脉搏参数采集

11 绪论 脉搏人体血管的跳动，脉搏跳动的状况可以在一定程度上反映出人体的健康状况。号脉是中医特有的传统诊疗方式，医生们通过号脉来诊断出病人的病情，但是传统的号脉方式主要是医生们通过经验来号脉，有一定的误差，如果诊断失误还可能会造成误判，从而导致病人的病情恶化。随着科技的发展，通过仪器完全可以代替传统的方式，而且其更有判断依据，更加的可靠。现在越来越多的医院，不论是大型的医院还是乡村医院都需要脉搏参数器。该系统先采用传感器对人体的脉搏信号进行采集，然后将采集到的信号经过前置放大、模拟滤波、后后级放大电路进行处理，再经过A/D转换电路，最后单片机通过串口通信电路把信号送到PC机接口，最后显示信号。这种实时显示对于医学中心血管监护方面具有重要的参考价值，它可以非常方便医生对病人的诊断，同时也可以使诊断更准确。一般人体的脉搏信号的幅度一般都在0~10mV左右，而A/D转换器的输入范围为-5~+5V，所以模拟信号处理电路应该放大到-5~+5V。通过仿真结果表明，脉搏信号频率范围为0.5~20Hz，并且最后通过主控电路，可以在PC机上实时显示采集波形信号。

22 整体电路设计本系统主要脉搏信号采集电路、脉搏前置放大、滤波、后级放大电路、AT89S51单片机、A/D转换模块、串口电路发送模块组成。对微弱的脉搏信号进行采集必须选择合适的传感器，通过传感器采集的信号经过各处理电路的放大、滤波后，再经过A/D转换传给单片机通过串口通信输出到PC机，直接显示出来。系统总原理框图如图2.1所示。图2.1 系统总原理框图信号采集传感器前置放大电路滤波电路后级放大电路A/D转换电路单片机控制 电 路串口通信电 路PC显示端

33 系统硬件电路设计3.1 脉搏传感器的选择 脉搏传感器的选择对于整个采集系统的设计非常重要。脉搏传感器的基本功能就是将切脉压力和桡动脉搏动压力这样一些物理量(非电量)转换成为便于测量的电信号。因此要求传感器具有一定的检测重复性和线性，可以重复使用，而且测得的数据具有一定的精度；其次在较大范围内数据具有一定的精度；同时，还需具有一定的灵敏度和稳定性。目前常见的脉搏采集方法有：心电电位方法、光电方法、压力传感器方法、电容传感器方法和电声传感器方法。由于压电传感器信号容易测量所以选用压电式传感器。（1）1SC0073传感器该传感器采用压电复合材料作为换能元件，信号通过特殊的匹配层传递到换能元件上变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压信号输出。该传感器是一种高性能低成本的振动传感器，具有灵敏度高、频率响应范围宽、抗过载及冲击能力强、抗干扰性好、操作简便等特点。通过测试该型号传感器性能基本满足条件，但是信号稳定性欠佳，尤其是柱状的结构外形，导致其无法与腕带方便的配合。（2）HK-2000B脉搏传感器HK-2000B脉搏传感器采用高度集成化工艺将力敏组件、灵敏度温度补偿组件、感温组件、信号调理电路集成在传感器内。主要特点是灵敏度高、抗干扰性能强、过载能力大、性能稳定可靠、使用寿命长。实验发现由HK-2000B提取信号绘制的脉搏波形清晰稳定，使用时无需搭建前置放大电路，但体积过大，无法对三个脉位进行同时测量。（3） PVDF压电传感器 PVDF压电传感器由PVDF压电薄膜构成。与其他压电材料相比，PVDF压电薄膜具有压电系数大、频响宽、动态范围大、力电转换灵敏度高、机械性能强度高、声阻抗易匹配等特点，且重量轻、柔软不脆。对该传感器的测试如下：分辨率、灵敏度等指标均符合要求，而且得到的脉搏波形与HK-2000B获得质量相当。综合以上对比，本设计方案中选取PVDF压电传感器作为脉搏测量传感器。

43.2 前置放大电路 前置放大电路对于脉搏波信号采集来说至关重要，考虑到脉搏信号的特点，为了放大噪声环境中传感器输出的弱信号，对于放大器要求具有：极高的共模和差模输入阻抗；很低的输出阻抗；精确和稳定的增益；极高的共模抑制比。基于以上分析，选用ANALOG DEVICES公司生产的低功耗、高精度仪表放大器AD620作为前置放大的核心器件。AD620是一种低功耗的仪用放大器，特别适合做小信号的前置放大级，经AD620放大后的小信号失真度很小，加一级AD620组成的前置放大，同样可以把系统误差控制在系统设计要求的范围内。 图3.1 前置放大电路 C1保证双端输入的信号是相同的，R2，C2共同组成低通滤波器保证信号能够通过，其允许通过的频率为2.41KHZ，AD620内部经典的三运放结构有效的减小了共模输入的干扰如图3.25图3.2 AD620内部电路图通过调整R3可以改变电路的增益，调整R3使G=5，则根据G=(49.4K /R3) +1 得R312.35KΩ，所以选用可变电阻为20KΩ。3.3 信号滤波电路脉搏信号的特点如下： (1)强干扰下的微弱信号。由于脉搏信号幅度很小，大约是微伏到毫伏的数量级范围。因此，极容易引入干扰，这些干扰有来自50 Hz的工频干扰，有来自肌体抖动、精神紧张带来的假象信号等。 (2)频率低但能量相对集中的信号。人体的脉搏频率非常低，约为0．5～4 Hz，一般情况下为1 Hz左右，脉搏信号可看成一个准直流信号，也可看成是一个低频交变信号。根据脉搏功率谱能量分析，健康人脉搏能量绝大多数分布于1～5 Hz，10HZ以下的信号占据99%。，而病人脉搏在1 Hz以下和较高频段(如5 Hz以上或10 Hz以上)仍有相当一部分的能量分布, (3)复杂且易变的随机信号。脉搏信号因人体生理、病理、心理的不同而不同，又受环境、时间、气候的影响，表现出同一个人在不同的时间、地点有不同的脉象，有时也会有不同的疾病表现出相同的脉象，温度对传感器的影响信

6号输出频率主要是在0.5HZ一下。综上所述，只要设计出一个0.5HZ~20HZ的带通滤波器即可。 本系统的滤波电路采用双运放LM358。LM358是双运放集成电路，封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式，其管脚图如图6所示。它内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器。其主要特性：短路保护输出；真差动输入级；单电源工作：3．0～32 V；低输入偏置电流；具有内部补偿；共模范围扩展到负电源。带通滤波电路结构如图3.3所示。图3.3 滤波电路 R4，C4、R5，C5组成了二阶低通滤波器。其截止频率为f0=1/(2π*R4*C4）。取R4、R5阻值为3.6KΩ，则C4，C5=1/(2π*R4*f0）=1/(2*π*3600*40)1.1uF。则：f0=1/(2*π*3600*1.1*)40.2HZ;610 R6,C6组成高通滤波器，其接孩子频率为f1=1/(2π*R6*C6）。取R6=33KΩ，C6=1/(2π*R6*f0）=1/(2*π*33000*0.05)10uF则：f1=1/(2*π*33000*100*)0.48HZ;610

7 如果在一阶RC低通电路的输出端，再加上一个电压跟随器，使之与负载很好隔离开来，就构成一个有源RC低通滤波电路，由于电压跟随器的输入阻抗很高，输出阻抗很低，因此，其带负载能力很强3.4 二级放大电路其目的是把信号放大到适合A／D转换的要求，从而使前置放大器的放大倍数不至于太高而产生波形的失真。因为前置放大后信号的大小为50 mV，因此后级放大倍数为100。二级放大电路结构如图3.4所示。图3.4 二级滤波电路此电路为同相比例放大器，放大增益为R9/R10=10K/20=5008图3.5 各个信号采集点波形 1是信号源，2是U1输出，3是U2输出，4是U3输出。3.5单片机、AD、串口、LED系统 图3.6 单片机AD、串口、LED系统

9 3.5.1 AD转换电路 如图3.6，U3是AD转化芯片，本系统中采用美国TI公司生产的多通道、低价格的模数转换器TLC1543，这款芯片除了高速的A／D转换器和通用的控制能力外，内部还有14个A／D转换通道，其中11个通道可以作为外部输入的模拟电压，3个通道是芯片内部的自测电压。其采样一保持功能自动进行。本电路从AD12通道输入。3.5.2 单片机电路 如图3.6，U4是AD89S52，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。3.5.3 串口接口电路如图3.6，U4MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。有以下几点：1、符合所有的RS-232C技术标准2、只需要单一+5V电源供电3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V- 4、功耗低，典型供电电流5mA 5、内部集成2个RS-232C驱动器6、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。3.5.4 LED显示电路 芯片为共阴极显示芯片。3.6 电源电路

10为了避免引入50 Hz工频信号对电路的干扰，因而选用干电池供电，干电池提供的电压为7．5 V。为了达到较好的供电质量，在电路中选择LM2940稳压芯片，将7．5 V左右的电压稳定到5 V。如图3.7所示。C1上边出来是+5V，C2下边出来是-5V电路。图3.7电源电路

114 软件部分/*****************************************************文件名：AD采样及频率显示*****************************************************/#include #include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuint num;uchar port,m;uchar ge,shi,bai,qian;sbit AD_eoc=P1^4;sbit AD_clk=P1^3;sbit AD_add=P1^1;sbit AD_dat=P1^0;sbit AD_cs=P1^2;//单片机引脚配置uchar code led7[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; //0~9共阴极代码//uchar code ledd7[]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef}; //0~9带小数点的共阴极代码/*******************************************************函数名：延时函数delay ，带参数参数：j,k返回值：无功能描述：延时几毫秒*******************************************************/AD转换计 算数码管显串口发送