基于單片機(jī)的脈搏測量儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃威勝

摘 要：脈搏即動(dòng)脈搏動(dòng)，通過測量人的脈搏，可以反映出人體許多生理疾病的血流特征。古人使用“摸脈”作為診斷疾病的手段，如今人們測量脈搏的傳統(tǒng)方法是使用測量脈搏的聽診器，這些方法都有其局限性。本課題設(shè)計(jì)了一種使用紅外光電傳感器的脈搏測量儀，該系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，以紅外對(duì)管為傳感器，通過LM324處理信號(hào)并用數(shù)碼管顯示測量結(jié)果。它采用紅外線來進(jìn)行人體的脈搏測量，檢測的部位為被檢測人的任意一個(gè)手指或耳垂等組織較薄的部分。體積小但精度高，提高了脈搏測量儀的簡便性和精確度，具有很強(qiáng)的使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：脈搏測量儀；STC89C52單片機(jī)；紅外對(duì)管；LM324

中圖分類號(hào)：TH7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）27-150-2

0 引言

人的脈搏可以反映出人體許多生理疾病的血流特征，我國古代醫(yī)學(xué)中診脈占有很重要的地位。目前醫(yī)療界應(yīng)用最廣泛的感官測量器材是聽診器，雖然其體積小巧、應(yīng)用靈活，但是其精度較低、功能受限于測量環(huán)境，并且更依靠的是醫(yī)生的大量臨床經(jīng)驗(yàn)來判斷，因此業(yè)界迫切需要一種小巧靈便的儀器取代不變的聽診器。而運(yùn)用單片機(jī)原理設(shè)計(jì)的紅外脈搏儀，則具有可靠性高、控制精度高、設(shè)計(jì)簡潔、功能擴(kuò)展性強(qiáng)、通用性能強(qiáng)大、較可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1 脈搏測量儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前應(yīng)用最廣泛的光電測量系統(tǒng)由基礎(chǔ)模塊、采集模塊、中心處理模塊等構(gòu)成，其中基礎(chǔ)模塊包括向采集模塊和中心處理模塊，提供統(tǒng)一為5V直流電源的電源模塊和單片機(jī)的最小系統(tǒng)，最小系統(tǒng)采用中斷計(jì)數(shù)功能計(jì)算心率指數(shù)；采集模塊利用紅外測量原件將測量的物理信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，而且呈現(xiàn)出一定的函數(shù)形式，便于中心處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；中心處理模塊則將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整形計(jì)算最后得到心率值。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 脈搏信號(hào)采集

2.1.1 光電傳感器的原理和結(jié)構(gòu)

通常物理量的變化可以通過變化的光信號(hào)來表征，光電傳感元件再講變化的光信號(hào)進(jìn)一步處理成電子元件可以識(shí)別的電信號(hào)，最終利用可識(shí)別的電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電子元件不可識(shí)別物理數(shù)據(jù)的監(jiān)測。在測量脈搏指數(shù)的時(shí)候需要考慮要人體脈搏的變化規(guī)律和監(jiān)測難易程度，一般來說人體手指的厚度遠(yuǎn)小于人體其他部位的厚度，同時(shí)由于手指屬于人體的敏感部位，所以動(dòng)脈血管在手指的分布較多，這就便于利用測量儀器對(duì)變化的動(dòng)脈收縮產(chǎn)生的脈搏進(jìn)行測量，由此測量得到的強(qiáng)度較大且誤差較小，因此業(yè)界常常選擇人體的手指作為測量部位。

通過理論文獻(xiàn)分析可知，根據(jù)光信號(hào)的傳播方式，光電器材元件發(fā)射的光信號(hào)常?？梢詤^(qū)分為透射和反射等形式，光信號(hào)在透過人體組織的時(shí)候，人體表皮組織和血液組織會(huì)吸收一部分的光信號(hào)，同時(shí)反射一部分的光信號(hào)，最后還有光信號(hào)穿透人體。通常采用對(duì)稱的元器件來測量光信號(hào)的變化，光信號(hào)元件對(duì)稱放置，由此可以較好的將穿透人體的光信號(hào)采集到終端，從而進(jìn)行信號(hào)處理工作。在去除噪音方面，可以采用封閉式的傳感元件布局來減少測量誤差，由此減少后續(xù)信號(hào)處理誤差。

2.1.2 光電傳感器檢測原理

光電采集元件測量的人體組織包括血液組織，人體內(nèi)血液會(huì)隨著心臟的脈動(dòng)產(chǎn)生規(guī)律性的變化，同時(shí)人體組織的厚度也在呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，當(dāng)測量部位血液多的時(shí)候人體組織厚度增加，透射而出的光信號(hào)強(qiáng)度減弱，而測量部位血液少的時(shí)候人體組織厚度減小，透射的光信號(hào)強(qiáng)度則增強(qiáng)，這種表現(xiàn)在人體不同部分都有呈現(xiàn)，而在人體組織較薄的手指燈部位更容易發(fā)現(xiàn)。手指的動(dòng)脈血管根據(jù)心臟的脈動(dòng)會(huì)充滿不同容量的血液，此時(shí)采用光信號(hào)元件進(jìn)行測量會(huì)檢測到周期性變化的光信號(hào)，將規(guī)律性變化的光信號(hào)物理量轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，通過后期的數(shù)據(jù)處理，最后得到人體的脈搏指數(shù)。

2.1.3 信號(hào)采集電路

圖1表示人體手指的脈搏信號(hào)采集電路，D1表示光信號(hào)元件的發(fā)射裝置，Q4是布局對(duì)稱的接收裝置。

光敏感元件中的二極管發(fā)射光信號(hào)的角度會(huì)隨著電流強(qiáng)度的增大而減小，由此獲得的發(fā)射強(qiáng)度則會(huì)增強(qiáng)，因此R1的選取則變得非常重要，由于紅外接收二極管感應(yīng)紅外靈敏度較高，所以經(jīng)過大量測驗(yàn)與計(jì)算，R1選擇220Ω。在特殊情況下，R1選取的阻值過大會(huì)引起二極管電流的減小，此時(shí)光敏感元件檢測不到人體組織的脈搏變化。考慮到人體組織進(jìn)入和離開測量模塊時(shí)會(huì)引起較大的電流變化，這種變化通常會(huì)給后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作產(chǎn)生不必要的麻煩，因此增加一個(gè)耦合電容將直流電壓隔斷。

2.2 信號(hào)放大

2.2.1 放大器的介紹

LM324 是由四個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的集成電路，顯著優(yōu)點(diǎn)是電源電壓范圍寬泛，可以工作在幾伏到幾十伏的電源條件下，在特殊情況下單電源同樣可以使用，在靜態(tài)模式下功耗較小，同時(shí)相加比高，在電子元件中出鏡率較高。LM324 采用的是14 腳雙列直插塑料封裝模式，通電源類似，集成的四個(gè)相同的運(yùn)算放大器可以互不干擾的獨(dú)立使用，非常方便。

2.2.2 放大電路

低通放大器的設(shè)計(jì)原理是根據(jù)人體脈搏運(yùn)動(dòng)后跳動(dòng)次數(shù)（一般可達(dá)到200次/分鐘）來計(jì)算的。利用R6、C1電阻電容構(gòu)成低通濾波器可以濾除細(xì)微的噪聲干擾，同時(shí)得到相應(yīng)的截止頻率，根據(jù)R6和R15的比值得到相應(yīng)的放大倍數(shù)將微弱信號(hào)進(jìn)行放大處理，由此得到比較明顯的電信號(hào)。

根據(jù)一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)，可得：

按人體的脈搏運(yùn)動(dòng)后跳動(dòng)（一般為200次/分鐘）頻率是3.3 Hz考慮，低頻特性結(jié)果基本符合要求。經(jīng)過低通放大后輸出的信號(hào)則是疊加有噪聲的脈動(dòng)正弦波。

2.3 波形整形電路

波形整形電路由微分器、電壓比較器和單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器等構(gòu)成，其中C6、R8構(gòu)成了微分器，U3和C2、R7共同構(gòu)成了單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器， C2、R7的值確定了相應(yīng)的脈寬。

該比較器的閥值電壓可通過R17調(diào)節(jié)，并控制在正弦波的幅值范圍內(nèi)，但并不嚴(yán)格要求R17的調(diào)節(jié)范圍，因?yàn)殡妷罕容^器的輸出信號(hào)經(jīng)過微分器處理后連接輸入到振蕩器的反向輸入端中，由此產(chǎn)生的觸發(fā)誤差在可控的范圍內(nèi)。

一般產(chǎn)生輸入信號(hào)時(shí)，在比較器中輸入信號(hào)的每個(gè)后沿到來時(shí)，電壓比較器產(chǎn)生高電平，此時(shí)C2通過R7充電。電容經(jīng)過一段時(shí)間的充電后充點(diǎn)電流會(huì)減弱使得U3同相輸入端的電壓較低，當(dāng)此時(shí)的電壓低于反相輸入端，U3改變狀態(tài)并再次輸出低電平。由此經(jīng)過處理的電信號(hào)與心臟搏動(dòng)頻率相同，通過LED顯示器進(jìn)行閃爍表征，LED的閃爍頻率可以表示人體心臟的搏動(dòng)頻率，由此將電信號(hào)通過數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算人體心率值并在顯示器上顯示。輸出波形如圖2所示。

2.4 單片機(jī)處理電路

本系統(tǒng)中采用了STC89C52作為微控制器，其采用的是MCS-51的內(nèi)核，但是做了很多改進(jìn)，增加了很多功能，擁有8位的CPU可以方便靈活的提供解決方案并完成所需設(shè)計(jì)任務(wù)，在使用時(shí)選擇負(fù)跳變中斷觸發(fā)，當(dāng)STC89C52的INTO腳接收到整形后的脈沖電平后，脈沖下降沿會(huì)觸發(fā)單片機(jī)中斷計(jì)時(shí)，每觸發(fā)一次中斷則計(jì)時(shí)加一；定時(shí)器中斷主要完成一分鐘的定時(shí)功能，再用P0、P2口將測量結(jié)果顯示在數(shù)碼管上。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 韓文波，曹維國，張精慧.光電式脈搏波監(jiān)測系統(tǒng)[J].長春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，22（4）：2.

[2] 歐陽俊，謝定，等.基于BL-410的指端脈搏波采集系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].實(shí)用預(yù)防醫(yī)學(xué)，2004，11（2）：2-4.

[3] 朱國富，廖明濤，王博亮.袖珍式脈搏波測量儀[J].電子技術(shù)應(yīng)用，1998，01：1-3.