压电式脉搏波检测系统的研究
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从实验结果中看，测量存在一定的误差。误差 产生的原因如下:由于环境和客观条件的影响，监测 时的患者的体位不同，测量结果会出现一定的差
二次调用显示子程序延迟 12ms
Y
N
有键闭
合否？
判断闭合键键号→栈
N 闭合键 释放否？
Y 输入键号→A
判断键值
清零程序
测量程序
结束 图 6 主程序和键扫描子程序流程图 Fig.6 Host program and key scanning sub-program map
［5］ 陈明义，杨华，杨亮.智能脉搏测试仪的设计［J］.计算技 术与自动化，2002，21（3）：117-119.
［6］ Lee I，Sung H J. Development of an array of pressure sensors with PVDF film［J］.Springer-Verlag，1999，26（12）： 27-35.
表 1 脉搏测量数据对比（单位：次/分）
Tab.1 Comparison of pulse measurement dada
HEM-6000 82 80 76 73
设计模块 79 82 79 76 相对误差％ 3.65 2.5 3.94 4.1
75 68 69 78 71 66 4.0 4.41 2.98
医疗监护技术的发展趋势是要求连续测量各种 生理参数，尽可能做到稳定、舒适、安全、无创 伤。本文基于这种发展趋势，设计了一种压电脉搏 波检测系统。本系统以 8051 单片机为基础，由传 感器模块、预处理模块、数字电路模块和单片机系 统模块等部分组成。
1 脉搏波检测系统总体设计
脉搏波检测系统采用模块化设计，其原理框图 如图 1 所示，它包含脉搏检测、放大、滤波、整 形、控制、显示和报警部分。其中传感器电路将动 脉脉搏波转换为相应的电信号；后续电路将传感器 输出的电信号进行滤波、放大；整形部分把此信号 转换成数字信号送给 8051 单片机系统进行处理； 并同时进行控制和提供报警功能。
系统软件主要有主程序（包含初始化程序）、 键盘扫描子程序、清零子程序、测量子程序、LED 显示子程序等。各子程序可分别调试，结构清晰， 调用、调试很方便。系统的主程序流程图如图 6 所 示，脉搏波测量子程序流程图如图 7 所示。
4 实验研究与结果分析
实验中使用以 PVDF 压电传感器设计的测量系 统对不同人的脉搏波进行了测试，并将测试结果与 符合 AAMI 和 BHS 标准的 HEM-6000 腕式血压脉 搏计进行对比，表 1 为血压测量模块与 HEM-6000 腕式血压脉搏计测量结果对比数据。从脉搏测量模 块的测试结果可知，该系统测量模块的测量结果基 本符合 AAMI 和 BHS 标准，初步认定该模块达到 预期设计要求。
（长春理工大学 生命科学技术学院，长春 130022）
摘 要：提出了一种压电脉搏波检测系统的设计方案。该系统可以实时检测人体脉搏信号参数，并可通过串行通信
和主机相连，实现信息的存储和传输，为医生诊断病情提供可靠依据。仪器结构简单，操作方便，是监护病人的重
要工具。
关键词：PVDF；传感器；脉搏；单片机
由于提取信号较弱，易受环境温度及其他干扰 影响，因此必须进行滤波和放大。脉搏信号属于低
频信号，所以要滤除的主要是高频信号及 50Hz 工 频干扰。经滤波放大后的脉搏信号是不规则模拟信 号，不能直接输入单片机进行处理，所以需要经过 整形电路进行转换后送入单片机进行计数。计数开 始后，脉搏频率可以在数码管上显示出来，当脉搏 频率高于设定的上限或低于下限时，单片机都会发 出报警信息。从而实现了对脉搏信号的实时监测。
第33卷第4期 2010年12月
长春理工大学学报（自然科学版）
Journal of Changchun University of Science and Technology（Natural Science Edition）
Vol. 33 No.4 Dec. 2010
压电式脉搏波检测系统的研究
杨玉兰
开始 初始化
有键闭
Y
合否？
N
调用显示子程序延迟 6ms
图 5 整形电路 Fig.5 Shaping circuit
3 系统软件设计
单片机系统以 MCS-51 系列的单片机为核心， 完成对脉搏频率的计算和存储，并用 LED 显示模 块显示。通过键盘可以对单片机进行程序的输入并 进行调试，完成单片机的复位、确认开始等功能。 按下开始键后，主程序完成初始化操作和按键确认 操作。在初始化中包括 8255 的初始化和装入脉搏 参数的参考值（成人在安静时，每分钟脉搏为 60 ～ 100 次）。
中图分类号： R318.04
文献标识码：A
文章编号：1672-9870（2010）04-0153-04
Research On the System of Piezoelectric Pulse Wave Testing
YANG Yulan
（School of Life Science and Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）
［2］ 段颖康.数字式血压脉搏检测仪的实现［J］.微电子技术， 2003，31（1）：57-59.
［3］ 韩文波，曹卫国，张精慧.光电式脉搏监测系统［J］. 长春 光学精密机械学院学报，1999，22（4）：30-34.
［4］ 朱筱伟，朱新亚.腕带式脉搏计的研制［J］.西安工业学院 学报，2001，21（4）：63-67.
为保证电路不影响前级，且使 C9、C10 能将电 压保存适当长的时间，放大器的输入阻抗要高。这 里选择 CA3130，它有高的输入阻抗和低输入偏置
第4期
杨玉兰：压电式脉搏波检测系统的研究
155
电流，且能用单电源供电。为延缓峰值电压经 R15、 R16 向谷值电压存储电容 C10 充电，R15、R16 应选得 较大。这里 R15=R16=10M 。得到的平均值通过输入 到比较器 A6 的反相端和原信号进行比较，这样得到 的原信号就以平均值为交点发生跳变，变成方波信 号进行输出。
图 3 脉搏检测和放大电路 Fig.3 Pulse testing and amplification circuit
2.3 滤波电路 传感器直接与皮肤接触会引入 50Hz 工频干
扰。因此传感器输出的模拟信号并不能正确反映动 脉所引起的体表脉搏波动，需对信号进行一定的处
图 4 滤波电路图
Fig.4 Filter circuit
Abstract：The paper proposes a scheme of testing system of piezoelectricity pulse wave，which is able to measure pulse signal parameter of human body in a real-time manner. Linked to main frame with serial communication，the system can achieve the storage and transmission of information on which diagnosis is reliably based. The proposed device，simple in structure and easy to operate，can be an effective tool for monitoring patients. Key words：PVDF；sensor；pulse；single chip
2.2 脉搏检测和信号放大电路 人体生理信号的基本特征是信噪比低、信号
弱、频率低，所以生物医学信号对测量放大电路的 要求比较高，信号处理电路系统如图 3 所示。整个 电路工作于 3V 电源电压下，接电源的上拉电阻 R1 和传感器，完成传感器供电和波动信号的输出。由 于人体脉搏信号是弱信号，传感器输出的信号比较 微弱（几十毫伏），不能直接用单片机来进行处 理。这里由两级运放构成的放大级电路来对信号进 行放大，把电压信号放大到 1 ～ 5V。同时放大器 输入端的电容 C1、C2 和接地电阻 R2、R5 完成信号 中直流分量的滤除。
开始
计数器初始化
开始记数
延迟 1ms (其中调用显示 程序实时显示)
停止记数
返回 图 7 测量子程序流程图 Fig.7 Measuring sub-program map
156
长春理工大学学报（自然科学版）
2010年
异。同时，在实际操作中，一些随机因素也对测量 的精确性产生影响。不过，实验测试结果表明，该 脉搏波测量系统的测量误差值处于允许范围之内， 能够满足临床诊断和监测的要求，达到了预期设计 目标。
2.4 整形电路
这部分的电路目的是要把连续的不规则脉搏模 拟信号整形为方波数字信号以方便输入到单片机进 行转换计数，如图 5 所示。A4、A5 和 R13、R14、R15、 R16、D1、D2、C9、C10 组成一个平均值提取电路，它 通过峰、谷值检测，然后由两个严格匹配的电阻计 算出峰谷值的平均值。峰值检测电路：经滤波放大 的脉搏信号接放大器同相端，当脉搏信号大于电容 C9 的电压时，放大器输出高电平，Dl导通，给 C9 充 电。当脉搏信号升至峰值并开始下降时，C9 充电至 峰值电压，此时放大器输出低电平，Dl截止，C9 上 保持峰值电压。谷值检测电路：结构与峰值检测电 路相同，当输入电压小于 C10 上的电位时，放大器 输出低电平，D2 导通，C10 通过 D2 放电。当输入电 压降至谷值并开始上升时，C10 就取得谷值电压，此 时放大器输出高电平，D2 截止，C10 保存谷值电压。
5 结论
本系统采用 PVDF 传感器设计一压电脉搏波检 测系统，该系统抗干扰能力较强，能够满足临床诊 断和监测的要求，达到了预期设计目标。该系统携 带方便，适合于家庭及出差、旅行，具有较广泛的 应用价值。
参考文献
［1］ 张华，张桂芳.压电和热释电聚合物 PVDF 及其应用［J］. 天津大学学报，2003，22（1）：35-39.
受压元件
空气室
外框
Fig.2
压电薄膜 图 2 压电脉搏传感器 Piezoelectricity pulse wave sensor
理。 由于人体脉搏信号的频率主要分布在 0.3Hz ～
60Hz 之间，这样容易引入 50Hz 的工频干扰和高于 60Hz 的高频干扰。因此电路通过一个二阶有源带阻 陷波器来滤掉 50Hz 的工频信号，同时采用 MAXIM 公司生产的最新型的八阶低通滤波器 MAX292 来滤 除高频噪声，如图 4 所示。A3 与 C3、C4、C5、R9、 R10、R8、W 构成双 T 型 50HZ 陷波器，W 可以调节 品质因素 Q 的值，中心点越往上调，Q 值越大，反 之则越小。在双 T 电路中，取 R8=R9=2R10=R，C3= C4=1/2C5=C，则陷波点 f0=1/(2 RC)=50Hz。MAX292 可以防止在截止频率附近出现的振荡失真。其中 C6 决定 其 截 止 频 率，选 择 此 级 电 路 的 截 止 频 率 为 60Hz，这样可使 60Hz 以上噪声以 160dB 的速度迅 速衰减。
放ຫໍສະໝຸດ Baidu
显示
脉 搏 信 号
压
电 传 感 器
大 和 滤 波 电
整
形 电 路
路
8051
单 片 机
键盘 报警
图 1 系统结构框图 Fig.1 System framework of structure
2 脉搏波检测系统的硬件电路设计
2.1 脉搏信号的检测原理
收稿日期：2010-08-16 作者简介：杨玉兰（1959-），女，硕士生导师，主要从事生物医学信号检测及处理的研究，E-mail：yangyl@cust.edu.cn 。
154
长春理工大学学报（自然科学版）
2010年
人体脉搏已成为心脏、动脉血管功能无创检测 的重要参考指标。本文利用 PVDF 压电传感器的脉 搏测量系统。压电脉搏传感器如图 2 所示。脉搏的 波动引起皮肤的波动，由于传感器与皮肤的间隔十 分小。当皮肤发生波动时，引起和受压元件间空气 的波动，再作用在压电薄膜上产生电信号，这样就 把脉搏的机械波动转换成电信号的变化。
二次调用显示子程序延迟 12ms
Y
N
有键闭
合否？
判断闭合键键号→栈
N 闭合键 释放否？
Y 输入键号→A
判断键值
清零程序
测量程序
结束 图 6 主程序和键扫描子程序流程图 Fig.6 Host program and key scanning sub-program map
［5］ 陈明义，杨华，杨亮.智能脉搏测试仪的设计［J］.计算技 术与自动化，2002，21（3）：117-119.
［6］ Lee I，Sung H J. Development of an array of pressure sensors with PVDF film［J］.Springer-Verlag，1999，26（12）： 27-35.
表 1 脉搏测量数据对比（单位：次/分）
Tab.1 Comparison of pulse measurement dada
HEM-6000 82 80 76 73
设计模块 79 82 79 76 相对误差％ 3.65 2.5 3.94 4.1
75 68 69 78 71 66 4.0 4.41 2.98
医疗监护技术的发展趋势是要求连续测量各种 生理参数，尽可能做到稳定、舒适、安全、无创 伤。本文基于这种发展趋势，设计了一种压电脉搏 波检测系统。本系统以 8051 单片机为基础，由传 感器模块、预处理模块、数字电路模块和单片机系 统模块等部分组成。
1 脉搏波检测系统总体设计
脉搏波检测系统采用模块化设计，其原理框图 如图 1 所示，它包含脉搏检测、放大、滤波、整 形、控制、显示和报警部分。其中传感器电路将动 脉脉搏波转换为相应的电信号；后续电路将传感器 输出的电信号进行滤波、放大；整形部分把此信号 转换成数字信号送给 8051 单片机系统进行处理； 并同时进行控制和提供报警功能。
系统软件主要有主程序（包含初始化程序）、 键盘扫描子程序、清零子程序、测量子程序、LED 显示子程序等。各子程序可分别调试，结构清晰， 调用、调试很方便。系统的主程序流程图如图 6 所 示，脉搏波测量子程序流程图如图 7 所示。
4 实验研究与结果分析
实验中使用以 PVDF 压电传感器设计的测量系 统对不同人的脉搏波进行了测试，并将测试结果与 符合 AAMI 和 BHS 标准的 HEM-6000 腕式血压脉 搏计进行对比，表 1 为血压测量模块与 HEM-6000 腕式血压脉搏计测量结果对比数据。从脉搏测量模 块的测试结果可知，该系统测量模块的测量结果基 本符合 AAMI 和 BHS 标准，初步认定该模块达到 预期设计要求。
（长春理工大学 生命科学技术学院，长春 130022）
摘 要：提出了一种压电脉搏波检测系统的设计方案。该系统可以实时检测人体脉搏信号参数，并可通过串行通信
和主机相连，实现信息的存储和传输，为医生诊断病情提供可靠依据。仪器结构简单，操作方便，是监护病人的重
要工具。
关键词：PVDF；传感器；脉搏；单片机
由于提取信号较弱，易受环境温度及其他干扰 影响，因此必须进行滤波和放大。脉搏信号属于低
频信号，所以要滤除的主要是高频信号及 50Hz 工 频干扰。经滤波放大后的脉搏信号是不规则模拟信 号，不能直接输入单片机进行处理，所以需要经过 整形电路进行转换后送入单片机进行计数。计数开 始后，脉搏频率可以在数码管上显示出来，当脉搏 频率高于设定的上限或低于下限时，单片机都会发 出报警信息。从而实现了对脉搏信号的实时监测。
第33卷第4期 2010年12月
长春理工大学学报（自然科学版）
Journal of Changchun University of Science and Technology（Natural Science Edition）
Vol. 33 No.4 Dec. 2010
压电式脉搏波检测系统的研究
杨玉兰
开始 初始化
有键闭
Y
合否？
N
调用显示子程序延迟 6ms
图 5 整形电路 Fig.5 Shaping circuit
3 系统软件设计
单片机系统以 MCS-51 系列的单片机为核心， 完成对脉搏频率的计算和存储，并用 LED 显示模 块显示。通过键盘可以对单片机进行程序的输入并 进行调试，完成单片机的复位、确认开始等功能。 按下开始键后，主程序完成初始化操作和按键确认 操作。在初始化中包括 8255 的初始化和装入脉搏 参数的参考值（成人在安静时，每分钟脉搏为 60 ～ 100 次）。
中图分类号： R318.04
文献标识码：A
文章编号：1672-9870（2010）04-0153-04
Research On the System of Piezoelectric Pulse Wave Testing
YANG Yulan
（School of Life Science and Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）
［2］ 段颖康.数字式血压脉搏检测仪的实现［J］.微电子技术， 2003，31（1）：57-59.
［3］ 韩文波，曹卫国，张精慧.光电式脉搏监测系统［J］. 长春 光学精密机械学院学报，1999，22（4）：30-34.
［4］ 朱筱伟，朱新亚.腕带式脉搏计的研制［J］.西安工业学院 学报，2001，21（4）：63-67.
为保证电路不影响前级，且使 C9、C10 能将电 压保存适当长的时间，放大器的输入阻抗要高。这 里选择 CA3130，它有高的输入阻抗和低输入偏置
第4期
杨玉兰：压电式脉搏波检测系统的研究
155
电流，且能用单电源供电。为延缓峰值电压经 R15、 R16 向谷值电压存储电容 C10 充电，R15、R16 应选得 较大。这里 R15=R16=10M 。得到的平均值通过输入 到比较器 A6 的反相端和原信号进行比较，这样得到 的原信号就以平均值为交点发生跳变，变成方波信 号进行输出。
图 3 脉搏检测和放大电路 Fig.3 Pulse testing and amplification circuit
2.3 滤波电路 传感器直接与皮肤接触会引入 50Hz 工频干
扰。因此传感器输出的模拟信号并不能正确反映动 脉所引起的体表脉搏波动，需对信号进行一定的处
图 4 滤波电路图
Fig.4 Filter circuit
Abstract：The paper proposes a scheme of testing system of piezoelectricity pulse wave，which is able to measure pulse signal parameter of human body in a real-time manner. Linked to main frame with serial communication，the system can achieve the storage and transmission of information on which diagnosis is reliably based. The proposed device，simple in structure and easy to operate，can be an effective tool for monitoring patients. Key words：PVDF；sensor；pulse；single chip
2.2 脉搏检测和信号放大电路 人体生理信号的基本特征是信噪比低、信号
弱、频率低，所以生物医学信号对测量放大电路的 要求比较高，信号处理电路系统如图 3 所示。整个 电路工作于 3V 电源电压下，接电源的上拉电阻 R1 和传感器，完成传感器供电和波动信号的输出。由 于人体脉搏信号是弱信号，传感器输出的信号比较 微弱（几十毫伏），不能直接用单片机来进行处 理。这里由两级运放构成的放大级电路来对信号进 行放大，把电压信号放大到 1 ～ 5V。同时放大器 输入端的电容 C1、C2 和接地电阻 R2、R5 完成信号 中直流分量的滤除。
开始
计数器初始化
开始记数
延迟 1ms (其中调用显示 程序实时显示)
停止记数
返回 图 7 测量子程序流程图 Fig.7 Measuring sub-program map
156
长春理工大学学报（自然科学版）
2010年
异。同时，在实际操作中，一些随机因素也对测量 的精确性产生影响。不过，实验测试结果表明，该 脉搏波测量系统的测量误差值处于允许范围之内， 能够满足临床诊断和监测的要求，达到了预期设计 目标。
2.4 整形电路
这部分的电路目的是要把连续的不规则脉搏模 拟信号整形为方波数字信号以方便输入到单片机进 行转换计数，如图 5 所示。A4、A5 和 R13、R14、R15、 R16、D1、D2、C9、C10 组成一个平均值提取电路，它 通过峰、谷值检测，然后由两个严格匹配的电阻计 算出峰谷值的平均值。峰值检测电路：经滤波放大 的脉搏信号接放大器同相端，当脉搏信号大于电容 C9 的电压时，放大器输出高电平，Dl导通，给 C9 充 电。当脉搏信号升至峰值并开始下降时，C9 充电至 峰值电压，此时放大器输出低电平，Dl截止，C9 上 保持峰值电压。谷值检测电路：结构与峰值检测电 路相同，当输入电压小于 C10 上的电位时，放大器 输出低电平，D2 导通，C10 通过 D2 放电。当输入电 压降至谷值并开始上升时，C10 就取得谷值电压，此 时放大器输出高电平，D2 截止，C10 保存谷值电压。
5 结论
本系统采用 PVDF 传感器设计一压电脉搏波检 测系统，该系统抗干扰能力较强，能够满足临床诊 断和监测的要求，达到了预期设计目标。该系统携 带方便，适合于家庭及出差、旅行，具有较广泛的 应用价值。
参考文献
［1］ 张华，张桂芳.压电和热释电聚合物 PVDF 及其应用［J］. 天津大学学报，2003，22（1）：35-39.
受压元件
空气室
外框
Fig.2
压电薄膜 图 2 压电脉搏传感器 Piezoelectricity pulse wave sensor
理。 由于人体脉搏信号的频率主要分布在 0.3Hz ～
60Hz 之间，这样容易引入 50Hz 的工频干扰和高于 60Hz 的高频干扰。因此电路通过一个二阶有源带阻 陷波器来滤掉 50Hz 的工频信号，同时采用 MAXIM 公司生产的最新型的八阶低通滤波器 MAX292 来滤 除高频噪声，如图 4 所示。A3 与 C3、C4、C5、R9、 R10、R8、W 构成双 T 型 50HZ 陷波器，W 可以调节 品质因素 Q 的值，中心点越往上调，Q 值越大，反 之则越小。在双 T 电路中，取 R8=R9=2R10=R，C3= C4=1/2C5=C，则陷波点 f0=1/(2 RC)=50Hz。MAX292 可以防止在截止频率附近出现的振荡失真。其中 C6 决定 其 截 止 频 率，选 择 此 级 电 路 的 截 止 频 率 为 60Hz，这样可使 60Hz 以上噪声以 160dB 的速度迅 速衰减。
放ຫໍສະໝຸດ Baidu
显示
脉 搏 信 号
压
电 传 感 器
大 和 滤 波 电
整
形 电 路
路
8051
单 片 机
键盘 报警
图 1 系统结构框图 Fig.1 System framework of structure
2 脉搏波检测系统的硬件电路设计
2.1 脉搏信号的检测原理
收稿日期：2010-08-16 作者简介：杨玉兰（1959-），女，硕士生导师，主要从事生物医学信号检测及处理的研究，E-mail：yangyl@cust.edu.cn 。
154
长春理工大学学报（自然科学版）
2010年
人体脉搏已成为心脏、动脉血管功能无创检测 的重要参考指标。本文利用 PVDF 压电传感器的脉 搏测量系统。压电脉搏传感器如图 2 所示。脉搏的 波动引起皮肤的波动，由于传感器与皮肤的间隔十 分小。当皮肤发生波动时，引起和受压元件间空气 的波动，再作用在压电薄膜上产生电信号，这样就 把脉搏的机械波动转换成电信号的变化。