【正文】 了方便、快速、準(zhǔn)確地測量心率的目的。第 2 頁 共 47 頁 國內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢早在 1860 年 Vierordt 創(chuàng)建了第一臺(tái)杠桿式脈搏描記儀 [3]，國內(nèi) 20 世紀(jì) 50 年代初朱顏將脈搏儀引用到中醫(yī)脈診的客觀化研究方面。以下按脈象儀探頭的形式，傳感器的特點(diǎn)及研制者作一簡單的歸納 [4]，詳見表 11。脈搏測量儀的發(fā)展主要向以下幾個(gè)趨勢發(fā)展： (1) 自動(dòng)測量脈搏并且對(duì)所得到的脈搏進(jìn)行自動(dòng)分析。因此，未來脈搏自動(dòng)檢測的內(nèi)容將更加詳細(xì)，自動(dòng)分析診斷功能也更強(qiáng)大。隨著數(shù)字科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測量儀集成度將更高，更便于攜帶。（3）多功能化越來越明顯目前的脈搏測量儀，一般都具有測試血氧，心電圖等等功能，單純的脈搏測量儀已經(jīng)很少見。 課題研究難點(diǎn)由于人體的脈搏信號(hào)具有頻率低、幅度小干擾大，不穩(wěn)定度低，隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得對(duì)脈搏信號(hào)的采集放大電路的設(shè)計(jì)提出了很嚴(yán)格的要求，尤其是抗干擾變?yōu)槭种匾?，需要設(shè)計(jì)低通濾波器進(jìn)行濾波。 抗干擾（1） 工頻 50HZ 干擾及其各次諧波使用頻率為 50HZ 的市電的電子儀器設(shè)備會(huì)對(duì)檢測系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，其幅值大約是脈搏信號(hào)峰峰值的 50%,是主要的干擾源（2） 肌電干擾肌肉的收縮會(huì)產(chǎn)生微伏級(jí)的電勢，其幅值大約是脈搏信號(hào)峰峰值的 10％，維持時(shí)間大約是 50ms，頻帶范圍可以在 0HZ~10000HZ。呼吸所引起的 ECG 信號(hào)的幅度的變化可以達(dá)到 15％。 低噪聲、低漂移在脈搏信號(hào)放大器中，由于增益較高，噪聲和漂移是兩個(gè)較重要的參數(shù)。為了獲得一定信噪比的輸出信號(hào)，對(duì)放大器的低噪聲性能有嚴(yán)格要求。而脈搏信號(hào)具有很低的頻率成分，為了能正常測量，必須采取措施來限制放大器的漂移。 課題主要研究內(nèi)容正常人的脈搏次數(shù)是每分鐘 60～80 次（嬰兒為 90～140 次,老年人則為 100～150次), ,脈搏測量儀是用來測量低頻信號(hào)的裝置,它的基本功能要求應(yīng)該是:（1）要把人體的脈搏數(shù)(振動(dòng))轉(zhuǎn)換成電信號(hào),這就需要借助傳感器。（3）在很短的時(shí)間（若干秒）內(nèi)，測出經(jīng)放大后的電信號(hào)頻率值。可見，脈搏測量儀的主要組成部分是計(jì)數(shù)器和數(shù)字顯示器。（2）測量脈搏跳動(dòng)固定次數(shù)（比如 5 次，10 次）所需的時(shí)間，然后轉(zhuǎn)換為每分鐘的脈搏數(shù) [7]。本設(shè)計(jì)采用第二種方案?？紤]到系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，有兩種方案可以實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)的框圖如下圖 所示圖 純硬件脈搏測量儀框圖方案二：使用單片機(jī)電路來實(shí)現(xiàn)。使用該方案其框圖如下圖圖 所示。方案一由于使用純硬件方式，系統(tǒng)穩(wěn)定度比較高。而單片機(jī)方案有較大的活動(dòng)空間，不但能實(shí)現(xiàn)所要求的功能而且能在很大的程度上擴(kuò)展功能，而且還可以方便的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，所以我們采用后一種方案。這種傳感器采用接扣與敏感區(qū)分離的方法,能明顯的減少由于人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾。當(dāng)選用電極傳感器時(shí),需要 3 個(gè)電極分別置于左右手和左腿,構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)。目前市場上有一種采用新型高分子壓電材料聚偏氟乙烯研制的壓電傳感器,其靈敏度高,頻帶范圍好,結(jié)構(gòu)簡單,便于使用。（2）光電式傳感器血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比血液中大幾十倍，據(jù)此特點(diǎn)，采用光電效應(yīng)手指脈搏傳感器 [8][9]來拾取脈搏信號(hào)。指端血管的容積和透光度隨心搏改變時(shí)，將使光電三極管極管收到不同的光強(qiáng)，并由此產(chǎn)生的光電流均隨之作相應(yīng)變化。采用紅外對(duì)管。采用反射式的紅外管。接收的是血液漫反射回來的光，此信號(hào)可以精確地測得血管內(nèi)容積變化。缺點(diǎn)第 7 頁 共 47 頁是價(jià)格非常昂貴，一般均在五百元以上。缺點(diǎn)：外部光源的變化對(duì)測量結(jié)果的影響較大； 需要購買專門的醫(yī)用光電傳感器，價(jià)格較貴且不易購買； 對(duì)這樣的器件接觸很少，對(duì)其進(jìn)行調(diào)試時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)較大困難。缺點(diǎn)：直接與人體相接觸，容易因?yàn)槿梭w肌肉的顫動(dòng)等而產(chǎn)生干擾。（3）集成式:優(yōu)點(diǎn):集成度高,包含了濾波,放大電路,可以直接輸出信號(hào) ,便于操作,有效的減少了各種干擾?？紤]到種種情況，結(jié)合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求以及經(jīng)費(fèi)的考慮，最終選擇壓電式傳感器。壓電陶瓷片 [12][13]的外觀和電路符號(hào)如下圖 所示。外部壓力作用于銅片時(shí)，壓電陶瓷就可以感受壓力而產(chǎn)生電信號(hào)，并最終通過鍍銀層將該信號(hào)輸出。圖 壓電陶瓷片的符號(hào)及外觀第 8 頁 共 47 頁由于壓電陶瓷片的資料比較少，為了確定使用該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)本次設(shè)計(jì)的目的，先要對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，來確定它的輸出電壓是否符合要求。表 21 壓電陶瓷片輸出電壓測試表壓力(N) 輸出電壓(mV) 由于只需要 4mv5mv 左右的電壓輸出，就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求 [14]。 單片機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)作為一個(gè)簡單脈搏測量儀，最后需給出脈搏波動(dòng)頻率。（1）AVR 單片機(jī)AVR 單片機(jī) [15][16]是 ATMEL 公司生產(chǎn)的單片機(jī)。相對(duì)于出現(xiàn)較早也較為成熟的 51 系列單片機(jī)，AVR 系列單片機(jī)片內(nèi)資源更為豐富，接口也更為強(qiáng)大，同時(shí)由于其價(jià)格低等優(yōu)勢，在很多場合可以替代 51 系列單片機(jī)。AVR 單片機(jī)如 LPC2131 等。micro。圍繞 micro。micro。采用的是模塊式集成結(jié)構(gòu)，它以amp?！痭SP 內(nèi)核為中心集成不同規(guī)模的 ROM PAM 和功能豐富的各種外設(shè)部件。micro。除此之外的其它功能模塊均為可選結(jié)構(gòu)。amp?！痭SP 家族有有以下特點(diǎn)：體積小 ，集成度高，可靠性好易于擴(kuò)展。micro。內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，因?yàn)闇p少了各功能部件之間的連接，提高了其可靠性和抗干擾能力，另外，模塊化的結(jié)構(gòu)易于系列的擴(kuò)展，以適應(yīng)不同用戶的需求。μ’nSPTM 家族的中斷系統(tǒng)支持 10 個(gè)中斷向量及 10 余個(gè)中斷源，適合實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域。如 SPCE061 等。該系列單片機(jī)的始祖是 Intel 的 8031 單片機(jī)，后來隨著 Flash rom 技術(shù)的發(fā)展，8031 單片機(jī)取得了長足的進(jìn)展，成為目前應(yīng)用最廣泛的 8 位單片機(jī)之一，其代表型號(hào)是 ATMEL 公司的AT89 系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。51 單片機(jī)是基礎(chǔ)入門的一個(gè)單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。它具有結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，易于開發(fā)的特點(diǎn)。但是其功能相對(duì)較少，訪問外部數(shù)據(jù)有瓶頸，作電壓范圍窄。而對(duì) 51 單片機(jī)，本人比較熟悉，所以，本設(shè)計(jì)中選擇 51 單片機(jī)作為信息處理中心。AT89S51 就是其中一款，它可以完全滿足本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，而且，AT89S51 的價(jià)格較低。由于傳感器輸出的電壓比第 10 頁 共 47 頁較小，在幾毫伏左右，且頻率較低，需要低噪聲，低漂移，高輸入阻抗的放大器，所以選擇使用儀表放大器。因此還需要另一個(gè)放大器。這部分電路的框圖如圖 所示?？梢钥闯鰷y量 fx 必須將 N 或 t 兩個(gè)量之一作為閘門或基準(zhǔn)，對(duì)另一個(gè)量進(jìn)/fxNt?行測量。（1）周期測量法：適用于低頻信號(hào)。被測信號(hào)的周期作為信號(hào)閘門，由程序控制開關(guān)對(duì)時(shí)基進(jìn)行計(jì)數(shù)得 nx，因此被測信號(hào)周期為 ，每分鐘脈搏跳動(dòng)次數(shù)為Txns??。其特點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)不是用來填充待測信號(hào)的周期，而是與待測信號(hào)分別輸入到兩個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行同步計(jì)數(shù)。充分利用單片機(jī)內(nèi)的兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)作為定時(shí)器，給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào)，另一個(gè)作為計(jì)數(shù)器。所以，本設(shè)計(jì)中選擇周期測量法。查詢方式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，硬件開銷??；缺點(diǎn)是 CPU 在整個(gè)傳送過程中需要不斷檢測外設(shè)狀態(tài)，由于 CPU 的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高第 11 頁 共 47 頁于外設(shè)，因此通常處于等待狀態(tài)，工作效率很低。本設(shè)計(jì)中，選擇中斷方式。所以，需要選用合適的顯示設(shè)備及顯示電路，來實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波動(dòng)頻率信息的顯示。脈搏波動(dòng)頻率一般為 60～80 次/min?？梢赃x擇 LCD 字符液晶屏來對(duì)脈搏波動(dòng)頻率信息進(jìn)行顯示。（1）靜態(tài)顯示：所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的 I/O 接口用于筆劃段字形顯示。靜態(tài)顯示適用于顯示器位數(shù)較少時(shí)。利用人的視覺暫留功能可以看到整個(gè)顯示，但必需保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。本設(shè)計(jì)中，顯示的脈搏波動(dòng)頻率，同時(shí)顯示脈搏次數(shù)和測試時(shí)間，選用動(dòng)態(tài)顯示。然后，將放大后的脈搏信號(hào)經(jīng)過整形電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的脈沖。本章對(duì)各部分電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)論述與分析。為了達(dá)到上述要求,并聯(lián)型雙運(yùn)放放大電路 [21]能滿足其要求 圖 并聯(lián)型雙運(yùn)放放大電路前兩個(gè)運(yùn)放為同向比例放大器,輸入阻抗很高,它對(duì)共模信號(hào)有很高的抑制比。由于 Rx 兩端的電壓等于 V2V1,所以流過 Rx 的電流等于(V2V1)/Rx, 因此輸入信號(hào)將通過放大器獲得增益并且得到放大。以上電路需要三個(gè)運(yùn)放，在調(diào)試的時(shí)候會(huì)比較復(fù)雜。以下是幾種常用的集成儀表放大器 [22][23],其主要參數(shù)如表 31表 31 三種集成醫(yī)用放大器參數(shù)器件 輸入失調(diào)電壓 輸入偏置電流 輸入失調(diào)電流 輸入噪聲AD620 50uV 13INA128 125nV 10OPA131 1mV 50pA 50pA 21脈搏信號(hào)是在強(qiáng)噪聲下的微弱信號(hào)，它對(duì)前置放大器的共模抑制比，輸入阻抗，輸入噪聲，輸入失調(diào)電壓有較嚴(yán)格的要求，由表 31 知 AD620 是最為理想的。表 32 AD620 參數(shù)表項(xiàng)目 規(guī)格 備注增益范圍 1～1000 只需一個(gè)電阻 就可以設(shè)定電源供應(yīng)范圍 ~ 18V低耗電量 最大供應(yīng)電流 = 可 用 電 池 供 電 ， 方 便運(yùn) 用 于 便 攜 式 器 材精確度高40ppm 的最大非線性度；最 大 偏 置 電 壓 為 50181。所以設(shè)計(jì)時(shí)考慮兩級(jí)放大,第一級(jí)采用 AD620,外接一個(gè) 的電阻,放大倍數(shù)由公式大約放大十倍左右。圖 一級(jí)放大電路 二階濾波器電路的設(shè)計(jì)由于脈搏信號(hào)的頻率在 左右，正常情況下不會(huì)出現(xiàn)高于 2HZ 的信號(hào)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，用來濾去高頻信號(hào)。（1）方案選擇：方案一：無源濾波器采用 RC 低通濾波器。其幅頻特性如圖 所示。由于主要的干擾出現(xiàn)在 50HZ 左右，所以在截止頻率較低時(shí)，采用二階濾波器即可達(dá)到很好的濾波效果。其幅頻特性如圖 所示。我們現(xiàn)在設(shè)定 C1=C2=，R1=R2=100K。符合所要達(dá)到的指標(biāo)。（3）方案確定由于使用二階有源濾波器能夠很好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的濾波目的，所以選擇使用方案二，即二階有源濾波器。第 17 頁 共 47 頁圖 二階濾波器 第二級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)第二級(jí)放大采用同相放大器 [24],其電路圖為圖 同相放大器電路其閉環(huán)電壓增益AVF=1+ （33）RFR1輸入電阻 Ri=ric （34）輸出電阻 R0=0 （35）VIR1RPRF VO—+第 18 頁 共 47 頁 平衡電阻 RP=R1//RF （36）其中，r ic 為運(yùn)放本身同相端對(duì)地的共模輸入電阻，一般為 108 歐姆。若RF≈0，R1=∞ （開路） ，則為電壓跟隨器，與晶體管電壓跟隨器（射極輸出器）相比，集成運(yùn)放的電壓跟隨器的輸入阻抗更高，幾乎不從信號(hào)源吸取電流；輸出阻抗更小，可視作電壓源，是較理想的阻抗變換器。同時(shí)，設(shè)定RF=100K,R1=1K,由 AVF=1+ （37）RFR1可以得到第二級(jí)的放大倍數(shù)為 101 倍,可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要達(dá)到的放大參數(shù)。圖 第二級(jí)放大器電路 整形電路由于單片機(jī)只能檢測到數(shù)字信號(hào)，因此，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后得到的模擬信號(hào)必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。方案一: 使用三極管進(jìn)行整形.第 19 頁 共 47 頁圖 三極管整形電路方案二：使用施密特觸發(fā)器 [25]來實(shí)現(xiàn)整形。由于三極管的調(diào)試較為復(fù)雜，且工作性能不如施密特觸發(fā)器穩(wěn)定，所以我們選用施密特觸發(fā)器。使用由 555 芯片構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，因此選用 555 芯片來完成該項(xiàng)任務(wù)。 圖 555 施密特觸發(fā)器電路圖第 20 頁 共 47 頁使用施密特觸發(fā)器后，其輸入輸出波形的變化如圖 所示。在前面的電路中，脈搏信號(hào)被轉(zhuǎn)化為 5V 左右的信號(hào)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，脈搏信號(hào)在本級(jí)可以被轉(zhuǎn)化為能被單片機(jī)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。在檢測到第一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，開啟定時(shí)器，然后在下一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，關(guān)閉計(jì)時(shí)器，如此就可以求得一次心跳所需要的時(shí)間，然后由該周期就可以得到一分鐘的脈搏數(shù)。AT89S51 [27]是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。 此外，AT89S51 設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為 0Hz 并可通過軟件設(shè)置省電模式。同時(shí)該芯片還具有 PDIP、TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。單片機(jī)的 P0口作為數(shù)據(jù)口，與顯示屏相接，來輸出單片