基于单片机设计的脉搏测量仪

48 电子测量技术 Electronic Measurement 0 引言 脉搏测试仪是用来测量一个人脉搏跳动次数的电子 仪器，也是心电图的主要组成部分,因此，在现代医学上 具有重要的作用。目前检测脉搏的仪器虽然很多，但是 能实现精确测量、精确显示且计时功能准确等多种功能 的便携式全数字脉搏测量装置很少。随着人们生活环境 和经济条件的改善，以及文化素质的提高，其生活方式， 保健需求以及疾病种类、治疗措施等发生了明显的变化。 但在目前，我国的心脑血管疾病仍呈逐年上升趋势。其 发病率和死亡率均居各种疾病之首，是人类死亡的主要 原因之一。因此，认识、预防及早期发现这些疾病是十 分必要的。 从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断 和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。几乎世 界上所有的民族都用过"摸脉"作为诊断疾病的手段。脉 搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速) 和节律(周期)等方面的综合信息，在很大程度上反映出 人体心血管系统中许多生理病理的血流特征,因此对脉搏 波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。但人体 的生物信号多属于强噪声背景下的低频弱信号, 脉搏波 信号更是低频微弱的非电生理信号, 必需经过放大和后 级滤波以满足采集的要求[2]。 1 基本结构模块 1.1 脉搏波检测电路 目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：光电容 积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式脉搏传感 器以及应变式脉搏传感器。近年来光电检测技术在临床 医学应用中发展很快，这主要是由于光能避开强烈的电 磁干扰,具有很高的绝缘性，且可非侵入地检测病人各种 症状信息。用光电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生 物医学仪器工作的专家和学者的重视。本系统设计了指 套式的透射型光电传感器, 实现了光电隔离,减少了对后 级模拟电路的干扰。 传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之 有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置[8]。 所用光电式传感器由发光二级管和光敏二极管组成， 其工作原理是：发光二极管发出的光透射过手指，经过 基于单片机设计的脉搏测量仪 李新雨 （菏泽学院机电工程系） 摘 要：主要介绍了数字式脉搏计的具体实现方法，利用光电传感器产生脉冲信号，经过放大整形后，输入单片 机内进行相应的控制，从而测量出一分钟内的脉搏跳动次数，快捷方便。通过观测脉搏信号，可以对人体的健康进行 检查， 通常被用于保健中心和医院。 关键词：脉搏计；脉冲信号；光电传感器；单片机 Pulse Measuring Instrument Based on SCM Li Xinyu (Machine and Electronic Department, Heze University) Abstract：This paper mainly introduces the concrete realization method for digital pulse counter, which uses photoelectric sensors to generate pulse signal. The pulse signal is amplified and regenerated to input into SCM to carry out corresponding control, as a result the pulse number per a minute is measured. The use of the pulse counter is quick and convenient. Through observing the pulse signal, human health can be inspected, it is usually used in health care centers and the hospitals. Key words: pulse counter; pulse signal; photoelectric sensor; SCM 手指组织的血液吸收和衰减，由光敏二极管接收。由于 手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所 以它对光的吸收和衰减也是周期性脉动的，于是光敏二 极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化[4]。 1.2 脉搏信号拾取电路 红外接收二极管在红外光的照射下能产生电能，单 个二极管能产生0.4V电压，0.5mA电流。BPW83型红外 接收二极管和IR333型红外发射二极管工作波长都是940 nm，在指夹中，红外接收二极管和红外发射二极管相对 摆放以获得最佳的指向特性。红外发射二极管中的电流 越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大。在图1中， R0选100Ω是基于红外接收二极管感应红外光灵敏度考虑 的。R0过大，通过红外发射二极管的电流偏小，PBW83 型红外接收二极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。 反之，R0过小，通过的电流偏大，红外接收二极管也不 能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当红外发射二 极管发射的红外光直接照射到红外接收二极管上时， IC1B的反相输入端电位大于同相输入端电位，Vi为"0"。 当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期， 虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是， 由于红外接收二极管中存在暗电流，仍有lμA的暗电流 会造成Vi电位略低于2.5V。二是有脉期，当有跳动的脉 搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收二极管中的暗 电流减小，Vi电位上升。 图1 信号拾取器图 49 电子测量技术 Electronic Measurement 1.3 信号采集及处理系统 由于光电脉搏波属于缓慢变化的微弱生理信号，信 噪比低，极易受到环境噪声和肢体运动的干扰。传统的 光电脉搏波信号检测电路都采用高增益放大器，以获得 较高的检测灵敏度，这种设计思路导致了检测信号动态 范围缩小，在受到运动干扰时，将导致由于干扰信号而 带来的光电脉搏波信号检测的饱和失真。本系统采用过 采样技术，通过对信号的高速采样来提高采样精度，相 当于用高分辨率的ADC对信号进行模数转换，达到了提 高信噪比并改善动态范围的效果。因此本系统对经过光 电转换后的信号进行模数转换而不需要任何信号调理(放 大和滤波)电路。 1.4 过采样技术的应用 所谓过采样技术是指以远远高于奈奎斯特(Nyquist) 采样频率的频率对模拟信号进行采样的方法。由信号采 样量化理论可知，若输入信号的最小幅度大于量化器的 量化电平，并且输入信号的幅度随机分布，则量化噪声 的总功率是一个常数，在0～fs的频带范围内均匀分布[8]。 因此量化噪声电平与采样频率成反比，如果提高采样频 率，则可以降低量化噪声电平，而由于基带是固定不变 的，因而减少了基带范围内的噪声功率，提高了信噪比， 从而提高分辨率，并且采样频率每提高4倍，则信噪比提 高4倍，相当于A/D的分辨率提高1位。 2 软件设计 2.1 程序设计 本文选用ADI公司的单片机ADC841，其内部集成了 速度可达 400k的 12位逐次逼近型ADC，分辨率为 0.6mv/LSB。从软件需求和单片机速度出发，将ADC采样 率fs定为102.4kHz，为便于计算，将过采样倍数k定为64， 则下抽取后采样率为f为：fs/k=1600Hz，是频率为400Hz 载波的四倍，满足奈奎斯特采样定理。由于过采样倍数k 为64，按每提高4倍采样率就能提高一位分辨率来计算， 获得的ADC有效分辨率能提高3位，最后能达到约15位精 度，其分辨率可达到0.0763mv/LSB。设置ADCCON1＝ #0B2H，ADCCON2＝#00H。定时器2是一个具有16位自 动重装载功能的定时器，作定时器用时，TH2和TL2计的 是机器周期数，TH2和TL2内容的自动重装载通过寄存器 RCAP2H和RCAP2L来实现。对这四个寄存器都进行初始 化，自动装载值为#0FFCAH。 2.2 程序源代码 #include unsigned char i,j,t,m,DelayTime,DispBuf[3]； unsigned int n,mb； unsigned char code BitTab[3]={0xf7,0xef,0xdf}； //位驱动码 unsigned char code DispTab[10]={0x81,0xcf,0x92,0x86,0xcc,0xa4,0xa0,0x 8f,0x80,0x84}； //字形码 sbit P3_0=P3^0； void delay(DelayTime)； main() //主程序 { TMOD=0x01； //定时器T0工作于方式1 TH0=0xec； TL0=0x78； //T0定时时间为5ms IE=0X83； //开中断 IT0=1； //外部中断0为边沿触发方式 TR0=1； //开定时器T0 for( ) //脉搏指示灯控制 { if(P3_0==0) { delay(200); P3_0=1; } } } external0() interrupt 0//外部中断服务程序 { P3_0=0； //点亮指示灯 if(n==0) mb=0； else mb=12000/n； //计算每分钟脉搏数 DispBuf[2]=mb%10； //取个位数 mb=mb/10; DispBuf[1]=mb%10； //取十位数 DispBuf[0]=mb/10； //取百位数 n=0； } Timer0() interrupt 1 //定时中断服务程序 { TH0=0xec； TL0=0x78； t=BitTab[j]； //取位值 P3=P3|0x38； //P3.3-P3.5送1 P3=P3&t； //P3.3-P3.5输出取出的位值 t=DispBuf[j]； //取出待显示的数 t=DispTab[t]； //取字形码 P1=t； //字型码由P3输出显示 j++; if(j==3) j=0； n++； if(n==2000) //10秒钟测不到心率,n复位 n=0； } void delay(DelayTime)//延时子程序 { for(；DelayTime>0；DelayTime--) { for(i=0；i<250；i++)； } 3 结束语 本系统模拟电路简单，由ADC841芯片实现脉搏信 号采集，信号处理和脉搏次数的计算等功能，因此体积 小，功耗低，系统稳定性高。本系统可实现脉搏波的实 时存储并可实现与上位机(PC机)的实时通讯, 因此可作 为多参数病人中心监护系统的一个模块完成心率检测和 脉搏波形显示。 参考文献： [1] 欧阳俊.基于BL-410的指端脉搏波采集系统应用研究 [J].实用预防医学,2004,11(2):385-386. [2] 韩文波.光电式脉搏波监测系统[J].长春光学精密机 械学院学报,1999,22(4):30-34. [3] 朱国富,廖明涛,王博亮.袖珍式脉搏波测量仪[J]. 电子技术应用,1998(1):30-31. 50 电子测量技术 Electronic Measurement [4] 刘云丽,徐可欣,王玉祥,等.微功耗光电式脉搏测量仪 [J].电子测量技术,2005(2):30-31. [5] 程咏梅,夏雅琴,尚岚.人体脉搏波信号检测系统[J]. 北京生物医学工程,2006(5):520-523. [6] 刘文,杨欣,张铠麟.基于AT89C2051单片机的指脉检测 系统的研究[J].医疗装备.2005(9):9-11. [7] 张毅坤.单片微型计算机原理及应用第1版[M]. 西安:西安电子科技大学出版社.1998,9. [8] 任为民.电子技术基础课程设计第1版[M]. 北京:中央广播电视大学出版社.1997,5. [9] 朱月秀.单片机原理与应用[M]. 北京:科学出版社.2004:38-44. [10] 李世馨.模拟电子技术基础[M]. 北京:高等教育出版社.2001:98-100. [11] 王天曦,李鸿儒.电子技术工艺基础[M]. 北京:清华大学出版社.2004:80-82. 作者简介： 李新雨 电话：13561327102 电子信箱: lixinyu105@163.com 通信地址：山东省菏泽市大学路1号菏泽学院机电工 程系（274015） (上接54页) 这个误差与采样频率和采样点数有关，在采样频率不变 的情况下，可以通过增加采样的点数N，使频率间隔变得 更小，这样检测到的频率值也会更接近实际的载波频率； 在允许的条件下，若采样点数N不变，可以减小采样 频率，也会使检测到的频率值更加精确。经过仿真 验证，该系统在信噪比大于－6dB时，可以较准确地实 现频率值的检测工作；信噪比小于－6dB时，检测到的频 率值存在较大误差，其误差的原因和减小将在其他论文 中进行说明。 4 结论 差分跳频在通信领域中的应用已经成为一个重要的 发展趋势，因此，对接收到的跳频信号频率值进行检测 非常重要。差分跳频是一种相关跳频，即数据流与相邻 或多跳频率之间具有某种相关性，并且利用其相关性携 带了待发送的数据信息，接收端也可根据其相关性还原 数据信息。此外，由于发送信息的不确定性，因此DFH 系统的跳频图案完全没有规律，接收端也无法知道每个 时刻发送端的频率值，只能在工作带宽内进行宽带数字化 接收，也就是说不可能实现收发跳频图案同步。因此， 对接收到的差分跳频信号进行频率检测技术的研究至关 重要，本文在FPGA上实现了对接收差分跳频信号的频率 点的有效检测。 参考文献: [1] 陈勇,赵杭生.差分跳频G函数算法的研究[J]. 通信学报,2006,27(10):100-105. [2] 王明海,苟彦新,田岩.一种基于小波脊时频

分析

定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析

的差 分跳频信号检测方法[J].电讯技术,2008,48(3): 36-90. [3] 陈智.差分跳频通信系统的性能分析[D]. 成都:电子科技大学,2006:35-80. [4] 李天昀,许漫坤,葛林东.相关跳频转移函数的双随机 矩阵模型及其应用[J].电子与信息学报,2007,29(9): 2182-2186. [5] Zhang R, Zhang X, Liu K. Joint iterative demodulation and decoding of differential frequency hopping signals [C]//ICASSP 2007. Honolulu: IEEE, 2007:649-652. 作者简介： 张洪帅，沈阳理工大学，硕士研究生 电话：(024)24682018；13998215615 电子信箱：zhanghongshuai0909@163.com 通信地址：辽宁省沈阳市浑南新区南屏中路6号 沈 阳理工大学通信与网络工程中心 （110159） 基金项目： 国家自然科学基金（NO.6080203）；辽宁省高校创 新团队项目