【正文】 SB的多道生物醫(yī)學(xué)信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[4]；武漢大學(xué)袁志勇等人嵌入式脈搏檢測分析系統(tǒng)的研制[5]；東南大學(xué)楊序等人的脈搏數(shù)據(jù)采集器的研制[6]；北京中醫(yī)藥大學(xué)牛欣、楊杰等研制了壓力與B超整合的中醫(yī)診脈裝置，認(rèn)為可以實(shí)時直觀觀察寸口橈動脈運(yùn)動情況[7]；蘭州理工大學(xué)張愛華等人基于動態(tài)圖像的多點(diǎn)脈搏信號檢測方法[8]；目前上海中醫(yī)藥大學(xué)湯偉昌研制了壓力式三探頭傳感器，以模擬中醫(yī)寸關(guān)尺取脈，并探討三探頭傳感器與單探頭傳感器以及三探頭傳感器之間信息提取的差別[9]；目前在國內(nèi)市場上得到認(rèn)可、應(yīng)用較普遍的主要是上海中醫(yī)藥大學(xué)費(fèi)兆馥教授為主要研究者，與復(fù)旦大學(xué)等單位聯(lián)合研制生產(chǎn)的ZM1型單探頭中醫(yī)脈象儀，ZMIIIc型智能脈象儀；上海醫(yī)藥大學(xué)與上海交通大學(xué)研制的TPI型脈象數(shù)字化分析儀也已進(jìn)入臨床檢測應(yīng)用。 設(shè)計內(nèi)容此次設(shè)計主要采用光電式脈搏傳感器，以AT89C2051單片機(jī)和LM324芯片為主要核心對人體的脈搏進(jìn)行檢測，并通過LED數(shù)碼管來顯示人體一分鐘的脈搏震動次數(shù)，本文主要完成以下幾項(xiàng)工作：（1）根據(jù)基本原理設(shè)計出總體的框圖。（3）連接每個功能模塊并且生成總體電路圖。（5）完成硬件調(diào)試和軟件仿真。脈搏測量儀測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖11所示：光電式脈搏傳感器脈搏信號調(diào)理模塊單片機(jī)處理模塊數(shù)碼管顯示模塊圖11 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第2章 課題方案論證選擇什么樣的脈搏傳感器是這次設(shè)計的關(guān)鍵，目前很多公司和廠商都在致力于脈搏傳感器的研究，而且都有很成熟的技術(shù)，在功能上也有很多拓展，比如在檢測脈搏的同時還能檢測人體的體溫、血液含氧量、血紅蛋白含量等參數(shù)，而且傳感器內(nèi)集成了像信號放大器、濾波器、波形整形等電路，使得傳感器的精確度更高了，輸出的直接就是脈搏信號或者脈搏波信號，只需將傳感器界面接在示波器上，就能直接顯示出脈搏波形圖，使用極為方便，這樣的脈搏傳感器已被很多醫(yī)療器材所使用，甚至在很多健身器材上也有這樣的脈搏傳感器。在本次設(shè)計中，兩種傳感器都能達(dá)到設(shè)計預(yù)期的效果，即對脈搏的測量與顯示，但選擇不同的脈搏傳感器，會影響到后置電路的設(shè)計，在軟件設(shè)計方面也有所差別，現(xiàn)就針對兩種傳感器在本次設(shè)計中可能出現(xiàn)的影響進(jìn)行方案論證。 采用壓電式脈搏傳感器1969年Kawai發(fā)現(xiàn)經(jīng)過高倍率拉伸和高電場下極化真空蒸發(fā)金屬電極后的PVDF（聚偏氟乙烯）薄膜具有明顯的壓電特性。PVDF壓電薄膜是敏感的部件，作用是將微弱的低頻的脈搏壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，因壓電薄膜內(nèi)阻很高，而脈搏信號比較微弱，傳感器內(nèi)設(shè)置了前置電荷放大器，起作用是與PVDF壓電薄膜阻抗匹配，把輸入高阻抗變?yōu)榈妥杩馆敵?。由于基線漂移、人體活動、工頻干擾等因素的影響，脈搏信號具有很大的噪聲，傳感器還進(jìn)行了去噪設(shè)計，使用了一個低通濾波電路吧高頻噪聲和工頻干擾濾除，是脈搏信號有效成分全部通過[11]。目前市面上的這種傳感器還加入了體溫測量功能，能在檢測人體脈搏的同時檢測人體的體溫。壓電式原理采集信號，模擬信號輸出，輸出同步于脈搏波動的脈沖信號，脈搏波動一次輸出一正脈沖。圖21 HK2000脈搏傳感器 采用光電式脈搏傳感器根據(jù)朗伯比爾（LamberBeer）定律，物質(zhì)在一定波長處的吸光度和它的濃度成正比。人體脈搏主要是由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生的，人體組織半透明度會隨著心臟的跳動而隨之改變。經(jīng)醫(yī)學(xué)臨床研究發(fā)現(xiàn)，在人體手指指尖組織中，分布著大量的毛細(xì)血管，動脈成分含量高，而且指尖相對于人體其他組織而言的厚度相對比較薄，透過手指后檢測到的光強(qiáng)相對變化比較大，加上手指比較靈活，檢測起來比較方便，因此通常選擇人體指尖作為光電式脈搏傳感器的測量部位來測量人體的脈搏數(shù)。光電式脈搏傳感器充分利用了光的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)比較簡單，由一個光源和一個光敏器件組成，操作簡單，只需將手指放入光源和光敏器件中間，光會穿透人的手指被光敏器件檢測到，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在血液中的穿透性高出幾十倍，根據(jù)這個特點(diǎn)，光電式脈搏傳感器采用的是透射式光電效應(yīng)對手指進(jìn)行脈搏信號的拾取，這里使用的光敏器件是加了反向偏壓的光敏二極管，這種光敏二極管的反向電流具有隨光照強(qiáng)度增加而增加的光電效應(yīng)特性，在一定的光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，光敏二極管的反向電流與光照強(qiáng)度呈線性關(guān)系，人體的皮膚、肌肉、骨骼對光的吸收頻率是恒定不變的，而人體血管中的血液濃度會隨著心臟的跳動而呈周期性的變化，光源和光敏二極管分別放置在手指尖端的兩側(cè)，光源發(fā)出的光照射到指端，當(dāng)指端血管的血液容積和透光度隨心搏的改變而改變時，另一端的光敏二極管接收到的光照強(qiáng)度也會隨之發(fā)生改變，使得光敏二極管產(chǎn)生的光電流也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，由于心臟跳動是呈周期性的，因此血管中的血液濃度也會呈周期性的變化，由此光敏二極管接收到得光照強(qiáng)度也呈周期性變化，光敏二極管將會產(chǎn)生脈沖電信號，這種脈沖電信號信號通過信號的放大、檢波、濾波最后通過傳輸設(shè)備傳入單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)處理和A/D轉(zhuǎn)換，最后通過傳輸設(shè)備傳入數(shù)碼管和播報器顯示出測量結(jié)果。而且這種傳感器的體溫檢測功能在本次設(shè)計中沒有得到體現(xiàn)，且它的價格比較昂貴。考慮到以上諸多因素，本課題采用光電式脈搏傳感器。45 第3章 硬件電路設(shè)計 元器件介紹 AT89C2051單片機(jī)AT89C2051是一個CMOS 8位單片機(jī)，具有高性能、低電壓的特點(diǎn)，其片內(nèi)含2Kbt的可反復(fù)擦寫的只讀Flash程序存儲器（ROM）和128 bt的數(shù)據(jù)存儲器（RAM）?！　T89C2051單片機(jī)技術(shù)比較先進(jìn)，功能也比較全面，其采用了20引腳封裝技術(shù)，15個雙向I/O口線，其中P1口是一個完整的8位雙向I/O口，此外還有兩個外中斷口、一個模擬比較放大器、兩個全雙向串行通信口、兩個16位可編程定時/計數(shù)器。在省電模式中，單片機(jī)所有將會功能停止工作，直至系統(tǒng)被硬件復(fù)位喚醒后方可繼續(xù)運(yùn)行。圖31 AT89C2051引腳圖① VCC：電源端口。③ P1口：P1口是一個完整的8位雙向I/O口。(ANI0)和反相輸入端(AIN1)。當(dāng)P1口引腳寫入“1”時，就可用作輸入端，~，它們將因內(nèi)部的上拉電阻作用而輸出電流。不但可以訪問還可以用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號。當(dāng)P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。P3口還用于實(shí)現(xiàn)AT89C2051的其他功能，其第二功能如表31所列：表31 P3口第二功能表引 腳功 能 RXD串行輸入端口 TXD串行輸入端口 INT0　外中斷0 INT1　外中斷1 T0定時器0外部輸入 T1定時器1外部輸入（注：P3口還接收一些用于閃速記憶體編程和程序校驗(yàn)的控制信號。當(dāng)RST變成高電平時，單片機(jī)所有的I/O口引腳就被復(fù)位到“1”。每一個機(jī)器周期需12個時鐘周期。⑦ XTAL2：反相放大器和振蕩器的輸出端口。它采用ATMEL的高密非易失存儲技術(shù)制造，并能和標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。 　　AT89C2051具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：2K字節(jié)閃速記憶體，128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器RAM，15個雙向I/O口，兩個16位定時器，一個兩級五矢量中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行接口，一個精密模擬比較器以及兩種可選的軟件節(jié)電工作方式。掉電方式保存RAM內(nèi)容但振蕩器停止工作并禁止所有其他部件的工作直到下一個硬件復(fù)位[15，16]。其價格便宜，與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。兩個信號輸入端中，Vi為反相信號輸入端，表示該輸入端與運(yùn)放輸出端Vo的信號的位相反；Vi+為同相信號輸入端，表示該輸入端與運(yùn)放輸出端Vo的信號的相位相同。 參數(shù)描述：運(yùn)放類型低功率；放大器數(shù)目4；；針腳數(shù)14；工作溫度范圍0℃70℃；封裝類型SOIC；；；；電源電壓范圍V32V；運(yùn)放特點(diǎn)高增益頻率補(bǔ)償運(yùn)算。 7809和7805簡介（1）7089簡介7809系列為3端正穩(wěn)壓電路元器件,采用TO220封裝技術(shù)，可以為不同的元器件提供不同的固定輸出電壓，從而在電路設(shè)計方面得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)帶有散熱片時，輸出電流可達(dá)1A左右。7809外形引腳圖如圖35所示，三個引腳從左到右依次是輸入引腳（INPUT）、接地引腳（GND）、輸出引腳（OUTPUT）。7089各參數(shù)極限值： VI——輸入電壓(VO=5~18V) 35V RθJC——熱阻（結(jié)到殼）5℃/W RθJA——熱阻（結(jié)到空氣）65℃/W TOPR——工作結(jié)溫范圍 0~125℃ TSTG——貯存溫度范圍 65~150℃（2）7805簡介7805是一個輸出正5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。當(dāng)輸出電流較大時，7805應(yīng)配上散熱板。圖36 7805外形引腳圖7805電參數(shù)如表32所示：表32 7085電參數(shù)表　　 參數(shù)符號測試條件最小值典型值最大值單位輸出電壓VoTj=25℃V1oPo15W ，Vi=V線性調(diào)整率△VoTj=25℃，Vi=100mVTj=25℃，Vi=8V12V50mV負(fù)載調(diào)整率△VoTj=25℃lo= 9100mVTj=25℃lo=250mA750mA450mV靜態(tài)電流IQTj=25℃8mA靜態(tài)電流變化率△IQlo=mAVi=8V25VmA輸出電壓溫漂△Vo/△Tlo=5mAmV/℃輸出噪音電壓VNf=10Hz100KHz，Ta=25℃42μV紋波抑制比RRf=120Hz，Vi=8V18V6273dB輸入輸出電壓差Volo=，Tj=25℃2V輸出阻抗Rof=1KHz15mΩ短路電流1SCVi=35V，Ta=25℃230mA峰值電流1PKTj=25℃A 整體電路分析本次設(shè)計為單片機(jī)控制數(shù)碼管顯示型便捷式脈搏測量儀，硬件整體電路如圖37所示。圖37 硬件整體電路圖 脈搏信號采集電路脈搏采集由自制光電式脈搏傳感器電路實(shí)現(xiàn)，主要由紅外線發(fā)射二極管D1和紅外光電管Q1兩部分組成，其電路如圖38所示。這種現(xiàn)象在人體較薄的組織或器官中表現(xiàn)得最為明顯，比如在人體的指尖和耳垂等部位。光穿透了手指和被手指中的血液吸收了一部分，由于手指中的血液濃度隨心臟的跳動而改變，引起了手指的透明度的改變，因此紅外光電管接收到得光會隨血液濃度也就是手指的透明度的改變而改變，而手指中血液濃度是隨心臟的跳動而改變的，也就是光電管接收到得光信號是隨心臟跳動的改變而改變得，接收到的光信號被轉(zhuǎn)換成的電信號也隨光信號的改變而改變，因此此信號的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比，所以只要把它轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測人體脈搏次數(shù)的目的。由于脈搏信號的檢測是以光電檢測技術(shù)為基礎(chǔ)的，因此很容易受到周圍雜散光、暗電流等各種干擾的影響。脈沖調(diào)制傳送的是調(diào)制信號的采樣值，只要采樣頻率是奈奎斯特采樣頻率，就可以用采樣脈沖來恢復(fù)原來的脈搏信號，而不會導(dǎo)致信號失真。首先在采集脈搏信號的過程中，由于儀器、人體活動等因素而是采集的信號常伴有各種干擾，包括人體呼吸和手指抖動引起的基線漂移、肌肉緊張引起的干擾以及工頻干擾等。脈搏信號處理電路如圖39所示。圖39 脈搏信號處理電路其中R15與C1和LM324_a共同構(gòu)成了信號抗干擾電路組，它們分別承擔(dān)了對信號的殘余高頻干擾的濾除、干擾光線的光電隔離、低通濾波等任務(wù)。脈搏信號處理電路工作原理如下：首先，由于正常人體脈搏一般在50次/分~200次/分之間（當(dāng)人進(jìn)入睡眠狀態(tài)時脈搏一般在50次/分左右；當(dāng)人體進(jìn)行激烈的運(yùn)動過程中，脈搏會達(dá)到200次/分左右），~，因此經(jīng)紅外檢測采集并轉(zhuǎn)換得到的電信號頻率往往非常低。然后，考慮到在脈搏測量儀的使用過程中存在發(fā)光物體，如日光、白熾燈光和其他放光物體的作用，因此它必然會受到強(qiáng)光輻射的干擾。另外，為了防止前面對于高頻干擾的濾除過程不夠徹底影響到后面的電路的實(shí)現(xiàn)，電路中還設(shè)計連接了由LM324_a、R1C1組成的截止頻率為10Hz左右的低通濾波器電路，以便進(jìn)一步濾除干擾，同時將前面的檢測到得脈搏信號放大200倍左右。首先是通過比較器LM324_b將此正弦波轉(zhuǎn)換成方波。接下來，從LM324_b的7引腳輸出的方波信號經(jīng)CR17構(gòu)成的微分電路進(jìn)行微分處理后就能得到正負(fù)相間的尖脈沖信號。LM324_c在工作時，一旦有信號輸入，它會在輸入信號后沿到來時輸出一個高電平，從而使C2通過R16進(jìn)