智能脈搏檢測儀的設(shè)計(jì)

摘 要：智能脈搏檢測儀電路包括采集電路，低通濾波電路，放大整形電路，單片機(jī)電路和顯示電路。脈搏信號(hào)需要經(jīng)過采集電路轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；經(jīng)過低通濾波電路，濾除夾雜在脈搏信號(hào)中的高頻信號(hào)；然后經(jīng)過放大電路進(jìn)行放大，整形電路進(jìn)行整形，最后連接到STC89C52芯片的IO接口，由數(shù)碼顯示器接收并輸出數(shù)據(jù)。本檢測儀制作完成后，經(jīng)過測試，能夠檢測出脈搏，并且工作狀態(tài)穩(wěn)定，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：光電式傳感器；STC89C52芯片；脈搏；檢測

社會(huì)快節(jié)奏的生活，是心臟病的發(fā)病率逐漸上升的重要原因，很多的心臟病人突發(fā)心臟病而來不及求救導(dǎo)致死亡，可知心臟病已經(jīng)是非常嚴(yán)重的健康問題。心臟病死亡原因主要是沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)身體指標(biāo)的變化，如果可以研究出隨時(shí)可以檢測身體指標(biāo)的儀器，就可以有效防止這種慘劇的發(fā)生。我們知道，脈搏是攜帶生理信息的，隨時(shí)檢測脈搏就可以隨時(shí)檢測自己身體的指標(biāo)。智能脈搏檢測儀智能之處是采取借助光電式傳感器的方法，采集信號(hào)過程比較方便，采集時(shí)間從一分鐘減少到十秒鐘，從而可以縮小檢測過程的誤差，提高檢測脈搏的精確和速度?，F(xiàn)如今智能脈搏檢測儀在醫(yī)療市場占據(jù)了不可或缺的位置，具有很高的醫(yī)學(xué)價(jià)值。本次智能脈搏檢測儀的設(shè)計(jì)，提出設(shè)計(jì)思路，完成電路設(shè)計(jì)，焊接實(shí)物，研究和分析其優(yōu)劣之處，取長補(bǔ)短，制作出一個(gè)真正利民的智能脈搏檢測儀。

1 設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，智能脈搏檢測儀的設(shè)計(jì)電路包括信號(hào)采集電路，低通濾波電路，放大整形電路，單片機(jī)電路和數(shù)碼顯示電路。

信號(hào)采集電路把脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，脈搏信號(hào)能量的變化產(chǎn)生電動(dòng)勢，低通濾波電路把脈搏信號(hào)攜帶的高頻信號(hào)濾除，輸出后的電信號(hào)比較微弱，不是穩(wěn)定規(guī)律的脈沖信號(hào)，需要對(duì)其放大整形，信號(hào)經(jīng)過放大整形電路得出幅度較高的輸出信號(hào)，并且脈沖信號(hào)比較規(guī)律、完整和穩(wěn)定，信號(hào)經(jīng)過一些列電路后連接到STC89C52芯片的IO接口，STC89C52芯片接外部晶振可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能，利用單片機(jī)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，隨即數(shù)碼顯示器接收并讀出數(shù)據(jù)。

2 單元電路的設(shè)計(jì)

2.1脈搏采集電路

脈搏信號(hào)極其微弱，振動(dòng)幅度非常有限，在采集脈搏信號(hào)過程中，脈搏信號(hào)會(huì)受到高頻信號(hào)和噪聲信號(hào)的干擾，所以采用光電式傳感器。根據(jù)脈搏的跳動(dòng)特點(diǎn)，在采集數(shù)據(jù)之前需要判斷采集數(shù)據(jù)的頻率即采樣頻率，這樣做有利于單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)置時(shí)鐘。

如圖2所示，采集電路由發(fā)光二極管，光電三極管，電阻和電源組成，當(dāng)沒有信號(hào)通過時(shí)，發(fā)光二極管不工作，沒有信號(hào)輸出，當(dāng)有信號(hào)通過時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光，光電三級(jí)管工作，有信號(hào)輸出，根據(jù)光電式傳感器的工作原理就可以采集到脈搏信號(hào)。

2.2低通濾波電路

脈搏信號(hào)采集成功，但是輸出的信號(hào)中夾雜著高頻信號(hào)和噪聲，而且高頻信號(hào)干擾最為嚴(yán)重，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波電路。低通濾波電路的設(shè)計(jì)如圖3所示，電路由電容和電阻組成，電容C1是電解電容，電解電容的作用是有效防止電壓因?yàn)樨?fù)載變化而變化和低頻信號(hào)損失，并聯(lián)電容C2和電容C3的作用是阻高頻通低頻，脈搏信號(hào)經(jīng)過電容C2和電容C3后，夾雜在其中的高頻信號(hào)被濾除。

2.3放大整形電路

由于輸出的脈搏信號(hào)夾雜著低頻干擾信號(hào)和噪聲，仍然有不規(guī)則的脈沖信號(hào)存在，因此設(shè)計(jì)一個(gè)放大整形電路，如圖4所示。

放大整型電路由運(yùn)算放大器，電阻，電容和發(fā)光二極管組成。運(yùn)算放大器分別是放大器U1：A和放大器U1：B。當(dāng)沒有輸入信號(hào)時(shí)，兩個(gè)集成運(yùn)算放大器不工作，發(fā)光二極管斷路不發(fā)光。當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，第一級(jí)放大電路為同相放大電路，放大倍數(shù)為Av1=1+R7/R6，第二級(jí)放大電路根據(jù)虛短虛斷原理，放大倍數(shù)為Av2=1+R10/R9。電阻R8和電阻R9對(duì)電源電壓起分壓作用，讓其在第二級(jí)放大電路的同相端放大一個(gè)直流信號(hào)，所以第二輸出端的輸出信號(hào)有直流信號(hào)和交流信號(hào)。當(dāng)?shù)诙敵龆溯敵龅男盘?hào)變化時(shí)，發(fā)光二極管兩端壓降不同，所以發(fā)出的光信號(hào)不同。

2.4數(shù)碼顯示電路

數(shù)碼顯示電路如圖5所示，STC89C52芯片與LCD1602液晶顯示器引腳相連接，STC89C52芯片的P0口作為數(shù)據(jù)線與LCD1602液晶顯示器D0～D7雙向數(shù)據(jù)輸入輸出管腳相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。STC89C52芯片的P0口需要外接上拉電路，使其高電平有效。STC89C52芯片的P1.0引腳、P1.1引腳和P1.2引腳分別作為LCD1602液晶顯示器的RS（寄存器選擇）管腳、RW讀寫操作管腳和EN（使能端）。

2.5單片機(jī)時(shí)鐘電路

如圖6所示，單片機(jī)的時(shí)鐘電路由外部晶振和電容組成，X1為外部晶振，C1取值為10μF，C2取值為10μF。外部晶振連接在STC89C52芯片的XTAL1引腳與XTAL2引腳之間，實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。電容C1和電容C2阻隔直流通過交流，使得外部晶振的電壓值不會(huì)下降到0值，時(shí)鐘頻率設(shè)置為12MHz。

2.6單片機(jī)復(fù)位電路

復(fù)位是單片機(jī)的初始化工作，復(fù)位后中央處理器CPU及單片機(jī)內(nèi)的其他功能部件都處在初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。

如圖7所示，設(shè)計(jì)的復(fù)位電路由開關(guān)，電解電容和電阻組成。R12的阻值比較大，連接在RST復(fù)位引腳與地之間，使得電壓值不會(huì)下降到0值。當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，電源電壓給電解電容充電，復(fù)位電路不工作，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，點(diǎn)解電容放電，給復(fù)位電路提供電能。

3 實(shí)物制作與數(shù)據(jù)分析

（1）制作過程

首先利用Proteus（電路仿真軟件）畫出電路圖，分析電路工作原理，同時(shí)得出PCB原理圖，根據(jù)PCB原理圖圖進(jìn)行實(shí)物焊接，然后，在電路板上開始焊接，在焊接之前需要把元器件擺放好，有一個(gè)大體的位置，焊接的方法是一個(gè)模塊接連一個(gè)模塊的焊接，要注意各個(gè)插座的穩(wěn)定性，因?yàn)樵骷墓苣_都比較長，可以當(dāng)做導(dǎo)線使用。再次，焊接完成后，需要對(duì)STC89C52芯片燒錄程序。最后，最關(guān)鍵的一步是進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，脈搏信號(hào)經(jīng)過采集電路和低通濾波電路后，輸出端有幅度很小的脈沖信號(hào)，經(jīng)過放大整形電路后，脈沖輸出信號(hào)的幅度不是很大，需要增大信號(hào)的放大倍數(shù)。設(shè)計(jì)的實(shí)物圖如圖8所示。

（2）數(shù)據(jù)分析

利用制作好的脈搏測量儀對(duì)四個(gè)不同測試者的脈搏進(jìn)行測試，測試的脈搏數(shù)據(jù)，如表1所示。其中實(shí)際脈搏數(shù)是一分鐘測得的脈搏數(shù)，脈搏數(shù)據(jù)比較精確，測量次數(shù)1、2、3、4是不同的四人在不同時(shí)間利用智能脈搏檢測儀測量的脈搏數(shù)據(jù)，可以看出智能脈搏檢測儀測量出的數(shù)據(jù)與實(shí)際脈搏數(shù)據(jù)有一定差距，存在系統(tǒng)誤差，但是誤差存在是必然的，不會(huì)影響智能脈搏檢測儀的使用。

總之，本次設(shè)計(jì)的智能脈搏測量儀有如下優(yōu)點(diǎn)：一是光電式傳感器，它不會(huì)對(duì)肌膚造成傷害，采集方式是無創(chuàng)式采集。二是采用兩個(gè)運(yùn)算放大器，它可以提供足夠大的放大倍數(shù)，并且可以有效防止電路失真，適用模式范圍比較廣泛。三是采用LCD1602液晶顯示器，它的接口線較多，可以顯示更多文字和圖形，并且顯示多樣比較清晰，性格比較高。

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作者簡介：

宋晗哲（1999.7--），男，漢，衡水第一中學(xué)。