李志偉，張繪敏，趙戰(zhàn)國(guó)

(河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450042)

0 引言

由于脈搏中含有十分豐富的健康信息，因此脈搏檢測(cè)從古至今都是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域診斷病情的重要依據(jù)。近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，脈搏檢測(cè)儀的技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)，這就對(duì)脈搏測(cè)量?jī)x的精度和準(zhǔn)確度提出了更高的要求[1-2]。在以往的脈搏檢測(cè)儀設(shè)計(jì)中，多是采用接觸式傳感器，像指脈測(cè)量和耳脈測(cè)量等[3-5]。但是傳統(tǒng)的指脈測(cè)量方式雖然簡(jiǎn)單方便，但由于指端汗腺較多，指脈測(cè)量部位經(jīng)年累月的使用容易受到污染，從而造成檢測(cè)靈敏度下降[6-7]。

光在穿過(guò)人體組織與穿過(guò)血液時(shí)的穿透力差別很大，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，采用光電傳感器來(lái)檢測(cè)脈搏信號(hào)。光電傳感器內(nèi)部含有一個(gè)光接收器與光發(fā)射器，在工作時(shí)由于血液與人體組織透光率的差別，產(chǎn)生不同強(qiáng)度的電流，這就是初始的脈沖信號(hào)。由于脈沖信號(hào)比較微弱，需要設(shè)計(jì)電路將采集到的脈沖信號(hào)進(jìn)行放大、濾波與整形，使信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字量輸入單片機(jī)內(nèi)部。輸入信號(hào)經(jīng)由單片機(jī)處理后，輸出在LCD1602液晶顯示屏和WT588D語(yǔ)音模塊上，完成對(duì)脈搏數(shù)目顯示和播報(bào)的功能。

1 脈搏檢測(cè)儀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的硬件部分主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、脈搏信號(hào)測(cè)量電路、濾波及放大整形電路、液晶顯示電路以及語(yǔ)音播報(bào)電路。脈搏檢測(cè)儀系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 脈搏檢測(cè)儀系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

STC89C52是一個(gè)低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，具有體積小、價(jià)格便宜、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。其最小系統(tǒng)電路主要由晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成。晶振電路產(chǎn)生單片機(jī)所必需的時(shí)鐘頻率，為12 MHz。單片機(jī)的復(fù)位可以通過(guò)上電復(fù)位也可以通過(guò)上電之后按鍵key1復(fù)位，系統(tǒng)直接采用直流5 V電源供電。

1.2 脈搏信號(hào)測(cè)量電路設(shè)計(jì)

人體內(nèi)心臟周期性地收縮和舒張使血液產(chǎn)生壓力，血液流進(jìn)主動(dòng)脈時(shí)使得主動(dòng)脈周期性地收縮和舒張，血壓以波的形式在整個(gè)動(dòng)脈網(wǎng)絡(luò)中傳播，這就形成了脈搏波[8]。由于人體組織的透明度比血液的透明度高得多，因此光對(duì)人體組織的穿透性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)血液的穿透性，由此可以利用穿透性的不同來(lái)檢測(cè)脈搏波。人體部位中手指端包含有血液組織和非血液組織，當(dāng)脈沖通過(guò)時(shí)，血液組織的光吸收量與非血液組織的光吸收量產(chǎn)生很大差值，再者手指端皮質(zhì)薄、動(dòng)脈多、易測(cè)量，因此選取手指端為本設(shè)計(jì)的脈搏檢測(cè)部位[9]。

本設(shè)計(jì)的紅外光電傳感器操作原理如圖2所示，將手指端放在紅外光電傳感器上，紅外發(fā)射二極管發(fā)出光線，發(fā)射到人體組織的光線被投射出去，發(fā)射到血液的光線被反射到紅外接收三極管上。當(dāng)檢測(cè)到反射光時(shí)，也就檢測(cè)出心臟跳動(dòng)的情況。

圖2 紅外光電傳感器原理圖 圖3 信號(hào)采樣電路

人體手指端脈搏信號(hào)采樣電路如圖3所示。光電傳感器ST188中紅外發(fā)射二極管發(fā)射出的光線角度會(huì)隨著電路中電流的強(qiáng)度發(fā)生變化，電流越大光線越強(qiáng)，檢測(cè)越精確。根據(jù)ST188的光電特性選取輸入的正向電流為20 mA，典型正向壓降為1.25 V，由于本設(shè)計(jì)的供電電壓為5 V，故紅外發(fā)射二極管端需要串聯(lián)電阻R3來(lái)分壓。經(jīng)過(guò)大量的檢測(cè)與驗(yàn)證計(jì)算，紅外光發(fā)射部分選取阻值為330 Ω的電阻R3來(lái)分壓，以保證其發(fā)射功率最為合適。圖中R4為光電三極管集電極的偏置電阻，這個(gè)電阻的作用主要是限幅，避免因輸出信號(hào)過(guò)大而造成失真現(xiàn)象，這里R4的取值選擇20 kΩ。該電路產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)由光電三極管的集電極傳遞給下一級(jí)電路。

1.3 濾波及放大整形電路設(shè)計(jì)

濾波電路如圖4所示，由于采集到的信號(hào)比較小，而且需要隔斷直流信號(hào)保留交流信號(hào)來(lái)使前后電路的工作點(diǎn)互不牽連，因此采用電容耦合方式。又由于直接耦合效率高且信號(hào)不失真，由此本設(shè)計(jì)的濾波電路采用直接電容耦合的方式。電路中C4與R12組成耦合電路，可以將光電三極管集電極收集到的交流信號(hào)不失真地傳遞給下一級(jí)電路。由于脈搏信號(hào)比較微弱，因此需要濾除掉高頻率的雜波。電路中兩個(gè)RC電路R7、C5和R8、C6共同組成二階有源濾波電路，濾除高頻波，保留低頻波。濾波電路得到的低頻信號(hào)傳遞給下一級(jí)放大電路進(jìn)行下一步處理。

圖4 濾波電路

放大整形電路如圖5所示。R10與R13同LM358中的引腳1、引腳2、引腳3組成的放大器共同組成負(fù)反饋放大電路，R9與R11同LM358中的引腳5、引腳6、引腳7組成的放大器共同組成施密特整形電路，同時(shí)R6與D1組成的電路可以實(shí)時(shí)顯示脈搏運(yùn)動(dòng)頻率。信號(hào)從LM358的引腳3處輸入，經(jīng)第一個(gè)放大器處理后從引腳1處傳遞給引腳6處繼續(xù)處理。同時(shí)，當(dāng)光電傳感器三極管導(dǎo)通時(shí)會(huì)引起集電極電壓下降，經(jīng)濾波電路和放大整形電路后，放大器輸出瞬時(shí)低電平，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形后變成單片機(jī)可以識(shí)別的方波，經(jīng)由INT0口傳遞給單片機(jī)進(jìn)行下一步運(yùn)算。

圖5 放大整形電路

1.4 LCD1602液晶顯示電路設(shè)計(jì)

LCD1602的接線圖如圖6所示。由于引腳3接低電平，接低電平時(shí)對(duì)比度較高，為了避免產(chǎn)生“鬼影”，在引腳3處接電阻R1來(lái)降低對(duì)比度。引腳4、引腳5、引腳6分別接單片機(jī)P1口的P1.0、P1.1、P1.2，這三個(gè)口作為功能口對(duì)液晶屏進(jìn)行控制。液晶顯示器的引腳7～引腳14分別接在單片機(jī)P0口的P0.0～P0.7，這8個(gè)口作為數(shù)據(jù)口實(shí)現(xiàn)字符的顯示。通過(guò)單片機(jī)程序?qū)CD1602各個(gè)引腳進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。

圖6 液晶顯示電路

1.5 語(yǔ)音播報(bào)電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用三線串口PWM輸出模式，三線串口模式由三條通信線組成，通過(guò)三線串口可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音芯片的命令控制和語(yǔ)音播放。語(yǔ)音模塊電路如圖7所示，定義P01為數(shù)據(jù)端DATA，P02為片選端CS，P03為時(shí)鐘端CLK，單片機(jī)通過(guò)P01、P02、P03這三個(gè)引腳對(duì)語(yǔ)音芯片進(jìn)行控制。RESET是復(fù)位端，在語(yǔ)音芯片工作時(shí)一直保持高電平。片選信號(hào)CS為低電平時(shí)喚醒語(yǔ)音芯片，開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收成功后觸發(fā)忙信號(hào)端BUSY發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，數(shù)據(jù)端DATA、時(shí)鐘端CLK、片選端CS都保持高電平。語(yǔ)音信號(hào)由PWM(+)和PWM(-)連接揚(yáng)聲器發(fā)出。

圖7 語(yǔ)音模塊電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)功能是由軟件程序配合硬件電路共同實(shí)現(xiàn)的，軟件程序主要由主程序和子程序組成。主程序是整個(gè)軟件的核心，用來(lái)協(xié)調(diào)執(zhí)行模塊和操作者的聯(lián)系；子程序用來(lái)完成檢測(cè)、計(jì)算。脈搏檢測(cè)主程序流程如圖8所示，定時(shí)中斷程序與INT中斷程序分別如圖9和圖10所示。

圖8 主程序流程 圖9 定時(shí)中斷流程

圖10 INT中斷流程

3 系統(tǒng)仿真與實(shí)物焊接

3.1 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真采用Proteus軟件結(jié)合Keil C51共同完成，在Keil C51軟件中加載C語(yǔ)言代碼，生成HEX文件，在Proteus軟件中制作系統(tǒng)電路，仿真界面如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)仿真界面

3.2 實(shí)物焊接與功能介紹

電路板實(shí)物圖如圖12所示。在檢測(cè)時(shí)，按下左下角按鍵給系統(tǒng)上電，LCD顯示屏亮起并顯示初始值，紅色發(fā)光二極管常亮；此時(shí)將手指輕輕放在右上部分的光電傳感器上，紅外發(fā)光二極管熄滅，而后跟隨心率閃爍，可以直觀看到脈搏的頻率；單片機(jī)開(kāi)始計(jì)時(shí)并計(jì)數(shù)，計(jì)時(shí)結(jié)束后，脈搏數(shù)目在LCD屏上顯示并通過(guò)語(yǔ)音模塊播報(bào)，若檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)信號(hào)不穩(wěn)，可以按下復(fù)位鍵進(jìn)行重新檢測(cè)。

圖12 焊接實(shí)物圖

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)主要是以51單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，并與其他輸入輸出電路以及信號(hào)整形電路連接來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。通過(guò)紅外光電傳感器采集到脈搏信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以被單片機(jī)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器中斷、外部中斷、計(jì)時(shí)等功能計(jì)算出脈搏次數(shù)，然后通過(guò)單片機(jī)發(fā)出信號(hào)在液晶屏上顯示這個(gè)數(shù)據(jù)，并且通過(guò)語(yǔ)音模塊播報(bào)這個(gè)數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，脈搏檢測(cè)儀具有操作簡(jiǎn)單、使用方便、便攜快捷、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，具有一定實(shí)用價(jià)值。