基于單片機的脈搏信號采集電路設計

趙麗華 張永壽 張文蘭

基于單片機的脈搏信號采集電路設計

趙麗華①②張永壽②張文蘭①

目的：依據中醫(yī)脈診理論，運用一套基于PVDF材料制作的脈搏傳感器，并結合前置放大電路單元，設計基于單片機的脈搏信號采集電路，用于對脈搏信息的準確檢測。方法：以電子技術原理為基礎設計出用于脈搏信號調理的多級放大和濾波電路，并設計基于AT89C51單片機和A/D轉換芯片AD0809的數(shù)據采集電路。結果：利用信號采集和數(shù)據放大電路對脈搏波進行有效的采集處理與放大，可以使傳統(tǒng)中醫(yī)理論與現(xiàn)代科學理論有機結合，極大降低誤診率，有效的實現(xiàn)了脈診客觀化。結論：基于AT89C51單片機和A/D轉換芯片AD0809的數(shù)據采集電路可以基本完成對脈搏信號的采集處理，信號放大比較明顯，對脈診客觀化有一定的促進作用。

脈搏；PVDF傳感器；AT89C51；AD0809；串口通信

[First-author’s address] Shandong University of Traditional Chinese Medicine, Jinan 250355, China.

脈診是中醫(yī)進行臨床診斷的重要依據之一。傳統(tǒng)脈診是由醫(yī)生的主觀感受對患者疾病進行診斷，其診斷結果的準確性與醫(yī)生的技能水平和經驗密切相關，所得到的診斷結果無客觀依據，誤診率較大。脈診客觀化的研究是真實客觀地顯示人體脈搏波形圖，隨著現(xiàn)代計算機技術和信號處理技術的發(fā)展，使得客觀地采集、記錄和處理脈搏波成為可能[1]。

目前，基于手腕部橈動脈壓力脈搏波形圖對脈象的研究，取得的成果較多，為脈診客觀化奠定了初步的基礎，但并未解決所有的問題[2]。脈搏波形的檢查方法有待改進與提高，因其決定了脈搏波形的真實性與準確性。

1 脈搏信息采集系統(tǒng)整體設計方案

研制的脈搏信息采集系統(tǒng)要求能夠大量存儲數(shù)據以及方便采集分析處理數(shù)據，從而在得到真實而完整的脈搏信息數(shù)據基礎上進行數(shù)據分析，以達到對脈搏波信號進行科學系統(tǒng)的分析，其總體構思框如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構思框圖

脈搏信息采集系統(tǒng)工作流程如下：連接電源→脈搏信號經過PVDF傳感器轉換輸出微弱電信號→電信號傳送至調理電路→調理電路將接收到的模擬電壓信號進行一系列放大、濾波等處理→調理電路輸出模擬信號送往A/D轉換器→單片機控制A/D轉換器對輸入的模擬信號進行A/D轉換→設定采樣頻率等A/D轉換必要的參數(shù)→將得到的數(shù)字信號通過單片機與PC機實現(xiàn)通信傳輸→由PC機對經硬件電路處理后的脈搏信號進行接收(如圖2所示)。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

2 脈搏傳感器的選取

脈搏信號獲取質量如何直接影響到后續(xù)的數(shù)據處理效果以及最終所得到的脈搏波形圖的準確性。因此，作為脈搏信息探測部件的脈搏傳感器的選擇對于整個采集裝置而言非常重要。由于脈搏信息中最為主要的是心臟的收縮對人體血管的壓力以及產生的血管表面張力等各種與力相關的綜合信息。因此本系統(tǒng)設計采用的是一種新型壓電聚合物傳感器，所用的壓電聚合物材料為聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride，PVDF)壓電薄膜脈搏傳感器來對與力相關的脈搏信息進行感測[3]。其基本工作原理是基于壓電效應，通過彈性鐵片上PVDF材料的電壓信號變化可實現(xiàn)對壓力的測量[4]。

3 電路結構設計

系統(tǒng)設計的脈搏波傳感器是根據人體左右手腕部的寸、關、尺脈分別對應為心臟、肝臟、腎臟及肺等三焦這一中醫(yī)理論，主要用于對人體腕部的橈動脈脈搏的測量，對人體疾病診查具有重大的意義[5-6](如圖3所示)。

圖3 脈診部位與臟腑對應圖

本系統(tǒng)的PVDF壓電薄膜脈搏傳感器設計應與人體手腕部橈動脈生理結構相符；人體手指的指腹寬度約為0.9 cm，手腕部橈動脈的直徑約為0.6 cm，為達到模擬中醫(yī)脈診的手法，選定的單片PVDF膜的尺寸為0.9 cm×0.6 cm；并采取相同的3片PVDF壓電薄膜縱向排列，同時感測人體手腕部的橈動脈的3路脈搏信號。

3.1 PVDF脈搏傳感器的溫度補償

(1)溫度特性。通過萬用表和高低溫濕熱實驗箱對PVDF脈搏傳感器進行溫度特性的測試，當脈搏傳感器在受到外部壓力為零時，其輸出電壓與溫度之間的關系曲線圖顯示PVDF脈搏傳感器的零點溫度漂移為0.04 mV/℃左右(如圖4所示)。

圖4 PVDF脈搏傳感器零壓力溫度特性曲線

(2)靈敏度溫度補償方法。PVDF脈搏傳感器的溫度漂移分為零點溫度漂移和靈敏度漂移2種，必須采取措施對其進行補償。本設計中采取的補償方法與一般壓力傳感器采用串并聯(lián)電阻的方法進行溫度補償有所不同，采用3個溫度系數(shù)與PVDF脈搏傳感器性能相同的電容(補償電容)與PVDF脈搏傳感器一起組成惠斯登電橋(如圖5所示)。

圖5 惠斯登電橋補償電路

3.2 信號調理電路的設計

(1)前置放大電路。信號調理電路將從傳感器轉換出來的非常微弱的脈搏信號，進行信號放大和濾波等一系列的調理，消除噪聲和干擾信號。前置放大電路由隔直低通反相放大器組成，去除直流低頻信號，抑制高頻信號，對50 Hz工頻干擾進行初步衰減，同時對有效脈搏信號進行初步的放大，其設置的放大倍數(shù)為10倍，截至頻率范圍為0.05～20 Hz(如圖6所示)。

圖6 前置放大電路

根據A=R5/R3，選取R3=100 K，R5=1 M。同時為消除偏置電壓，在正輸入和地間接入R4，大小選取為100 K[7]。低通截止頻率設為20 Hz，因為R5=1 M，所以選取C4為6800 PF，截止頻率大致為23 Hz。

(2)濾波電路。該濾波部分采用三階巴特沃斯低通濾波器，設置截止頻率f=10 Hz。根據歸化方法選擇R7=R8=R9=100 K，C6=0.47 uf，C7=0.033 uf，C8=0.033 uf(如圖7所示)。

圖7 濾波電路

該低通濾波電路保留了有效脈搏低頻信號，對50 Hz工頻等噪聲進行了較大的衰減，基本能夠達到系統(tǒng)的要求。

(3)后級放大電路。采用可變增益反向放大電路，反相放大器由于電阻的最大取值≤10 M(Ω)，如果要提高反向放大器的輸入阻抗，則電路的增益就要受到限制。系統(tǒng)采用的反相放大器可以避免這種限制，既有較高的輸入阻抗又可取得足夠的增益。如果選取R13遠大于R14，R15，則放大器的增益可用公式近似計算(公式1)：

作者簡介劉宇靜,女,(1963- ),本科學歷，副主任技師。北京軍區(qū)總醫(yī)院醫(yī)學工程科，從事醫(yī)療設備的管理和計量工作。

設R11=100 K，R13=1 M，R15：量程為10 K的電位器，R14=1 K，R12=100 K構成低通濾波，截至頻率為20 Hz，根據公式增益范圍為11～110(如圖8所示)。

圖8 后級放大電路

4 單片機設計

4.1 CPU的選擇

選用AT89C51作為控制系統(tǒng)的CPU，其為美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能的CMOS8位單片機，片內含有4 K的可反復擦寫的只讀程序存儲器(PEROM)和128字節(jié)的隨機存儲數(shù)據存儲器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高精度，非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器(CPU)和FLASH存儲單元，為許多嵌入式控制系統(tǒng)提供了靈活、低成本的解決方案。

4.2 A/D轉換電路

ADC0809是帶有8位A/D轉換器、8路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件，其模數(shù)轉換原理采用逐次逼近型，芯片由單個＋5 V電源供電，可以分時對8路輸入模擬量進行A/D轉換，典型的A/D轉換時間為100 μs左右。在同類型產品中，模數(shù)轉換器的分辨率、轉換速度和價位都屬于居中位置，可以和單片機直接接口[8]。

(1)ADC0809與AT89C51的接口。①地址線與數(shù)據線的連接，ADC0809的內部輸出電路有三態(tài)緩沖器，其8位輸出數(shù)據線可以直接與AT89C51的P1口相連，系統(tǒng)中有兩路模擬量的輸入，其通道地址選擇信號ADDB、ADDC接地，而ADDA接至單片機的P2.6口，用于選擇輸入的模擬量IN0和IN1；②始終信號的連接，ADC0809必須外接時鐘，系統(tǒng)借用AT89C51的晶振頻率采用11.0592 MHz，此時ALE的頻率約為2 MHz，經CD4013芯片4分頻后約為500 KHz，與ADC0809的CLK時鐘端相連；③控制信號的連接，由于ADC0809的ALE和START均為正脈沖，且同步，可由AT89C51的P2.7與WR或非而成。OE信號可由AT89C51的P2.7與RD或非而成。EOC信號經或非后與AT89C51的INT1相連，申請中斷[9]。在控制信號線的連接中或非功能可借助芯片74LS02得以實現(xiàn)(如圖9所示)。

圖9 ADC0809與AT89C51的接口電路

(2)RAM以及RAM總線的擴展。脈搏采集到的信號經過A/D轉換器后需要將數(shù)據存入到RAM中，當需要較大容量的RAM時需要片外擴展數(shù)據存儲器，通常采用靜態(tài)RAM擴展較為方便。與動態(tài)RAM相比靜態(tài)RAM無需考慮為保持數(shù)據而設置的刷新電路，故擴展電路較為簡單。但由于靜態(tài)RAM是由電源電路保持存儲器中的數(shù)據，消耗功率較多，其價格較高，因此本設計使用HM6264。

單片機的讀信號RD和外部RAM的輸出允許信號OE相連接，寫信號WR和外部的寫信號WE相連接，外部RAM的片選信號CS1與單片機的P2.5相連，CS2接5 V的高電平。片外數(shù)據存儲器的讀和寫分別由單片機的RD和WR信號控制。6264有讀出、寫入和維持3種工作方式，其操作控制見表1。

表1 6264的操作控制

由于單片機的輸入/輸出使用P0口分時復用，故本設計采用地址鎖存器進行單片機系統(tǒng)總線的擴展。74LS373是帶三態(tài)輸出的8位鎖存器。當三態(tài)門OE為有效低電平，使能端G為有效高電平時輸出隨輸入而變化；當G端由高電平變低時輸出8位信息被鎖存，直到G端再次有效為止。其中，輸入端D0-D7接至單片機P0口，輸出端提供低8位地址，G端接至單片機的地址鎖存允許信號ALE。輸出允許端OE接地，表示輸出三態(tài)門一直打開。其鎖存功能見表2。

表2 74LS373鎖存功能

4.3 串口通信電路

為了解決PC機與單片機系統(tǒng)通信的問題，本系統(tǒng)將單片機采集到的脈搏數(shù)據傳送到PC機界面。PC機和單片機均具有串口，因此使用串口完成二者之間的數(shù)據交換。串口通信中使用的通信器件為MAXIM公司的芯片MAX232。該產品兼容RS232標準芯片。由于電腦串口RS232電平是±10～+10V，而普通單片機應用系統(tǒng)的信號電壓是TTL電平0～+5 V[10]，MAX232用來進行電平轉換，該器件包含2個驅動器、2個接收器和1個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標準，每個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉換成5 V TTL/ CMOS電平，每個發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉換成TIA/EIA-232-F電平。

通過MAX232的TTL和RS-232的輸入/輸出端口，自動地調節(jié)了單片機串口的TTL電平信號和RS-232的串行通信信號的電平匹配。

5 結語

本研究設計通過探討國內外脈搏的檢測、處理和分析等領域的研究現(xiàn)狀，提出了一個基于單片機的脈搏采集系統(tǒng)的電路設計方案，并研制了各種功能電路單元，完成了脈搏采集系統(tǒng)的電路設計，其中包括脈搏傳感器的選擇、信號調理電路(前置放大、濾波、主放大)、51單片機的A/D轉換模塊、外部存儲器擴展模塊和串口電路發(fā)送模塊。本電路設計方案所存在的不足，有待于在以后的工作中進一步改進和完善。

[1]頊祺.如何學習脈診[J].山西中醫(yī)，1985(3)：57-59.

[2]費兆馥.現(xiàn)代中醫(yī)脈診學[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2003.

[3]歐陽兵，王明三，張成博.中醫(yī)診法學[M].北京：中國醫(yī)藥科技出版社，2001：12.

[4]張東青，王元昔.新型自檢脈搏傳感器的研制[J].傳感器技術，2001，12(5)：47-52.

[5]韓冰，王越，孟繁浩，等.基于PVDF壓電材料的壓力傳感器設計[J].吉林大學學報(理學版)，2012(2)：333-336.

[6]羅山鷹，婁文忠.一種用于人體脈搏的信號采集系統(tǒng)[J].兵工自動化，2001，20(2)：19-24.

[7]劉文，榮光軍，孫羽翔.壓阻傳感器在脈搏信號測試上的應用研究[J].北京生物醫(yī)學工程，1994，13(1)：48—53.

[8]湯偉昌，李睿.三部脈象檢測系統(tǒng)的研究[J].中國醫(yī)療器械雜志，2005，29(3)：164-166.

[9]李永敏.檢測儀器電子電路[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，1997：110-115.

[10]馮忠玲，童英華，陳學煌.ADC0809在兩路數(shù)據采集系統(tǒng)中的應用[J].電子設計工程，2011，19(13)：75-77.

[11]李洋，張松，彭美然，等.基于C8051F020單片機的脈搏波信號發(fā)生器的設計[J].中國醫(yī)學裝備，2011，8(11)：8-13.

[12]張曄，王玉民，倪志蓮.單片機應用技術[M].北京：高等教育出版社，2006.

[13]李鵬飛，馮念倫.脈搏波信號分析用于動脈硬化診斷儀器的研究[J].中國醫(yī)學裝備，2010，7(3)：20-23.

[14]求是科技譯.單片機通信技術與工程實踐[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[15]于巍，古慶恩，黃世安.脈搏血氧飽和度監(jiān)測技術的研究進展[J].中國醫(yī)學裝備，2008，5(4)：56-58.

Design of pulse signal collection circuit based on microcontroller

ZHAO Li-hua, ZHANG Yong-shou, ZHANG Wen-lan

China Medical Equipment,2014,11(4):35-38.

Objective: According to the theory of Traditional Chinese Medicine pulse diagnosis, we have used a PVDF pulse sensors and a combination of pre-amplifier unit to accurately detect the pulse information. Methods: Based on the principle of electronic technology design a multilevel amplification and filtering circuitry for detecting the pulse signal condition. Design the data acquisition circuit based on AT89C51 microcontroller and analog-digital conversion chip AD0809. Results: Using the signal acquisition and data amplifier circuit to effectively collect, process and amplify the pulse wave, will integrally combine the traditional Chinese medicine theory and modern scientific theories, greatly reduce the misdiagnosis rate, then effectively achieve the objective of pulse diagnosis. Conclusion: The data acquisition circuit which based on AT89C51 single-chip microcomputer and A/D conversion chip AD0809 can basically complete the pulse signal collection and processing, the signal amplification is more noticeable, which has A certain role in promoting to reveal the objective.

Pulse; PVDF sensors; AT89C51; AD0809; Serial communication

1672-8270(2014)04-0035-04

R197.324

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.04.011

趙麗華,女,(1989- ),碩士研究生，山東中醫(yī)藥大學理工學院，濟南軍區(qū)總醫(yī)院物資采供管理中心，研究方向：醫(yī)療設備質量控制。

2013-10-09

①山東中醫(yī)藥大學理工學院 山東 濟南 250355

②濟南軍區(qū)總醫(yī)院物資采供管理中心 山東 濟南 250031