可佩戴脈搏波檢測(cè)器的設(shè)計(jì)制作

趙從涵

（湖北工業(yè)大學(xué)電子與電氣學(xué)院 湖北省武漢市 430068）

1 脈搏檢測(cè)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 總體框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由4 枚按鍵、LCD1602、光電傳感器、運(yùn)放等構(gòu)成。其中三枚按鍵負(fù)責(zé)設(shè)置脈搏數(shù)的上下限額，一枚按鍵構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)用于重置測(cè)量結(jié)果。蜂鳴器可以在測(cè)試結(jié)果超過(guò)限值范圍的時(shí)候發(fā)出響聲。

非ECG 檢測(cè)方法主要是利用人體血液的透光性變化隨著脈搏的近似規(guī)律性，接收端接則會(huì)依據(jù)感應(yīng)特性捕捉微弱的人體脈搏信號(hào)。單片機(jī)的特定IO 口會(huì)將已經(jīng)明顯的脈沖信號(hào)通過(guò)外部中斷轉(zhuǎn)化為脈搏數(shù)。系統(tǒng)由測(cè)得一定時(shí)間內(nèi)的脈搏數(shù)再經(jīng)過(guò)換算得出被測(cè)者大約在一分鐘的脈搏數(shù)，并在液晶屏上顯示結(jié)果。

輸入的直流電會(huì)有一個(gè)開關(guān)控制開閉狀態(tài)。VCC 線路接入主控的VCC 引腳以及使能端，同時(shí)也通過(guò)按鍵再連接主控的復(fù)位端，當(dāng)按鍵按下，會(huì)有脈沖信號(hào)進(jìn)入復(fù)位端，觸發(fā)復(fù)位工作。供電同樣接入顯示模塊以及蜂鳴器，保證各個(gè)部分能夠正常工作?？傮w框架設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1：總體框架設(shè)計(jì)

1.2 顯示模塊與主控連接

STC89C52 的P0 為數(shù)據(jù)線接口，P1.2、P1.1、P1.0 分別連接LCD 的EN、R/W、RS 端。其中EN 是下降沿觸發(fā)信號(hào)，R/W 是讀/寫信號(hào)，RS 是寄存器選擇信號(hào)。然后LCD1602 的D1-D7 口分別接到STC89C52 的39-32 腳（見(jiàn)圖2）。

圖2：顯示模塊與主控連接

首先取一個(gè)要顯示的字符或數(shù)據(jù)送到LCD 的顯示緩沖區(qū)。本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)留有延時(shí)2.5ms，判斷是否夠顯示的個(gè)數(shù)，不夠則地址位加一取下一個(gè)要顯示的字符或數(shù)據(jù)。

1.3 信號(hào)采集模塊

采集傳感器采用ST188。ST188 有一個(gè)二級(jí)管紅外發(fā)射端和一個(gè)三級(jí)管紅外接受端。采用+5V 電源供電，R4 取330Ω，R5 取20kΩ，起到保護(hù)作用。其1、2 號(hào)引腳為ST188 發(fā)射端，供電后發(fā)出紅外射線，3、4 號(hào)引腳為ST188 接受端。2、3 號(hào)管腳統(tǒng)一接地。4 號(hào)腳最后作為輸出端接入信號(hào)處理部分。

1.4 信號(hào)處理

脈搏信號(hào)需要進(jìn)行一系列等處理，體脈搏信號(hào)微弱，幅值大約在幾十 uV，若不處理會(huì)有強(qiáng)烈的噪音干擾。結(jié)合效能以及成本采用LM358 搭建起一個(gè)濾波、放大電路。

1.4.1 濾波電路

為更好地處理低頻噪聲以及高頻噪音，選用低通濾波器和高通濾波器結(jié)合而成的帶通濾波器。高通濾波器選取電容10uF 以及電阻24KΩ，低通濾波器選用電容1uF 以及電阻10KΩ，根據(jù)人體每分鐘心跳60-100 次每分鐘計(jì)算相關(guān)脈搏頻率為1-1.67Hz，而通過(guò)計(jì)算，帶通濾波器的截止頻率為0.7-15.9Hz，低于0.7 Hz 以及高于15.9 Hz 的信號(hào)都將被濾除。此外，帶通濾波器不能直接與主控接，否則會(huì)造成參數(shù)漂移，因此需要在帶通濾波器后加入緩沖部分再接入電路。

1.4.2 放大、整形電路

經(jīng)過(guò)濾波后的脈搏信號(hào)受到低頻干擾，導(dǎo)致單片機(jī)不能準(zhǔn)確的進(jìn)行計(jì)數(shù)，會(huì)使誤差與預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)相差較大。采用整形電路——選取滯回電壓比較器來(lái)增強(qiáng)抗干擾能力。集成運(yùn)放芯片選用LM358，根據(jù)計(jì)算經(jīng)過(guò)運(yùn)放的信號(hào)會(huì)被放大約100 倍，除此外還外接上了一個(gè)LED 用作指示脈搏跳動(dòng)的狀態(tài)，LED 會(huì)根據(jù)脈搏變化規(guī)律進(jìn)行同樣規(guī)律的亮滅。

信號(hào)的處理部分最后與STC89C52 的輸入輸出功能接口（第12 腳，P3.2）連接。綜上，信號(hào)整體處理流程概括為：光電傳感器→放大電路→有源濾波電路→整形電路

1.5 交互模塊

此次項(xiàng)目除了一個(gè)可以重置數(shù)值的按鍵，其余三個(gè)按鍵與主控直接相連，均是為設(shè)置上下限的按鍵，分別為減數(shù)值鍵、加數(shù)值鍵、開始/結(jié)束設(shè)置按鍵。按下一次設(shè)置按鍵，首先進(jìn)入上限設(shè)置，設(shè)置完成后，再次按下該鍵切換到下限設(shè)置，下限設(shè)置完畢后，再次按下該鍵，結(jié)束上下限設(shè)置。

蜂鳴器正極連接三級(jí)管9012 的集電級(jí)，負(fù)極接地。9012 發(fā)射級(jí)接入電源，9012 的基級(jí)會(huì)與主控RD 腳相連。如果所測(cè)得心率高于上限值或者低于下限值，蜂鳴器會(huì)受到信號(hào)控制發(fā)出報(bào)警聲，提醒使用者。

1.6 程序設(shè)計(jì)

主程序流程：首先單片機(jī)初始化，相關(guān)寄存器被清除。無(wú)測(cè)試狀態(tài)下脈搏顯示000/min，并顯示預(yù)先設(shè)定然的上下限閾值。單片機(jī)通過(guò)定時(shí)15s 內(nèi)測(cè)量人體的脈搏次數(shù)。若需要調(diào)整相關(guān)報(bào)警上下限，則需要首先按下范圍設(shè)定按鍵，之后再通過(guò)加鍵或減鍵進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

按鍵程序是一個(gè)獨(dú)立模塊設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)的按鍵IO 口輸出為1。當(dāng)按鍵按下，首先會(huì)有一個(gè)1ms 的消除抖動(dòng)時(shí)間，如在消抖結(jié)束后確認(rèn)按鍵已經(jīng)被按下，則主控會(huì)根據(jù)該按鍵所代表的值去實(shí)現(xiàn)該按鍵功能。相關(guān)的數(shù)值控制的各部分代碼限于篇幅原因不在此展開詳述。

因?yàn)樾枰?jì)算脈搏，所以離不開關(guān)于時(shí)間的代碼編寫。首先初始定時(shí)器（代碼未展示），這樣做可以很好的減小測(cè)量誤差。如下面代碼所示，在程序中脈搏測(cè)量雖然能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)，但也是以一小時(shí)間段為單位，而并不是真正意義上的實(shí)時(shí)檢測(cè)。計(jì)數(shù)器從1 開始，記錄到超過(guò)等于6 次時(shí)間，然后算出間隔時(shí)間。

rate=60000/(time[1]+time[2]+tim3]+time[4]+time[e[5])/5 是程序中計(jì)算脈搏公式。計(jì)算中會(huì)對(duì)所測(cè)得的5 個(gè)時(shí)間取平均值再去計(jì)算脈搏，此目的能夠有效抵消對(duì)于即將測(cè)試前以及測(cè)量即將結(jié)束后的測(cè)量數(shù)據(jù)誤差。最后通過(guò)write_sfm3(1,5,rate)代碼將計(jì)算好的數(shù)據(jù)輸送至顯示屏上。

1.7 可佩戴相關(guān)設(shè)計(jì)

本課題研究對(duì)象為可佩戴脈搏測(cè)量器，考慮可配戴舒適性和便捷性，還需對(duì)原有的設(shè)計(jì)系統(tǒng)做一些附加的改良。

首先，本系統(tǒng)有意縮減空間：根據(jù)制作的PCB，LCD1602 與C52 芯片之間會(huì)由巨大空隙，而實(shí)際制作時(shí)，將主控芯片藏匿在顯示器下方空間，這樣既美觀也能騰出相應(yīng)空間使得整個(gè)系統(tǒng)更加緊湊。

其次，萬(wàn)用板的4 個(gè)腳十分尖銳，若碰觸到人體皮膚則會(huì)有明顯不適感，有違可佩戴儀器的基本舒適原則，因此需要將萬(wàn)用板的四個(gè)角打磨光滑。

再次，需在電路與人體之間加入一個(gè)隔層，經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比，采用海綿材料覆蓋背板電路，使得佩戴更加舒適。除此之外，經(jīng)過(guò)連接脈搏測(cè)量帶，使得該測(cè)試系統(tǒng)能夠進(jìn)行佩戴在手部使用。

如此，方能夠達(dá)到可佩戴的基礎(chǔ)要求。

2 系統(tǒng)調(diào)試

2.1 模擬仿真

利用Protel99 軟件對(duì)所搭建的整個(gè)電路進(jìn)行模擬仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性。

除了對(duì)整個(gè)原理圖進(jìn)行仿真外，還特意根據(jù)本課題設(shè)計(jì)的濾波部分利用MATLAB 軟件進(jìn)行單獨(dú)仿真，在輸入幅度為1V 的正弦函數(shù)信號(hào)后，經(jīng)過(guò)濾波部分最大可以通過(guò)頻率為193Hz 左右，低頻信號(hào)也被很好的濾除，因此能夠完成帶通的工作。

2.2 驗(yàn)證測(cè)試

因?yàn)閭鞲衅骱推渌骷旧聿⒎抢硐刖€性，會(huì)有一定誤差。為測(cè)試本系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)此次課題系統(tǒng)驗(yàn)證相關(guān)誤差，利用聽(tīng)診器測(cè)出的脈搏次數(shù)為實(shí)際的脈搏次數(shù)，作為對(duì)照參考。利用此脈搏檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試出的結(jié)果與真實(shí)結(jié)果均方差約為0.58，滿足使用需求。如圖3 所示。

圖3：測(cè)試結(jié)果

除了測(cè)量誤差的要求，本系統(tǒng)還需要對(duì)是否能佩戴進(jìn)行測(cè)試。故召集三批（每批10 個(gè)）志愿者，將本測(cè)量系統(tǒng)與指夾式脈搏測(cè)量?jī)x器分別進(jìn)行單次測(cè)量與連續(xù)測(cè)量舒適度比對(duì).

從結(jié)果來(lái)看，在單次脈搏測(cè)量方面，僅有16.7%的測(cè)試者認(rèn)為本系統(tǒng)能夠舒適測(cè)量。然而在連續(xù)測(cè)量情況下，有近60%的測(cè)試者認(rèn)為本系統(tǒng)具有舒適性。其主要原因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間佩戴，指夾式測(cè)量導(dǎo)致所測(cè)部位有輕微不適感，以至于舒適性略有降低，反而本系統(tǒng)無(wú)夾持裝置能夠發(fā)揮較大優(yōu)勢(shì)。

3 總結(jié)與展望

本文首先根據(jù)C52 芯片資料，搭建單片機(jī)最小系統(tǒng)。利用單片機(jī)常用的外圍電路引腳和連接方法并參考1602 中文資料等連接LCD 液晶顯示與主控。然后，本文設(shè)計(jì)脈搏采集處理電路，計(jì)算相關(guān)電阻使得濾除不需要的干擾噪音。最后為整個(gè)電路加入按鍵、LED 燈、蜂鳴器交互部分使得脈搏測(cè)試儀器功能更強(qiáng)、更加人性化。

本脈搏測(cè)試儀在測(cè)試后達(dá)到相關(guān)要求并且有以下優(yōu)點(diǎn)：成本低廉、無(wú)痛檢測(cè)，這些能滿足大部分人群的需要。而且本系統(tǒng)能夠佩戴使用，使得脈搏檢測(cè)更加便捷。