测试技术课程设计脉搏测量仪

《机械工程测试技术》课程设计脉搏测量仪的设计姓名：张峰学院：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级：2010级本科4班学号：201015130457完成日期：2012年12月28日摘要医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。为了节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测量10秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以6即得到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高。本文介绍一种用单片机制作的脉搏测量仪，只要人把手指放在传感器内2秒钟就可以精确测量出每分钟脉搏数，测量结果用三位数字显示。关键词：AT89C2051；单片机；脉搏测量仪目录第一章引言..........................................................................................................1第二章基本结构模块..............................................................................................22.1脉搏波检测电路.............................................................................................22.2脉搏信号拾取电路.........................................................................................22.3信号放大.......................................................................................................32.4波形整形部分.................................................................................................5第三章整体电路分析............................................................................................73.1光发射电路.....................................................................................................73.2光电转换电路.................................................................................................73.3信号采集及处理系统.....................................................................................83.4过采样技术的应用.........................................................................................83.5整体硬件电路设计.........................................................................................9参考文献..................................................................................................................101第一章引言脉搏测量属于检测有无脉博的测量，有脉搏时遮挡光线，无脉搏时透光强，所采用的传感器是红外接收二极管和红外发射二极管。用于体育测量用的脉搏测量大致有指脉和耳脉二种方式。这二种测量方式各有优缺点，指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降；耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确。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的弱信号,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第二章基本结构模块2.1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，结构如图所示。图2-1透射式光电传感器图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。2.2脉搏信号拾取电路如图2所示，IClA为单位增益缓冲器，用于产生2.5V的基准电压。3123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2006SheetofFile:D:\DESIGNEXPLORER99SE\EXAMPLES\MyDesign.ddbDrawnBy:VCCR333KR233KR4150KR5470KR0100C147uFC20.01uFIC1ATLC2262IC2BTLC2262VCCIMDIR333IRDPBW83Vi图2-2信号拾取器图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O.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940nm，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l中，RO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，BPW83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“O”。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。由此看来，所谓脉搏信号的拾取实际上是通过红外接收二极管，在有脉和无脉时暗电流的微弱变化，再经过IClB的放大而得到的。所拾取的信号为2μV左右的电压信号。2.3信号放大按人体脉搏在运动后最高跳动次数达240次/分计算来设计低通放大器，它由IC2A和C04等组成，如图2所示。转折频率由R07、C04、R08和C05决定，放大倍数由R08和R06的比值决定。4图2-3低通滤波器图根据二阶低通滤波器的传递函数，可得050408070807060420504080706081011)111(1)()(RRRRRRRcssCCRRRRSVSV（1）放大倍数为H=-R08/R06=-22（2）取0.707倍零频增益计算高频转折频率，即fH=7.7Hz（3）按人的脉搏最高为4Hz考虑，低频特性是令人满意的。需要说明的是，以上分析是在忽略C03的条件下做出的，如果考虑C03的话，那么：R610kR710kR9300kR8220kC50.47uFC40.1uFIC2ATLC2264C34.7uF2.5VViVo1Vs51111)()(040603040406sCRCCsCRsVsViS(4)由此可见，C03没有影响频率特性的分析，它的作用只是隔直。二级放大器兼比较器如图4所示。Rpll用以调整系统的放大倍数，C06用以防止放大器自激。采用二级放大，零点漂移不很明显，在O.1V左右。所以将比较器的阈值电压设计成O.25V，以确保滤除干扰信号。采用比较器的好处是能有效地克服零点漂移所造成的影响，提高测量的准确性。图2-4二级放大器和比较器图2.4波形整形部分波形整形电路如图5所示，IC3A是CD4528型单稳态多谐振荡器，有效脉宽为0.05s．其宽度由R22和C20决定。IC3B也组成一个单稳态多谐振荡器，脉宽为240ms。D2、Dl和T3等组成一个或非门，只有C，E两点均为低电平时，R1610kR1610kR1239kR439kC60.1uF321411IC2B321411IC2CTLC2264VCCRP11500kRP1210k2.5vVo1AB6信号放大器整机输出才是高电平。设计这个电路的目的是为了在输出端输出一个窄脉冲，并且要在由R13和C07决定的时间内任何信号都不会干扰输出。R23和C21充电时间的长短决定了计数脉冲的宽度，一般不希望它太宽。图2-5波形整形线路图VCCR2220kR2322kR241kR25470R2414.7kR131MR2610kC210.01uFC200.1uFD14148D34148D24148C71uFT39014RC2CX1+T4-T5R3Q6Q7IC3A4528RC2CX1+T4-T5R3Q6Q7IC3B4528BVCCVCCVCCCED记数脉冲7第三章整体电路分析3.1光发射电路经实验可知,采用GaAs红外发光二极管作为光源时，可基本抑制由呼吸运动造成的脉搏波曲线的漂移。脉搏波检测以光电检测技术为基础，因此受周围杂散光、暗电流等各种干扰影响较大。为了克服这一问题本系统采用脉冲振幅光调制技术。脉冲调制传送的是调制信号的采样值，只要采样频率奈奎斯特采样频率，则可由采样脉冲来恢复原信号，而不会导致失真。系统对红外二极管的驱动脉冲信号的频率选定为工频整数倍400Hz以降低工频干扰。脉冲载波由ADuC841内部16位数模转换器产生。为了保证红外发光二极管的光源稳定，本文采用运放op495和NPN型三极管作为恒流源电路向发光二极管提供稳定的工作电流，光源驱动电路如图4-1所示。3.2光电转换电路光敏二极管的特性是将光信号转换为电流，而随后的A/D转换电路是以电压为检测对象。因此，接收电路中应采用电流电压变换电路，将电流信号转换为电压信号。运算放大器与电阻R形成电流电压变换电路，如图3-2所示。（图中S_GND为信号地，运算放大器工作正负电源为5V、0V，为避免信号丢失，将信号抬高至VS_GND=1V。）电路输出电压RIAout。AVDDDAC0＋－OP495R图3-1发光二极管驱动电路图8图3-2光敏二极管的电流电压转换电路图3.3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