脈搏計設(shè)計與實現(xiàn)要點

于賜龍

重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400030

1 整體裝置及原理介紹

脈搏每分鐘跳動的次數(shù)是一項重要的生理參數(shù)，它反應(yīng)了人體心臟工作的頻率。正常人的脈搏次數(shù)是每分鐘60次～90次（嬰兒為90次～120次，老年人則為100次～150次），這種信號頻率較低，因此，脈搏測試儀是用來測量低頻信號的裝置，它的根本任務(wù)是實現(xiàn)對人體脈搏跳動的測量，其中包括：每分鐘脈搏跳動的次數(shù)是否正常、是否過快或過慢、是否有異常等現(xiàn)象。

為實現(xiàn)測量目的，首先要將傳感器測得的壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，此信號為毫伏級電壓信號，需要進(jìn)行信號的放大、濾波和整形，得到標(biāo)準(zhǔn)0V～5V脈沖信號送入單片機(jī)，利用單片機(jī)控制實現(xiàn)計數(shù)、顯示、存儲和報警等功能。

2 整體裝置硬件電路設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理部分

傳感器種類繁多，不同工作原理的傳感器應(yīng)用于不同的產(chǎn)品研究及開發(fā)。對于微弱的非電量脈搏信號，要求傳感器能夠以高精度把此非電量信號轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)分析可以選用光電式傳感器或是壓電式傳感器。本次設(shè)計采用半導(dǎo)體壓力傳感器2S5M，測量電路采用恒流源的供電形式。

經(jīng)傳感器得到的信號是微弱的微伏級模擬信號，需要用放大器加以放大。由于通用運算放大器一般都具有毫伏級的失調(diào)電壓和每度數(shù)微伏的溫漂，因此通用運算放大器不能直接用于放大微弱信號，而測量放大器一般能較好地實現(xiàn)此功能。測量放大器是一種帶有精密差動電壓增益的器件，由于它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強(qiáng)抗共模干擾能力、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點，使其在檢測微弱信號的系統(tǒng)中被廣泛用做前置放大器。本次設(shè)計選用op-07來組成三運放的測量放大器，差動輸入端接兩個運算放大器的同向輸入端，

由于脈搏信號主峰頻率在1Hz 左右，能量較強(qiáng)的分量也在20Hz 以下，所以設(shè)計低通濾波器的上限截止頻率為40Hz。本設(shè)計選用壓控電壓源型低通濾波電路，用LM308作為精密運算放大器，它對非穩(wěn)壓電源有足夠電源抑制。

為了把從濾波電路出來的信號整形為適于單片機(jī)接受的0-5v脈沖信號，取555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的VCC為5v，這樣可以得到標(biāo)準(zhǔn)的0-5v脈沖信號。注意對于已知一定幅值的噪聲信號，要合理設(shè)計放大倍數(shù)，以防整形時把一定幅值的噪聲信號當(dāng)做脈博信號。

2.2 單片機(jī)控制電路

本此設(shè)計選用AT89C51作為單片機(jī)控制芯片，單片機(jī)最小系統(tǒng)主要設(shè)計時鐘電路和復(fù)位電路。電路圖中時鐘電路選用12M晶振，電容30pf，復(fù)位電路電容22uf，電阻10k，選用+5v電源。如果要對異?，F(xiàn)象（異?，F(xiàn)象指正常心跳在一分鐘內(nèi)突然出現(xiàn)心率過高或過低的現(xiàn)象）進(jìn)行判斷，需要對每分鐘的7個數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，保留一天的測量數(shù)據(jù)，則要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲空間的擴(kuò)展。在進(jìn)行擴(kuò)展時，AT89C51的p2口作為外部擴(kuò)展存儲器的高八位地址連接口，直接連接數(shù)據(jù)存儲芯片6264的高五位地址，p0口作為外部擴(kuò)展存儲器的低八位地址連接口和數(shù)據(jù)傳輸口，地址線經(jīng)鎖存器74LS373鎖存后與6264低八位地址相連，數(shù)據(jù)線直接連接6264的數(shù)據(jù)口。

由于沒有使用多功能擴(kuò)展芯片如8255或8155，所以我們在連接三位數(shù)碼顯示器時，選用MAX7221芯片來驅(qū)動四位一體數(shù)碼管，這樣只需要占用AT89C51芯片三個引腳。

采用聲光報警，如果記錄數(shù)值大于最高跳動值，綠色指示燈發(fā)光報警，如果記錄數(shù)值小于最低跳動值，則紅色指示燈發(fā)光報警。如果某十秒中脈沖個數(shù)高于平均值一定次數(shù)，則綠色指示燈發(fā)光報警同時蜂鳴器發(fā)出聲音報警，如果某十秒中脈沖個數(shù)低于平均值一定次數(shù)，則紅色指示燈發(fā)光報警同時蜂鳴器發(fā)出聲音報警。

3 軟件設(shè)計

使用單片機(jī)內(nèi)部定時器0定時10s，定時器1記錄p3.5口每10s脈沖個數(shù)，在單片機(jī)內(nèi)部求和得一分鐘心跳次數(shù)，由四位一體數(shù)碼管顯示，然后求取一分鐘內(nèi)每10s心跳次數(shù)平均值，并與每10s的記錄值進(jìn)行比較，以判斷是否有異常現(xiàn)象發(fā)生。每一分鐘作為一次大循環(huán)，主程序重復(fù)運行。

4 裝置總體電路結(jié)構(gòu)圖

圖1

傳感器部分沒有接入電路，其信號用模擬正弦信號進(jìn)行仿真，達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié)論

這樣的電路具有設(shè)計簡單、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性能好、電路成本低、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，其功能可以通過軟件實現(xiàn)，并且實現(xiàn)的方式比較靈活，適合實際應(yīng)用，是一種很理想的設(shè)計方案。

[1]童詩白.模擬電子計數(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社.

[2]閻石.數(shù)字電子計數(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社.

[3]馬明建.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].西安交通大學(xué)，2005.

[4]高光天.傳感器與信號調(diào)理器件應(yīng)用技術(shù)[M].科技出版社，2002.

[5]何希才，等.實用傳感器接口電路實例[M].中國電力出版社，2007.

[6]張國雄，等.測控電路[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2001.