心率测量及报警装置

心率测量及报警装置《电气技术实践基础》综合设计

2017年11月

摘要

光电容积脉搏波包含了人体丰富的生理、病理信息，对其进行实时监测可为临床研究和诊断提供科学的指导。这一套基于图形化虚拟仪器电子电路的光电容积脉搏波信号采集、处理、脉搏频率显示及报警系统，可完成对该信号的实时采集、显示和信息反馈。装置原理简单，用简单分立元件及中规模集成电路模拟了LabVIEW系统的基本功能。

关键词：光电容积脉搏波，模拟电路，数字电路，仿真

Abstract

The light capacitance pulse wave contains abundant physiological and pathological information of human body, and real-time monitoring of it can provide scientific guidance for clinical research and diagnosis. The signal acquisition, processing, pulse frequency display and alarm system based on graphic virtual instrument electronic circuit can accomplish the real-time acquisition, display and information feedback of the signal. The principle of the device is simple, and the basic functions of the LabVIEW system are simulated by simple discrete components and medium scale integrated circuits.

Key words: PPG, analog circuit, digital circuit, simulation

目录

1. 设计背景 (3)

1.1光电容积脉搏波介绍 (3)

1.2脉搏波传感器 (3)

2. 方案描述 (4)

2.1设计原理 (4)

2.1.1模块设计 (4)

2.1.2输入信号模拟模块 (4)

2.1.3信号预处理模块 (6)

2.1.5整流稳压电路 (10)

2.1.6计数模块 (10)

2.1.7锁存器 (15)

2.1.8数码管显示及报警系统 (16)

2.1.9 系统的控制原理 (16)

3. 仿真结果 (18)

3.1仿真方法 (18)

3.2仿真结果 (18)

4. 改进方向及总结 (18)

4.1改进方向 (18)

4.2总结 (19)

1. 设计背景

1.1光电容积脉搏波介绍

光电容积脉搏波(PPG，photoplethysmograph)信号是人体重要的生理信号，包含着人体心脏器官和血液循环系统丰富的生理、病理信息。当一定波长的光束照射到皮肤表面时，光束将通过投射或反射方式传送到光电传感器。由于受到皮肤肌肉组织和血液的吸收衰减作用，光电传感器检测到的光电强度会有一定程度的减弱。当心脏收缩时，外周血管扩张，血容量最大，光吸收最强，因此检测到的光信号强度最小; 当心脏舒张时，外周血管收缩，血容量最小，光吸收最弱，因此检测到的光信号强度最大，使得光电传感器检测到的光强度随心脏搏动而呈现脉动性变化。将此光强度变化信号转换为电信号，再经放大后即可反映出外周血管血流量随心脏搏动的变化。

1.2脉搏波传感器

目前脉搏波传感器主要是基于光电容积描记技术设计而成，其主要有两种设计方式，透射式，即发光二极管与探测器位于手指两侧; 反射式，即发光二极管与探测器位于指端同一侧。传统脉搏波传感器多采用透射式测量方法。现在成熟的方法是采用反射式测量方法对脉搏波传感器进行了选型。其电路示意图如图1所示。传感器的4，5 脚为电源脚。2 脚为 2 个LED 的公共负极，通过调节 1 和 3 管脚上的电阻值可以调节传感器的发光功率。管脚 6 为原始的脉搏波信号输出端。

2. 方案描述

2.1设计原理

2.1.1模块设计

图2工作流程图

工作流程图如图2。脉搏波传感器将光信号转换为电信号，作为脉搏测量电路的输入信号。输入信号是以一定规律周期性变化的模拟信号，信号预处理模块持续接收该信号，并将其处理为频率与脉搏频率一致的方波信号，驱动计数模块工作。计数结果输入译码计算模块，换算为每分钟脉搏次数，而后锁存保持并通过三位七段码显示结果。稳压源为装置各工作电路模块供电。

3位十进制计数器的循环计数和数码管BCD码输入信号锁存的原理见2.14部分详细介绍。

2.1.2输入信号模拟模块

图3 典型的PPG波形

如图4，典型的PPG波形可以近似为一系列正弦波的叠加。其函数模型可以简化为

102sin 2sin 5)(f ++=x x x

图4 模拟函数信号

人的脉搏频率变化范围在1~4Hz ，为了简化仿真，模拟输入信号电路设计了三路，基波频率分别为1Hz 、2Hz 、4Hz 的输入信号

)(3.016sin 09.08sin 15.0)

(3.08sin 09.04sin 15.0)

(3.04sin 09.02sin 15.0321V t t U V t t U V t t U I I I ++=++=++=ππππππ

图5 模拟输入信号电路图

2.1.3信号预处理模块

图6信号预处理电路

信号预处理电路的功能为：将幅值为68mV-470mV，频率为1-4Hz的双峰脉搏波形经过滤波、放大、整形成为对应频率，幅值为0-4V的方波作为时钟信号送到计数器的CLK端口。

如图6所示，双峰脉搏波信号从IO2口进入，IO3接5V稳压电源，处理后得到的方波信号从IO1输出。

利用双峰脉搏波信号的低频特性，经过一个RC低通滤波器滤出一些高频的