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，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\動或者勞動強度是否超負(fù)荷，尤其是老年人或運動員等，都得趕到醫(yī)院而不能實時測量，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，如運動、健身器材中的心率測試都用到了技術(shù)先進的脈搏測量儀［1］。本論文提出了便捷的脈搏測試系統(tǒng)的設(shè)計方案，該系統(tǒng)能實時監(jiān)測脈搏信號，將信號進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。本設(shè)計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。經(jīng)設(shè)計得到的系統(tǒng)可以進一步應(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，并利用單片機完成控制模塊的設(shè)計，最終硬件電路的制作。本設(shè)計為電子硬件電路設(shè)計，使用51單片機作為主控單元（89C51），并配合相應(yīng)的采集模塊及顯示模塊電路、報警模塊完成硬件系統(tǒng)的設(shè)計。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、報警模塊。采集模塊將信號采集進入系統(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，進入單片機記錄脈沖的上升沿，完成對脈搏的采集［2～3］。

2　總體方案設(shè)計

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)計包含著兩個功能。一個是時鐘功能，系統(tǒng)可實時地顯示時間（時分秒），并且在時間與實時不符的時候進行調(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時脈搏值，并與被測者年齡段的正常脈搏值進行比對，若過快則啟動報警，提醒被測者注意。主要通過以單片機為核心控制，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［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?？此坪唵危鋵嵅蝗?，脈搏信號的特點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、顯示模塊以及報警模塊等功能模塊的設(shè)計，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，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系列單片機的復(fù)位引腳RST（第9管腳）出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(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，讀者也可自行計算RC充電時間或在工作環(huán)境實際測量，以確保單片機的復(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，甚至可以達到24MHz或者更高，但是頻率越高功耗也就越大。本次設(shè)計中采用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，工頻及工頻倍頻陷波效果明顯，信號處理實時、準(zhǔn)確。

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

圖4　報警模塊

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亮各個位，對于顯示器的每一位來說，每隔一段時間點亮一次。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取值遠小于 R1，使得前置放大增益值為：1+R4/R1。設(shè)計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時模式，按正常時鐘使用，又可工作在測脈模式，實現(xiàn)對脈搏計數(shù)的快速測量及顯示，并在數(shù)值超出正常值時發(fā)出報警。本實驗的軟件部分由主程序、時鐘計時子程序、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)計中進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運放器進行放大的。電路圖中本設(shè)計中令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取值遠小于R1，使得前置放大增益值為：1+R4/R1。設(shè)計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，達到了記錄脈搏測試功能，完成設(shè)計的要求，因此可以得知，此電路是可行的，是可以實現(xiàn)設(shè)計要求的［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：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)計簡單，實現(xiàn)容易，故本設(shè)計以集成芯片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，可用于實際脈搏手表的系統(tǒng)之中［11］。

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