脉搏检测仪的设计.docx

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脉搏检测仪的设计

脉搏检测仪的设计

THEDESIGNOFTHEPULSEDETECTOR

专业：

电气工程及其自动化

姓名：

指导教师姓名：

申请学位级别：

学士

论文提交日期：

2010年6月15日

学位授予单位：

天津科技大学

摘要

脉搏信息在中医和西医中都有非常重要的意义，这些信息作为临床诊断和治疗历来受到医学界的重视。

本论文设计的是基于单片机的智能指式脉搏检测仪，主要的研究工作如下：

采用指式光电红外脉搏传感器检测人体的脉搏信号，经过两级的二阶、低通滤波电路有效的去除了工频噪声干扰。

得到的模拟信号再通过A/D转换为数字信号，输入单片机。

单片机实时采集脉搏数字信号，并且对数据进行分析处理。

同时为了能够保证有效的拾取脉搏信号，减少电源带来不必要的干扰，专门设计了线性直流电源为整个系统供电。

系统能够实时显示被测者的脉搏跳动次数，而且每分钟会将被测者的脉搏情况与正常人进行对比。

如果结果差异较大,系统就会自动进行声光报警。

经过调试，系统能够较为精确的读取脉搏传感器拾取的脉搏信息，并且能有效的显示和报警，从而达到了预期的设计目标。

整个系统具有结构简单、体积小、可靠性高、成本低和使用方便等特点，具有较高的通用性和应用推广价值。

关键词:

LCD1602；单片机；脉搏传感器；低通放大电路；线性电源

ABSTRACT

PulseinformationintraditionalChinesemedicineandWesternmedicineisveryimportantsignificance,asthisinformationhasalwaysbeentheclinicaldiagnosisandtreatmentofmedicalattention.Thisthesisisbasedonmicroprocessor-typepulsedetectormeans,themainresearchworkareasfollows:

pulsewithinfraredphotoelectricsensorthatdetectsthebody'spulsesignal,aftertwosecond-order,lowpassfiltercircuiteffectivelyremovesfrequencynoise.GettheanalogsignalandthenthroughtheA/Dconvertedintodigitalsignals,inputmicrocontroller.Singlechippickdigitalsignalpulseofreal-timeacquisitionandanalysisofthedataprocessing.Meanwhile,inordertoensuretheeffectivepickuppulsesignals,toreduceunnecessaryinterferencepower,speciallydesignedfortheentiresystemoflinearDCpowersupply.Systemcandisplayrealtimemeasuredbythepulsebeats,perminuteandthepulsewillbemeasuredbycomparingthesituationwiththenormal.Iftheresultsarequitedifferent,thesystemwillautomaticallysetsoundandlightalarm.Afterdebugging,thesystemcanmoreaccuratelyreadthepulseofthepulsesensorspickupinformation,andcandisplayandalarm,soastoachievethedesireddesigngoals.Thewholesystemhasasimplestructure,smallsize,highreliability,lowcostandeasytouseandsoon,withhigherversatilityandvalueinapplications.

Keywords:

LCD1602;SCM;Pulsetransducer;Lowamplifiercircuit

第一章绪论

第一节本课题的研究背景和意义

人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张,使血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播,这种波称为脉搏波。

脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息,很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征[1]。

脉搏是循环机能的综合表现。

脉象的情况因循环系统的情况改变而不同。

心脏主动脉活瓣是否健全，心跳是否合乎节律，以及动脉的弹性怎样，都可以通过脉搏诊出。

不仅如此，由于循坏系统和身体各内脏都有密切关系，组织代谢的任何变化都会给血液循环以一定影响，而机体的重要疾病变化都会在不同程度上影响循环系统的功能。

所以，脉象不单单反映循环系统的变化，还反映其他器官和系统的变化。

从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。

几乎世界上所有的民族都用过“摸脉”作为诊断疾病的手段[2]。

直到今天，仍常用脉搏作为研究心血管疾病的重要方法，脉搏信息在中医、西医中都有着十分重要的意义。

而我国的脉诊已具有2600多年临床实践，是我国传统中医四诊中的精髓。

在传统中医脉诊中，切脉技巧复杂，难以掌握和运用，医生主观因素影响也较大,诊断标准不一。

随着科学技术的发展，脉诊的客观化、定量化已成为中医诊断的必然趋势[3]。

因此方便携带，使用便捷的脉搏检测仪器是现代科学中医师必备的辅助诊断工具。

中医学以整体观和平衡观为核心，建立了独具特色的生命理论和诊疗体系。

中医诊断学的基本原理被概括为“以表知里”，认为人体表象信息（四诊信息）与疾病的本质之间存在着必然的联系。

脉诊是中医在诊断疾病时望、闻、问、切四诊中的重要步骤和手段。

由脉诊（切）所得的脉象反映人体各种生理和病理状况，是观察体内功能变化的一个窗口，对识别病症，判断病情、分辨病机和推断预后，都有参考意义。

我国中医学家经过几千年实践总结而成的脉学理论在中医辨证论治中起到作用，也是对人类的一个贡献。

脉诊是中国医学独特的诊病方法，脉象的变化反应了五脏六腑气血盛衰。

根据脉象的变化，可探测人体脏腑的气血、阴阳、生理与病理的状况。

脉搏症状的变化极为繁多，讯号也极其微小，加上中医相授多以口诀和感觉，若无多年训练，也很难正确的辨证，《脉经》作者王叔和曾说：

「在心易了，指下难明」，正说明了传统中医无客观立据的困难。

脉搏检测仪整合现代科学的结晶采用光学、生物学、药理学和计算机辅助系统是中医脉学理论与现代科学技术成功整合的结晶，使脉诊能运用科学化的方法深入五脏六腑，了解病情，让中医辨证更客观和数据化。

除了医院的医生需要科学的医疗设备，其他的民众也需要一些简易且较为精确的医疗设备来为自己服务。

在科学技术高速发展的今天，社会竞争日趋激烈，人们的生活节奏不断加快，生活和工作压力与日俱增，生活在亚健康状态的大多数人没有那么多的时间和金钱到医院进行定期的身体检查，不能了解自己最新的身体状况。

在已经进入小康社会的今天，人们正在不断的提高自己的生活质量，而确保自己有一个健康的身体是保证生活质量的基本要求。

而脉搏检测仪正好能够在一定程度上反映人们身体的健康状况。

拥有这么一个携带方便，检测方法简单而且结果准确的廉价的脉搏检测仪器正是这些人的迫切需求。

然而现在通用的脉搏和血压检测设备所得到的结果精度不高,测量手段落后。

与脉搏相关的测量方法和测量设备在临床中已得到广泛使用,但由于目前该类设备皆为集中式控制,设备体积较大、使用不方便、价格昂贵、可管理性差,限制了相关应用，更难应用于家庭，难以普及，从而不能满足广大白领阶层和其他自我健康意识较强的民众的需求。

现在，利用光电式脉搏传感器能够灵活方便的获取脉搏信号，通过低通滤波放大电路和数字电路组成信号调理电路，以单片机为核心,在指令控制下,能自动测量出脉搏数据,该设计是医学工程未来发展方向的代表。

它将计算机技术,软件技术,智能仪器等技术结合在一起,对人体的脉搏进行直接测量,属于无创伤测量技术的产品它不仅适合在医院使用,更适合家庭使用。

利用数字技术和光电传感器技术相结合的数字光电式脉搏检测仪,能为临床医学提供强有力的技术支持,同时,为普及常规的体格检查,提高人们的保健意识有着深远的意义[4]。

第二节脉搏检测仪器的研究状况

脉诊是中医诊断疾病的重要方法。

由于中医脉诊的传统操作方法主观性很强，造成中医脉诊技术很难学习和熟练掌握。

自上个世纪50年代开始，很多学者就利用现代科学技术和仪器，致力于中医脉诊客观化的研究，旨在开发出能用于中医脉诊的仪器设备。

中医脉搏检测仪器是一种能对中医脉象信息进行自动采集、分析、处理，最后得出中医脉诊结果的中医脉搏检测仪器。

到目前为止，人们提出了多种中医脉搏检测仪器的设计方案，并组装了多种样机，如TP-CBS型分析仪、ZM-1型脉象仪、MT-2型脉图仪、MX-811型脉象仪等等。

中医脉搏检测仪器的设计思路大同小异，典型的中医脉搏检测仪器是一个复杂的计算机系统，一般由传感器、信号处理装置、A/D转换器和计算机主机组成。

传感器采集人体桡动脉寸关尺三个部位的脉搏信号，信号处理装置对脉搏信号进行放大、滤波处理，A/D转换器将处理后的脉搏信号输入计算机，计算机承担脉象信息的储存、分析及输出。

中医脉搏检测仪的技术关键是用以采集脉象信息的传感器及性能及脉象信息的分析与处理方法。

传感器是中医脉搏检测仪器的关键设备，它的性能直接影响中医脉搏检测仪器的诊断结果。

中医脉象虽然变化多端，但理论上它们都可以从脉搏应力和位移变量的角度用传感器进行探测。

人们为了能让中医脉诊仪最大限度的模拟中医切脉方式，研制和试用了各种各样的传感器，大致有，压力传感器，超声信号传感器和光电传感器等其他传感器。

目前我们常见的脉搏采集方法有：

压力传感器法、超声信号传感器法、光电容积法、电容传感器法、电声传感器法等。

以上这些方法中，超声信号传感器法和光电传感器法在目前临床应用中比较普遍。

而电容、电声和压力传感器法多用于无创血压测量中的脉搏测量，其中光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器，通过对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号。

光电式脉搏传感器具有结构简单、无损伤、可重复性好等优点。

中医脉诊是对人体动脉搏动信息的分析、综合与判断。

在中医脉搏检测仪器的研制和开发过程中，人们一直在尝试用不同的方法分析传感器所采集到的脉搏信息，进而实现这些信息的自动分类，以期得出准确的中医脉象。

到目前为止，脉象信息的分析和处理尚处于摸索阶段，还没有建立起成熟而被广泛采用的分析与处理方法。

目前已出现的中医脉搏检测仪器的原理和工作方式已比较接近中医临床脉诊，所检测到的脉象信息日渐丰富。

然而，中医脉搏检测仪器的研制和开发仍处于探索和试验阶段，国内尚未真正出现具有临床实践意义的中医脉搏检测仪器。

虽然，脉搏检测仪器在医疗单位已经得到一定的应用，但是，在人们的家庭生活中确是不常见[5]。

本课题研究是为解决脉搏检测仪器进入家庭能而提供一点支持。

即设计一个基于单片机和指式脉搏传感器的脉搏检测仪。

主要特点是：

测量方便、耗时少，体积小，数据可靠，而且成本低，适合家庭使用。

第二章脉搏检测仪结构设计

随着电子技术的发展,其应用领域不断扩大，特别是电子技术的应用已经深入到人类日常生活中，智能化电子产品将成为新的潮流趋势。

目前市场上所推出的家庭医疗电子产品大多以测量血压为主，智能脉搏测试仪器尚不多见。

本课题针对市场上的家用医疗设备的需要，设计了AT89C52单片机为核心，采用光电式脉搏传感器拾取脉搏信息，最终通过LCD1602显示结果的脉搏检测仪。

该系统的主要功能有：

拾取指尖脉搏信号，在线显示脉搏次数，脉搏信号与正常状态相差较大时自动进行声光报警。

该系统特点有:

测量简单方便，数据可靠，功耗小，成本低，体积小携带方便，良好的显示界面使得该系统更加适合于家庭使用。

设计要求：

（1）该检测系统由硬件和软件两部分组成,硬件电路包括数据采集电路、放大滤波电路、控制电路及电源电路。

其中数据采集部分可以采用光电脉搏传感器;采集到的信号经放大电路、滤波电路经A/D转换后传送至单片机进行显示。

（2）要求仪器的硬件、软件各部分配合良好,测试所得脉搏波形能够正确反映人体脉搏的真实特征。

（3）能够准确检测脉搏跳动次数，显示脉搏跳动次数，声光报警（静态时脉搏正常次数范围为参考），该仪器同时具有使用、携带方便等优点。

第一节光电式脉搏传感器简介

一、光电式脉搏传感器的原理

动脉管壁随着心动周期周而复始、一起一伏的搏动，称为动脉搏动，简称脉搏。

当心室收缩时，血液冲开主动脉瓣，并把血液射入主动脉中，主动脉内压突然增高，迫使血管迅速膨胀，当心室舒张时，主动脉压降低，主动脉壁因其具有弹性而回缩。

这样，动脉管壁就随着心室的收缩出现周期性的起伏搏动，形成脉搏，它存在于身体的每个部位，中医学的切脉，就是用手指的触觉和压觉分析桡动脉脉搏的频率、深浅、强弱及其他特征，作为诊断疾病的重要指标之一。

本课题采用的光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器。

就容积式脉搏波的探测而言，指尖是较理想的部位，因为它位于肢体前端，容易实现非接触检测；其次，由手指的解剖结构可知，每个指尖的血液都是经过手指总动脉分两路从指干两侧通向指尖，再经丰富的冠状小动脉弥散至毛细血管，然后从静脉回流。

手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织，其中非血液组织的光吸收量是恒定的，而在血液中，静脉血的搏动相对于动脉血是十分微弱的，可以忽略，因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起，那么在恒定波长的光源的照射下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号。

由于指骨和指甲的密度均明显大于其它组织成分，所以，透射传感方式只能采取回避这2处高密度组织的位置，光束的入射点和出射点都在指尖腹部曲率变化很大的部位，这将很难进行准确的测量。

而若采用反射式传感，则有利于增大光束从高密度区域反射至低密度区域的强度。

当光源和光敏元件置于被测部位（如手指）的同一侧（或两侧），光源发出的光照射在组织上，经反射（或透射）后被光敏元件接收，其示意图如图2.1所示，光敏元件将脉动的光强度信号转变为脉动的电信号。

在检测系统中将变化量与直流量相互分离，从而得到光电容积脉搏波[6]。

图2.1反射式和透射式光电传感器

二、光电脉搏传感器的结构

光电式脉搏传感器由于采用不同的光敏元件有着多种实现方法，其中光敏元件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。

在传统的光电式脉搏传感器设计中，通常采用的是独立光敏元件，利用半导体的光电效应改变输出的电流，通常光敏元器件输出的电流极低，容易受到外界干扰，而且对后续的放大器的要求比较严格，需要放大器空载时的电流输出较小，避免放大器空载输出电流对脉搏信号测量的干扰，这样对于普通的放大器就不能直接应用在光敏元件的后端。

在本课题中，采用一种新型的光敏元件OPT101，其内部结构如图2.2[14]。

该元件将感光部件和放大器集成在同一个芯片内部，这种集成化的设计方式有效地克服了后端运算放大器空载电流输出对光敏部件输出电流的影响，而且芯片输出的电压信号可以通过外部的精密电阻进行调节，有利于芯片适应整体的电路设计，同时芯片的集成化设计也能够减小系统的功耗。

图2.2OPT101内部结构图

光电式脉搏传感器主要由光源、光敏器件，以及相应的信号调理控制电路构成。

为了充分利用器件的效果，光源和光敏元件的选择是综合考虑的，光源的波长应该落在光敏元件检测灵敏度较高的波段内，图2.3为OPT101的光波长响应曲线[14]。

图2.3OPT101光波长响应曲线

脉搏信号主要由动脉血的充盈引起，而血液中还原血红蛋白（Hb）和氧合血红蛋白（HbO2）含量变化将造成透光率的变化，当氧合血红蛋白和还原血红蛋白对光的吸收量相等时，透射光的强度将主要由动脉血管的收缩和舒张引起，此时能够比较准确地反映出脉搏信号。

图2.4为血红蛋白的光吸收曲线，从图中可以看出，血液中HbO2和Hb对于不同波长光的吸收系数的差异明显，而且2条曲线好几个不同的交点，考虑到在805nm波长处，血红蛋白的光吸收率比较低，那么透射过手指的光强较大，有利于光敏器件的接收，因此发射光源的波长选择为805nm[1]。

图2.4血红蛋白的光吸收曲线

第二节系统的总体结构

该系统以AT89S52型单片机为核心，采用指式脉搏传感器拾取被测者指尖的脉搏信息，通过二阶、低通滤波电路去除信号干扰，在经过A/D转换将模拟信号转换成为数字信号输入单片机，利用液晶显示与用户建立了良好的交互界面，同时还可以实时显示脉搏次数，在必要时还有声光报警，起到提醒用户健康状况的作用。

该系统的硬件总体结构如图2.5所示。

脉搏信号拾取和调理电路结构如图2.6所示。

图2.5脉搏检测仪电路方框图

图2.6脉搏信号拾取和调理方框图

由图2.6可知，在硬件电路上主要包括：

电源电路，脉搏传感器电路和信号调理电路，单片机最小系统电路，声光报警电路等。

在整个电路设计和实现过程中脉搏传感器电路是最大的难点。

电路和元件的具体情况详见第三章，完整的电路图详见附录1。

第三章系统硬件设计

第一节电源模块

为了达到携带方便的目的，本系统采用7.2V充电电池供电。

为了消除电源给系统带来不必要的干扰，本课题专门设计了低功耗、高稳定性的线性直流电源为系统供电。

与市场上常用的lm7805相比较，LM2576拥有较大的输入转换电压区间（7V～40V），较高的输出电压精度（±3％的误差），以及较少的外围辅助电路，而且功耗低，精度高，纹波小等优点。

因此使用了在性价比较为适中的LM2576为系统提供5V正电源，电路图如图3.1

图3.1LM2576电源转换电路图

系统中有信号拾取和放大电路，其中使用的运算放大器需要正负电源供电。

为了保证电路能够准确的拾取脉搏信号并将信号放大，系统电源必须是非常稳定的线性直流电源。

为此本课题通过MC34063A实现DC-DC电压转换，将LM2575输出的5V电压转换成-9V直流电压如图3.2，但是经过MC34063A转换后的电压属于开关电压，有较大的纹波。

再经过稳压芯片LM7905将电压稳定在-5V如图3.3，从而达到线性电压的目的。

图3.2基于MC34063A的DC-DC电压转换电路

图3.3LM7905电源转换电路图

第二节脉搏传感器

前面曾提到光电式脉搏传感器主要由光源、光敏器件，以及相应的信号调理控制电路构成。

下面将对传感器的各个模块进行详细介绍。

一、光源

前面提到在805nm波长处，血红蛋白的光吸收率比较低，那么透射过手指的光强较大，为了能够更好的接收信号和元件性价比，本课题采用了940nm波长的红外发光管IR333。

在脉搏信号测量过程中，为了尽量减少光源供电波动对测量脉搏信号的影响，需要恒流电路来控制光源的稳定供电。

恒流驱动电路中D3为稳压管，作为恒流源加在晶体管Q1的基极上，由于基极偏压稳定，集电极电流也稳定，从而使红外二极管发光稳定[15]，如图3.4所示。

图3.4恒流驱动电路

二、信号采集模块

（一）光敏元件

光电式脉搏传感器由于采用不同的光敏元件有着多种实现方法，其中光敏元件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。

在传统的光电式脉搏传感器设计中，通常采用的是独立光敏元件，利用半导体的光电效应改变输出的电流，通常光敏元器件输出的电流极低，容易受到外界干扰，而且对后续的放大器的要求比较严格，需要放大器空载时的电流输出较小，避免放大器空载输出电流对脉搏信号测量的干扰，这样对于普通的放大器就不能直接应用在光敏元件的后端。

本课题中的传感器采用了新型的光敏器件OPT101，在芯片内部集成光敏器件和一级放大电路，有效地抑制了外界电磁信号对原始脉搏信号的干扰。

这种集成化的设计方式有效地克服了后端运算放大器空载电流对光电二极管输出电流的影响，输出电压和光强具有良好的线性关系，能够有效减小器件间匹配引起的干扰，提高脉搏测量精度。

OPT101的特性：

OPT101是一种新型的将感光部件（光电二极管）和放大器集成在同一个芯片内部的光电传感器，其内部结构如图2所示。

它可以在单电源或双电源供电条件下工作，也可以在电池供电条件下工作。

OPT101的光敏二极管集成于放大器内部，并且充分考虑了漏电流、噪声等因素对输出信号的影响。

OPT101的光敏二极管结构为0.2286cm×0.2286cm，其主要特性如下：

高的响应速度，0.45A/W；宽频带，14kHz；非线性度，低于1%;工作温度，-25～70℃。

OPT101对主要集中在红光光谱和红外光谱的光信号的响应具有最佳灵敏度和较高的响应速度,即在该光谱区域电信号输出幅度最大[7]。

OPT101的性能指标和光谱响应特性正好满足本课题传感器设计的要求。

（二）信号采集电路

在光电式脉搏传感器中，光敏器件接收到的光信号不仅包含脉搏信息，而且还包含测量环境下的背景光（二次反射光）。

由于动脉搏动引起的光强变化比背景光的变化微弱得多，因此在测量过程中要保持测量背景光的恒定，减少背景光的干扰。

针对传统信号采集电路，同时采用两块OPT101光敏芯片的方法，一块用于采集原始的脉搏信号，一块用于采集背景光信号，然后再对原始脉搏信号进行处理，减去背景光信号，从而提取出消除背景光干扰后的脉搏信号。

将混在原始信号Vo1中的背景光信号Vo2通过独立的采集后，在高信噪比运放AD620中进行相减运算，实现抑制背景光的干扰，从而提高检测精度[8]。

在图3.5所示的抑制背景光电路中，输出光可表示为：

（3-1）

原为PRTEL画的电路图，因附件太大，删除几个图以减小空间

图3.5信号采集电路

三、信号滤波处理电路

脉搏信号变化缓慢，特别容易受到工频信号的干扰，因此对工频信号干扰的抑制是保证脉搏信号测量精度的主要措施之一。

通常脉搏信号的频率范围在0.3~4Hz之间，小于工频50Hz，因此通过低通滤波器可以有效滤除工频干扰。

在信号调理电路中，同时还设计高通滤波器滤除直流信号，就能够实现对脉搏信号的提取。

本课题采用二阶、低通滤波电路进行滤波处理，如图3.6。

原为PRTEL画的电路图，因附件太大，删除几个图以减小空间

图3.6两级二阶、低通滤波电路

由图3.6可知，C23起到隔直流的作用，能够有效的将信号采集电路输出的直流电压和脉搏信号分离开来。

图中由R7、R8和C12、C13组成的低通滤波电路，通过计算可得当Wn为-3dB时f0=1/2πRC。

经过合理选择RC电路的电容、电阻可以使得f0=7.2HZ。

该电路中R9、R10、R13、R14构成了比例放大电路，决定了该电路的对信号的放大程度。

为了提高精度，该电路所选的电阻都是金属膜电阻。

在人处于安静