劉威

襄陽職業(yè)技術學院電子信息工程學院

脈搏信號的采集測試儀

劉威

襄陽職業(yè)技術學院電子信息工程學院

為了提高脈搏測量儀的簡便性和精確度，系統(tǒng)以MSP430G2553單片機為核心，用ST168紅外傳感器檢測脈搏信號，利用單片機系統(tǒng)內部ADC?？鞂γ}搏信號進行采樣并計數，系統(tǒng)運行中能自動啟動測量脈搏次數，1分鐘完成測量后待機。

脈搏信號；紅外傳感器ST168；LCD12864顯示；單片機MSP430

隨著人們生活水平的提高，大家對日常身體常規(guī)保健越來越重視，人們需要更加方便、快捷、準確的對身體機能參數進行測量，比如說脈搏的檢測。本設計就是基于TI公司低功耗單片機，用紅外傳感器檢測脈搏信號，采用單片機系統(tǒng)內部ADC模快對脈搏信號進行采樣并計數，這樣設計的儀器測量準確、簡單、功耗低、成本低、體積小、便于攜帶。

1 總體設計

總體設計的框圖如下圖所示。光電脈搏檢測的基本原理是：隨著心臟的搏動，人體組織半透明度隨之改變。當血液送到人體組織時，組織的半透明度減??；當血液流回心臟，組織的半透明度增大，這種現象在人體組織較薄的手指尖，利用波長600-1000nm的紅光或紅外發(fā)光二極管產生的光線照射到人體的手指尖、耳垂等部位，用裝在該部位另一側或同側旁邊的光電接收管來檢測機體組織的透明程度，即可將搏動信息轉換成電信號。

系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：信號采集，將脈搏跳動信號經傳感器轉換為與此相對應的電信號；信號處理電路，因傳感器輸出的電信號一般在毫伏級，且不穩(wěn)定，所以需對此信號進行放大并濾波，以便于單片機處理；信號轉換及顯示電路，單片機經模數轉換處理得到的脈搏頻率信號，最后在液晶顯示電路中直觀地顯示出對一分鐘內脈搏測量次數的顯示；報警電路，可預置脈搏次數上下告警門限，當脈搏次數測量值超出報警限值時，測試儀聲音報警。

設計框圖

2 電路與程序設計

2.1 光電轉換電路設計

正常人脈搏跳動一般在50次/分--200次/分之間，對應的頻率范圍在0.78Hz--3.33Hz之間，因此經紅外光電傳感器檢測脈搏信號且轉換得到的電信號頻率是超低頻信號。

反射式光電傳感器是發(fā)光器件與光接收器件于一體，能避免環(huán)境光強對信號的干擾，所以選取反射式光電傳感器。

激勵電阻R1選270 Ω是基于紅外接收二極管感應紅外光靈敏度考慮的。R1過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小，ST168紅外接收管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時的信號。反之，R1過小，通過的電流偏大，紅外接收管也不能準確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。當手指處于測量位置時，會出現二種情況：一是無脈期,雖然手指遮擋了紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外光，但是，由于紅外接收管中存在暗電流，仍有l(wèi)μA的暗電流會造成Vout電位略低于3.6V。二是有脈期,當有跳動的脈搏時，紅外接收管中的暗電流減小，Vout電位下降。

ST168傳感器是將非電量(紅外光)轉換成電量的轉換元件，它可以將接收到的紅外光按一定的函數關系(通常是線性關系)轉換成便于測量的電參量(如電壓、電流或頻率等)輸出。

2.2 調理電路設計

脈搏經傳感器輸出的電壓信號較弱，一般在毫伏級，需要對其進行放大。所以，設計的信號放大電路，應將傳感器輸出的信號進行放大，便于后續(xù)電路處理。經測量脈搏從傳感器出來，的電壓信號接近1mV，經過前置放大電路將此信號放大20倍，再通過二階低通濾波將環(huán)境光強和工頻干擾濾除。

2.2.1 信號前置放大

傳感器輸出的是低頻微弱信號，需加前置放大電路，并且在傳感器與放大器之間利用較大電解電容耦合。如若采用單電源供電，必然要考慮較大電容沖放電對運算放大器輸出電壓的影響，其會使得放大器達飽和而失去信號放大功能。故前置放大電路，采用雙電源供電的帶濾波的反向比例遠算放大電路。脈搏經紅外傳感器出來的電壓信號經過反相比例運算放大器U1 OP07將信號放大20倍。

2.2.2 二階低通濾波

經過電阻、電容和運算放大器U2 OP07構成的有源二階低通濾波電路，在9HZ處產生3dB衰減，濾除干擾信號（環(huán)境光強和工頻干擾）。

2.2.3 后置放大電路

經過U3 OP07反相比列運算電路再一次將信號放大，得到一個伏特級電壓信號，便于單片機ADC模塊進行信號采樣。

3 系統(tǒng)調試及測量數據

3.1 測試條件儀器

示波器，秒表，醫(yī)用脈搏測試儀。

3.2 測試結果完整性

注：實際測量值以醫(yī)用脈搏測試儀為參照

3.3 測試結果分析

經過誤差分析，測量誤差不大于測量誤差不大于±3次。

4 結束語

本脈搏測試儀能準確、便捷的測量脈搏信號，經測試工作穩(wěn)定可靠，精確度高。

[1]王麗英.基于光電技術的脈搏測量方法[J].傳感器技術.2006,5(11):32-34.

[2]華成英.模擬電子技術[J].北京：清華大學出版社,2006.

劉威（1977-），女，湖北襄陽人，碩士，襄陽職業(yè)技術學院講師，從事應用電子技術、智能儀器技術方面的研究和教學。