 其 接 地 。這 里 控 制 的 接 地 與 否 可 控 制 LED 的 導(dǎo) 通 與斷開， 即 控 制 每 一 個(gè) BS201A 的 亮 滅 。 在 計(jì) 數(shù) 器 中 ， 有 DS1,DS2,DS3 三個(gè) 控 制 個(gè) 位 十 位 和 百 位 的 輸 出 端 口 ，通 過 這 三 個(gè) 輸 出 口 的 輸 出 信 號(hào) 控 制三極管 開 關(guān) 的 導(dǎo) 通 與 斷 開 即 可 實(shí) 現(xiàn) 三 個(gè) BS201A 依 次 顯 示 各 位 十 位 和 百位。 三 極 管 選 擇 A781,A781 是 PNP 型 三 極 管 主 要 功 用 為 開 關(guān) ，主 要 參 數(shù)是工作 電 壓 20V,工 作 電 流 。 18 整體電路 電路由 傳 感 器 電 路 、 信 號(hào) 放 大 和 整 形 電 路 、 單 片 機(jī) 電 路 、 數(shù) 碼 顯 示電 路 等 部 分 組 成 。 傳 感 器 主 要 由 紅 外 線 發(fā) 射 二 極 管 和 接 收 二 極 管 組 成 ，測 量 的 原 理 如 下 ：將 手 指 放 在 紅 外 線 發(fā) 射 二 極 管 和 接 收 二 極 管 中 間 ，隨著 心 臟 的 跳 動(dòng) ，血 管 中 血 液 的 流 量 將 發(fā) 生 變 化 。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 二 極 管 的 電 流 也 跟 著 改 變 ，這 就 導(dǎo) 致 紅 外接收二 極 管 輸 出 脈 沖 信 號(hào) 。 脈 沖 信 號(hào) 由 F1~F R3~R C C2 等 組 成的低通 放 大 器 進(jìn) 行 放 大 ， 再 經(jīng) 由 F R R C3 組 成 的 放 大 器 進(jìn) 一 步放 大 ，其 輸 出 信 號(hào) 送 給 由 F F RP R8 等 組 成 的 施 密 特 觸 發(fā) 器 進(jìn) 行整形后 輸 出 ， 輸 出 的 脈 沖 信 號(hào) 作 為 單 片 機(jī) 的 外 部 中 斷 信 號(hào) 。 可 變 電 阻RP1 用來 調(diào) 整 施 密 特 觸 發(fā) 器 的 閥 值 電 壓 ， 從 而 調(diào) 整 電 路 的 靈 敏 度 。 AT89C205 X R C5 等 組 成 單 片 機(jī) 電 路 。 單 片 機(jī) 電 路 對 輸入的 脈 沖 信 號(hào) 進(jìn) 行 計(jì) 算 處 理 后 把 結(jié) 果 送 到 數(shù) 碼 管 顯 示 。 發(fā) 光 二 極 管VD3 作脈 搏 測 量 狀 態(tài) 顯 示 ， 脈 搏 每 跳 動(dòng) 一 次 發(fā) 光 二 極 管 就 點(diǎn) 亮 一 次 。 數(shù)碼管 DS1~DS VT1~VT R12~R21 等 組 成 數(shù) 碼 顯 示 電 路 。 本 機(jī) 采用動(dòng)態(tài) 掃 描 顯 示 的 方 式 ， 使 用 共 陽 數(shù) 碼 管 ， 口 作 三 個(gè) 數(shù) 碼管 的 動(dòng) 態(tài) 掃 描 位 驅(qū) 動(dòng) 碼 輸 出 ， 通 過 三 極 管 驅(qū) 動(dòng) 數(shù) 碼 管 。 口作數(shù)碼顯 示 七 段 筆 劃 字 形 碼 的 輸 出 ， 用 以 驅(qū) 動(dòng) 數(shù) 碼 管 的 各 字 段 。 19 5 軟件分析 來自傳 感 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 兩次脈沖 間 的 時(shí) 間 進(jìn) 行 運(yùn) 算 得 出 心 率 ， 通 過 P1 口 把 結(jié) 果 送 到 數(shù) 碼 管 顯 示出 來 。同 時(shí) ，對 每 次 脈 沖 的 到 來 均 響 鈴 ，與 脈 搏 同 步 。這 樣 ，就 可 以 通過聲光 的 形 式 形 象 地 把 脈 搏 的 快 慢 顯 示 出 來 。 為 避 免 干 擾 的 影 響 ， 單 片 機(jī) 對 兩 個(gè) 脈 沖 之 間 的 時(shí) 間 間 距 進(jìn) 行 檢 測 ，若發(fā)現(xiàn) 有 干 擾 則 忽 略 該 干 擾 而 不 顯 示 。 本 測 試 器 的 有 效 測 量 范 圍 為 50次－ 199 次 /分 鐘 。 本 部 分 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 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 。 程序用 單 片 機(jī) 語 言 編 寫 ， 由 主 程 序 、 外 部 中 斷 服 務(wù) 程 序 、 定 時(shí) 器T1 中斷 服 務(wù) 程 序 、 延 時(shí) 子 程 序 等 模 塊 組 成 。 主 程 序 主 要 完 成 程 序 的 初始 化 。外 部 中 斷 1 服 務(wù) 程 序 由 信 號(hào) 判 斷 、計(jì) 算 、合 理 近 似 、顯 示 輸 出 等部 分 組 成 。定 時(shí) 中 斷 服 務(wù) 程 序 由 計(jì) 時(shí) 、計(jì) 數(shù) 、無 效 測 試 信 號(hào) 判 斷 等 部 分組成。 程 序 中 用 變 量 NUM 對 脈 搏 脈 沖 信 號(hào) 個(gè) 數(shù) 計(jì) 數(shù) 。 主程序流程圖 心 率 測 量 程 序 設(shè) 計(jì) 由 兩 部 分 構(gòu) 成 ， 前 半 段 實(shí) 現(xiàn) 初 始 化 ， 報(bào) 考 定 時(shí) 器 /計(jì)數(shù) 器 的 初 始 化 、設(shè) 置 堆 棧 指 針 以 及 開 中 斷 等 。程 序 的 后 半 段 則 是 啟 動(dòng) 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 以 及 調(diào) 用 顯 示 子 程 序 來 完 成 心 率 值 得 顯 示 開始 設(shè)置堆 棧 指 針 開中斷 調(diào)入數(shù) 值 比較 顯示 顯示緩 沖 區(qū) 清 零 定時(shí)器 /計(jì) 數(shù) 器 初 始化 結(jié)束 脈搏計(jì)測量 流 程 圖 20 T1 中斷服務(wù)程序 從 口 輸 入 的 與 脈