劉威

襄陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院

脈搏信號的采集測試儀

劉威

襄陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院

為了提高脈搏測量儀的簡便性和精確度，系統(tǒng)以MSP430G2553單片機(jī)為核心，用ST168紅外傳感器檢測脈搏信號，利用單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部ADC模快對脈搏信號進(jìn)行采樣并計(jì)數(shù)，系統(tǒng)運(yùn)行中能自動啟動測量脈搏次數(shù)，1分鐘完成測量后待機(jī)。

脈搏信號；紅外傳感器ST168；LCD12864顯示；單片機(jī)MSP430

隨著人們生活水平的提高，大家對日常身體常規(guī)保健越來越重視，人們需要更加方便、快捷、準(zhǔn)確的對身體機(jī)能參數(shù)進(jìn)行測量，比如說脈搏的檢測。本設(shè)計(jì)就是基于TI公司低功耗單片機(jī)，用紅外傳感器檢測脈搏信號，采用單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部ADC?？鞂γ}搏信號進(jìn)行采樣并計(jì)數(shù)，這樣設(shè)計(jì)的儀器測量準(zhǔn)確、簡單、功耗低、成本低、體積小、便于攜帶。

1 總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)的框圖如下圖所示。光電脈搏檢測的基本原理是：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，組織的半透明度減小；當(dāng)血液流回心臟，組織的半透明度增大，這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖，利用波長600-1000nm的紅光或紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的光線照射到人體的手指尖、耳垂等部位，用裝在該部位另一側(cè)或同側(cè)旁邊的光電接收管來檢測機(jī)體組織的透明程度，即可將搏動信息轉(zhuǎn)換成電信號。

系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：信號采集，將脈搏跳動信號經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換為與此相對應(yīng)的電信號；信號處理電路，因傳感器輸出的電信號一般在毫伏級，且不穩(wěn)定，所以需對此信號進(jìn)行放大并濾波，以便于單片機(jī)處理；信號轉(zhuǎn)換及顯示電路，單片機(jī)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換處理得到的脈搏頻率信號，最后在液晶顯示電路中直觀地顯示出對一分鐘內(nèi)脈搏測量次數(shù)的顯示；報(bào)警電路，可預(yù)置脈搏次數(shù)上下告警門限，當(dāng)脈搏次數(shù)測量值超出報(bào)警限值時，測試儀聲音報(bào)警。

設(shè)計(jì)框圖

2 電路與程序設(shè)計(jì)

2.1 光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

正常人脈搏跳動一般在50次/分--200次/分之間，對應(yīng)的頻率范圍在0.78Hz--3.33Hz之間，因此經(jīng)紅外光電傳感器檢測脈搏信號且轉(zhuǎn)換得到的電信號頻率是超低頻信號。

反射式光電傳感器是發(fā)光器件與光接收器件于一體，能避免環(huán)境光強(qiáng)對信號的干擾，所以選取反射式光電傳感器。

激勵電阻R1選270 Ω是基于紅外接收二極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R1過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小，ST168紅外接收管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時的信號。反之，R1過小，通過的電流偏大，紅外接收管也不能準(zhǔn)確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。當(dāng)手指處于測量位置時，會出現(xiàn)二種情況：一是無脈期,雖然手指遮擋了紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外光，但是，由于紅外接收管中存在暗電流，仍有l(wèi)μA的暗電流會造成Vout電位略低于3.6V。二是有脈期,當(dāng)有跳動的脈搏時，紅外接收管中的暗電流減小，Vout電位下降。

ST168傳感器是將非電量(紅外光)轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，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)換成便于測量的電參量(如電壓、電流或頻率等)輸出。

2.2 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

脈搏經(jīng)傳感器輸出的電壓信號較弱，一般在毫伏級，需要對其進(jìn)行放大。所以，設(shè)計(jì)的信號放大電路，應(yīng)將傳感器輸出的信號進(jìn)行放大，便于后續(xù)電路處理。經(jīng)測量脈搏從傳感器出來，的電壓信號接近1mV，經(jīng)過前置放大電路將此信號放大20倍，再通過二階低通濾波將環(huán)境光強(qiáng)和工頻干擾濾除。

2.2.1 信號前置放大

傳感器輸出的是低頻微弱信號，需加前置放大電路，并且在傳感器與放大器之間利用較大電解電容耦合。如若采用單電源供電，必然要考慮較大電容沖放電對運(yùn)算放大器輸出電壓的影響，其會使得放大器達(dá)飽和而失去信號放大功能。故前置放大電路，采用雙電源供電的帶濾波的反向比例遠(yuǎn)算放大電路。脈搏經(jīng)紅外傳感器出來的電壓信號經(jīng)過反相比例運(yùn)算放大器U1 OP07將信號放大20倍。

2.2.2 二階低通濾波

經(jīng)過電阻、電容和運(yùn)算放大器U2 OP07構(gòu)成的有源二階低通濾波電路，在9HZ處產(chǎn)生3dB衰減，濾除干擾信號（環(huán)境光強(qiáng)和工頻干擾）。

2.2.3 后置放大電路

經(jīng)過U3 OP07反相比列運(yùn)算電路再一次將信號放大，得到一個伏特級電壓信號，便于單片機(jī)ADC模塊進(jìn)行信號采樣。

3 系統(tǒng)調(diào)試及測量數(shù)據(jù)

3.1 測試條件儀器

示波器，秒表，醫(yī)用脈搏測試儀。

3.2 測試結(jié)果完整性

注：實(shí)際測量值以醫(yī)用脈搏測試儀為參照

3.3 測試結(jié)果分析

經(jīng)過誤差分析，測量誤差不大于測量誤差不大于±3次。

4 結(jié)束語

本脈搏測試儀能準(zhǔn)確、便捷的測量脈搏信號，經(jīng)測試工作穩(wěn)定可靠，精確度高。

[1]王麗英.基于光電技術(shù)的脈搏測量方法[J].傳感器技術(shù).2006,5(11):32-34.

[2]華成英.模擬電子技術(shù)[J].北京：清華大學(xué)出版社,2006.

劉威（1977-），女，湖北襄陽人，碩士，襄陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，從事應(yīng)用電子技術(shù)、智能儀器技術(shù)方面的研究和教學(xué)。