基于單片機(jī)的脈搏測試手表的設(shè)計(jì)

張　亮

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院　西安　710021）

1　引言

隨著科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，人們的保健意識越來越強(qiáng)，越來越注重身體健康。心率脈搏監(jiān)測是一個十分重要的測量參數(shù)，但是從市場來講，以往專門測量心率值的儀器較少，人們?yōu)榱酥雷约旱倪\(yùn)動或者勞動強(qiáng)度是否超負(fù)荷，尤其是老年人或運(yùn)動員等，都得趕到醫(yī)院而不能實(shí)時測量，給人們的生活造成不便。為了貫徹“預(yù)防為主”的方針，實(shí)現(xiàn)人人都能享受基本醫(yī)療保健的目標(biāo)，把過去“以醫(yī)院為軸心”的醫(yī)療服務(wù)體系過渡到當(dāng)今“以家庭為基礎(chǔ)”的社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)體系已成為必然趨勢，設(shè)計(jì)各種便攜式醫(yī)療儀器已成為趨勢。脈搏測試手表是一種集輕型化、一體化等優(yōu)點(diǎn)的新型兼生活與保健于一體的儀器，它適用于家庭、健身館和醫(yī)院等多種場合。目前脈搏測量儀在多個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，除了應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如無創(chuàng)心血管功能檢測、妊高癥檢測、中醫(yī)脈象、脈率檢測等等，商業(yè)應(yīng)用也不斷拓展，如運(yùn)動、健身器材中的心率測試都用到了技術(shù)先進(jìn)的脈搏測量儀［1］。本論文提出了便捷的脈搏測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)能實(shí)時監(jiān)測脈搏信號，將信號進(jìn)行整形得到需要的生理參數(shù)，以便于醫(yī)生診斷以及家庭維護(hù)。本設(shè)計(jì)主要完成信號的采集、信號整形、信號放大以及顯示電路的設(shè)計(jì)。經(jīng)設(shè)計(jì)得到的系統(tǒng)可以進(jìn)一步應(yīng)用于市場。

本論文主要完成脈搏手表的信號采集、調(diào)制電路設(shè)計(jì)，并利用單片機(jī)完成控制模塊的設(shè)計(jì)，最終硬件電路的制作。本設(shè)計(jì)為電子硬件電路設(shè)計(jì)，使用51單片機(jī)作為主控單元（89C51），并配合相應(yīng)的采集模塊及顯示模塊電路、報(bào)警模塊完成硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。硬件主要包含的模塊：信號采集模塊、整形電路模塊、按鍵模塊、報(bào)警模塊。采集模塊將信號采集進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)過整形電路的濾波和放大，電壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換編程方波，進(jìn)入單片機(jī)記錄脈沖的上升沿，完成對脈搏的采集［2～3］。

2　總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是一個以89C51為核心的脈搏檢測電路系統(tǒng)，同時也是一個時鐘系統(tǒng)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含著兩個功能。一個是時鐘功能，系統(tǒng)可實(shí)時地顯示時間（時分秒），并且在時間與實(shí)時不符的時候進(jìn)行調(diào)控；另一個功能就是測脈功能，當(dāng)選擇該模式時可以獲得實(shí)時脈搏值，并與被測者年齡段的正常脈搏值進(jìn)行比對，若過快則啟動報(bào)警，提醒被測者注意。主要通過以單片機(jī)為核心控制，將采集模塊、校準(zhǔn)模塊、按鍵模塊、顯示模塊以及報(bào)警模塊集合成為一個脈搏測試手表的系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)［4］。

圖1　系統(tǒng)電路總體框圖

通過壓電傳感器將脈搏信號轉(zhuǎn)化為電信號，電信號經(jīng)過濾波、整形、放大，便于記錄。看似簡單，其實(shí)不然，脈搏信號的特點(diǎn)使得有用信號常常被掩埋在噪聲里，所以不得不通過器件選擇和濾波來避免這種情況的發(fā)生。系統(tǒng)需要完成脈搏表采集模塊、整形模塊、按鍵模塊、顯示模塊以及報(bào)警模塊等功能模塊的設(shè)計(jì)，其中在整形模塊中選擇器件時需要考慮到信號的低頻、微弱的特點(diǎn)，不僅要得出目標(biāo)信號，更要注意其他信號的干擾；在顯示模塊中，必須考慮到所選擇的數(shù)碼管的極性和連接方式，以及數(shù)碼管的驅(qū)動電壓［5］。

MCS-5l系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST（第9管腳）出現(xiàn)2個機(jī)器周期以上的高電平時，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。

復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電自動復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。圖2中所示的復(fù)位電路就包括了這兩種復(fù)位方式。上電瞬間，電容兩端電壓不能突變，此時電容的負(fù)極和RESET相連，電壓全部加在了電阻上，RESET的輸入為高，芯片被復(fù)位。隨之+5V電源給電容充電，電阻上的電壓逐漸減小，最后約等于0，芯片正常工作。并聯(lián)在電容的兩端為復(fù)位按鍵，當(dāng)復(fù)位按鍵沒有被按下的時候電路實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，在芯片正常工作后，通過按下按鍵使RST管腳出現(xiàn)高電平達(dá)到手動復(fù)位的效果。一般來說，只要RST管腳上保持10ms以上的高電平，就能使單片機(jī)有效的復(fù)位。圖中所示的復(fù)位電阻和電容為經(jīng)典值，實(shí)際制作是可以用同一數(shù)量級的電阻和電容代替，讀者也可自行計(jì)算RC充電時間或在工作環(huán)境實(shí)際測量，以確保單片機(jī)的復(fù)位電路可靠。復(fù)位電路原理圖如圖2所示。

圖2　復(fù)位電路原理圖

脈搏測試過程中，精確的定時直接影響到脈搏值的準(zhǔn)確度。本設(shè)計(jì)中采用利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2的引腳上外接定時元件（一個石英晶體和兩個電容），內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激振蕩。一般來說晶振可以在1.2MHz～12MHz之間任選，甚至可以達(dá)到24MHz或者更高，但是頻率越高功耗也就越大。本次設(shè)計(jì)中采用11.0592M的石英晶振。和晶振并聯(lián)的兩個電容的大小對振蕩頻率有微小影響，可以起到頻率微調(diào)作用。因此我們要考慮諧振器件的質(zhì)地及規(guī)格：當(dāng)采用石英晶振時，電容可以在20pF～40pF之間選擇；當(dāng)采用陶瓷諧振器件時，電容要適當(dāng)?shù)卦龃笠恍?，?0pF～50pF之間。通常選取22pF的石英晶振電容就可以了。時鐘電路原理圖如圖3所示。

圖3　時鐘電路原理圖

采用以芯片AD745、LMF90、MAX7410為核心元器件來設(shè)計(jì)信號調(diào)理電路，經(jīng)過后期的工作，發(fā)現(xiàn)這樣的電路工作穩(wěn)定可靠、重復(fù)性好、噪聲小，抗干擾能力強(qiáng)，工頻及工頻倍頻陷波效果明顯，信號處理實(shí)時、準(zhǔn)確。

報(bào)警部分使用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)。雖然LED燈也可以進(jìn)行報(bào)警功能，但是根據(jù)手表的佩戴部位，聲音報(bào)警更容易引起人們的重視；考慮到便攜式、低成本、易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，手表的時鐘顯示采用電子手表常用的共陰極數(shù)碼管［7］。報(bào)警模塊原理圖如圖4所示。

圖4　報(bào)警模塊

在時間和脈搏值的顯示上，本系統(tǒng)采用八段數(shù)碼管的動態(tài)顯示［8］，顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也和點(diǎn)亮?xí)r間與間隔時間的比例有關(guān)。相比靜態(tài)顯示采用動態(tài)顯示既可節(jié)省I/O口數(shù)目，也可降低整個系統(tǒng)的能耗。所謂動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各個位，對于顯示器的每一位來說，每隔一段時間點(diǎn)亮一次。利用人的視覺暫留功能可以看到整個顯示，但必須保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間與間隔時間的比例有關(guān)，通過軟件調(diào)整參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)較高穩(wěn)定度的顯示。

在測試器系統(tǒng)中，按鍵模塊含有五個按鍵，分別用于控制脈搏表的檢測和時鐘的調(diào)試，其中兩個是時鐘的調(diào)配按鈕，一個是模式選擇按鈕，一個是時鐘設(shè)置按鈕。這五個鍵均接在p1口作為輸入。各鍵代表的含義如表1所示。

為了優(yōu)化AD745的DC響應(yīng)特性和AC響應(yīng)特性，減少偏置電流誤差和AC響應(yīng)誤差達(dá)到超低噪聲性能的要求，輸入電阻的阻抗必須很高。前置放大器輸入阻抗越高，傳感器的最小分辨頻率越低、傳感器輸出信號信噪比越高。本設(shè)計(jì)中令C13和傳感器壓電晶片的電容值相等（輸入端口接傳感器）；R1=R3=108歐姆，R2和 R4取值遠(yuǎn)小于 R1，使得前置放大增益值為：1+R4/R1。設(shè)計(jì)的傳感器輸出阻抗值為108數(shù)量級，前置放大器輸入阻抗高達(dá)1010數(shù)量級，用來平衡前置放大電路中AD745輸入源電阻（電阻和電抗），使得傳感器的輸出阻抗和前置放大器的輸入阻抗能夠達(dá)到很好的阻抗匹配。

3　系統(tǒng)仿真結(jié)果

脈搏測試手表軟件要求既可工作在普通手表的計(jì)時模式，按正常時鐘使用，又可工作在測脈模式，實(shí)現(xiàn)對脈搏計(jì)數(shù)的快速測量及顯示，并在數(shù)值超出正常值時發(fā)出報(bào)警。本實(shí)驗(yàn)的軟件部分由主程序、時鐘計(jì)時子程序、測脈子程序、顯示子程序等部分組成。其中主程序如圖5所示［9］。

圖5　主流程圖

圖6是在multisim10中連接的是電壓轉(zhuǎn)換電路及結(jié)果，這是本設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的一步。電路由LM339組成電壓比較器。當(dāng)被比較的信號電壓Uin小于參考電壓時，輸出為高電位（UO）。當(dāng)Uin大于參考電壓時，輸出為高電位（UL），本次設(shè)計(jì)中進(jìn)入的脈搏信號將會被轉(zhuǎn)化成幅值為0V或5V的方波信號。

圖6　系統(tǒng)仿真結(jié)果與顯示

圖7　前置放大電路的仿真及結(jié)果

本次設(shè)計(jì)中另一個部分是放大部分。前置放大受到壓電傳感器的影響，對前置的輸入阻抗要求很高。根據(jù)之前已經(jīng)制定的阻抗及連接電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。這部分的放大電路采用的是AD745運(yùn)放器進(jìn)行放大的。電路圖中本設(shè)計(jì)中令C13和傳感器壓電晶片的電容值相等（輸入端口接傳感器）；R1=R3=108Ω，R2和R4取值遠(yuǎn)小于R1，使得前置放大增益值為：1+R4/R1。設(shè)計(jì)的傳感器輸出阻抗值為108數(shù)量級，前置放大器輸入阻抗高達(dá)1010數(shù)量級，用來平衡前置放大電路中AD745輸入源電阻（電阻和電抗），使得傳感器的輸出阻抗和前置放大器的輸入阻抗能夠達(dá)到很好的阻抗匹配。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，電路產(chǎn)生了脈沖信號，可以作為信號接入單片機(jī)，達(dá)到了記錄脈搏測試功能，完成設(shè)計(jì)的要求，因此可以得知，此電路是可行的，是可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的［10］。

4　結(jié)語

一般正常人的脈搏信頻率都在20Hz～40Hz，經(jīng)過傳感器采集來的信號極易受50Hz和150Hz電磁干擾。LMF90是美國National Semiconductor公司生產(chǎn)的一種4階橢圓陷波器，它具有如下特點(diǎn)：陷波中心頻率 f0可以通過外部晶振設(shè)置；響應(yīng)特性只需要調(diào)整引腳極性，無需其他外部元器件設(shè)置，設(shè)計(jì)簡單，實(shí)現(xiàn)容易，故本設(shè)計(jì)以集成芯片LMF90為核心器件設(shè)置陷波器來抑制或消除工頻及其倍頻干擾信號。經(jīng)過了放大和濾波的脈搏信號已基本滿足對目的信號的要求，可用于實(shí)際脈搏手表的系統(tǒng)之中［11］。

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