脉搏心率测试仪测试与制作报告

五邑大学

电子系统课程设计

题目：脉搏心率测试仪测试与制作

院系信息工程学院

专业电子信息工程

学号

学生姓名

指导教师陈鹏讲师

报告日期2013年1月

脉搏心率测试仪测试与制作

引言

脉搏波所呈现出来的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，能反映出人体心血管系统中许多生理疾病的血流特征。本系统是采用STC89C52单片机为核心而制作的一种实用型脉搏测量仪。采用红外发射管和接收管对人体的脉搏心率进行数据采集，得到的信号滤波放大整形后送入STC89C52单片机进行采集和处理。单片机将采集到的脉搏心率在液晶LCD1602上实时显示出来。本文将首先描述本设计的整体思路，然后介绍各个部分设计中的细节，最后列出完善的计算和处理方式与结果。

1.设计解析与设计方案介绍

平均心率值是指一分钟内心脏实际跳动的次数，本心率测量仪是测试平均心率值，测量方法主要有两种: 一种是心电测量. 即根据心电图上相邻二次波形之间的间隔时间来计算心率值; 另一种是脉搏测量。通常心脏的跳动与脉搏的跳动是同步的, 因此只需测出脉搏跳动次数就可以知道心率值测量脉搏是通过记录处理脉搏传感器发出的指脉电信号来实现的。本方案选择的比较简单直接的脉搏测量方式。

目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：光电容积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。近年来, 光电检测技术在临床医学应用中发展很快, 这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰, 具有很高的绝缘性, 且可非侵入地检测病人各种症状信息。本系统设计了指套式的透射型光电传感器, 实现了光电隔离,减少了对后级模拟电路的干扰。采用指套式的透射型光电传感器模块对人体实行心率数据采集，采集所得信号通过放大电路模块实行电信号放大，然后信号通过滤波电路模块进行滤波（特别滤除50Hz市电干扰），再通过整形稳压电路进行整形后，得到幅值在0~5v的正弦信号，再最后将信号通过斯密特比较器NE555形成矩形波并送入单片机控制显示电路模块实现平均心率结果显示。

其具体总体结构框架如图1.1：

图1.1 脉搏测量仪系统框图

图1.2 脉搏信号提取及处理电路结构图

2.脉搏信号提取部分

光敏二极管的特性是将光信号强弱变化转换为电流变化，通过电路转换再转变成变化的电压信号。

此次设计采用的是BPW83 型红外接收二极管和IR333 型红外发射二极管，二极管工作波长都是940 nm。在指夹中，红外接收二极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大。当红外发射二极管发射的红外光直接照射到红外接收二极管上时，IC1B 的反相输入端电位大于同相输入端电位，Vi 为“O”。当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期。虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是，由于红外接收二极管中存在暗电流，仍有lμA 的暗电流会造成Vi 电位略低于2.5 V。二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收二极管中的暗电流减小，Vi 电位上升。由此看来，所谓脉搏信号的拾取实际上是通过红外接收二极管，在有脉和无脉时暗电流的微弱变化，最终输出20mv左右电压信号。二极管夹指方式如图2.1所示。

因此，在接收电路中应采用电流电压转换电路，将变化的电流信号转换为电压信号。转换电路如图2.2所示。

图2.1 指甲式脉搏传感器 图2.2 红外传感连接电路

3. 脉搏信号处理部分

LM324运放1用于电压跟随器，如图3.1所示；

其主要作用有：

（1） 增大输入阻抗。电压跟随器具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点，这

也使得传感器部分输入的微弱电压信号得以有效输入，为下面的滤波放大提供保障

（2） 起到做缓冲级，隔离电路干扰作用。电压跟随器作缓冲级，能有效防

止后级对于前级的干扰，从而隔离了后级的可能存在的干扰。因为脉搏信号本身稳定性很差，极易受到外界或是来自电路本身的干扰，电压跟随器的存在能有效避免来自电路的干扰

LM324运放2用于二阶低通滤波放大电路，如图3.2所示。

通带电压增益为：

23

21A up =+

=R R

总增益为：

)

/()/(1A 2

u

H H up

f f jQ f f A +-=

截止频率为：

Hz 823.4000001

.03.31000021

RC

21=⨯⨯⨯=

=

Hz f H ππ

由滤波电路可知，滤波部分为二阶低通滤波电路；由所求截止频率可知，该部分电路在输入信号频率为4.8HZ 及以下时，信号正常放大Au 倍后输出；在输入信号频率大于4.8HZ 时，信号将快速衰减，最终无法导通。因而，滤波部分电路最多能检测脉搏信号近300次每分钟，使得使用者有较大的测量空间，且能有效地拦截市电的50HZ 干扰信号。

图3.1 电压跟随器电路 图3.2 二阶低通滤波电路

LM324运放3、4用于同相放大电路，如图3.3所示；NE555芯片用于电压比较和信号波形整形，如图3.4所示。信号提取模块电路总的原理图见附录图一。

放大倍数为：

23

10220110

R111A u =+

=+

=k

k R

双同相放大器的放大倍数为：

23 * 23 = 529

电路总的放大倍数为：

2 * 529 = 1058

因而，在输入信号低至5mV时，放大后输出波形峰峰值近5mV*1058=5290mV≈5V。而NE555整形芯片在+5V电源供应下，其比较阀值为向上2/3Vcc向下1/3Vcc，所以输入信号完全符合整形要求，且其输出高电平为4.7V左右，完全能被STC89C52采集识别。因而，总体设计符合要求

图3.3 同相比例放大电路图3.4 NE555整形电路

4．单片机显示控制部分

此次设计中的控制显示部分主要由STC89C52单片机和LCD1602液晶显示器共同构成。

（1）STC89C52单片机介绍

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时