《机械工程测试技术》课程设计脉搏测量仪的设计姓名：张峰学院：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级：2010级本科4班学号：201015130457完成日期：2012年12月28日摘要医院的护士每天都要给住院的病人把脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用手按在病人腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。

为了节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测量10秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以6即得到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时，而且精度也不高。

本文介绍一种用单片机制作的脉搏测量仪，只要人把手指放在传感器内2秒钟就可以精确测量出每分钟脉搏数，测量结果用三位数字显示。

关键词：AT89C2051；单片机；脉搏测量仪目录第一章引言 (1)第二章基本结构模块 (2)2.1脉搏波检测电路 (2)2.2脉搏信号拾取电路 (2)2.3信号放大 (3)2.4波形整形部分 (5)第三章整体电路分析 (7)3.1光发射电路 (7)3.2光电转换电路 (7)3.3信号采集及处理系统 (8)3.4过采样技术的应用 (8)3.5整体硬件电路设计 (9)参考文献 (10)第一章引言脉搏测量属于检测有无脉博的测量，有脉搏时遮挡光线，无脉搏时透光强，所采用的传感器是红外接收二极管和红外发射二极管。

用于体育测量用的脉搏测量大致有指脉和耳脉二种方式。

这二种测量方式各有优缺点，指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降；耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。

但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确。

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。

脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，在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,因此对脉搏波采集和。

处理具有很高的医学价值和应用前景。

但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号, 脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号, 必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。

第二章基本结构模块2.1 脉搏波检测电路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。

用光电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生物医学仪器工作的专家和学者的重视。

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，结构如图所示。

图2-1 透射式光电传感器图传感器由发光二级管和光敏二极管组成, 其工作原理是: 发光二极管发出的光透射过手指,经过手指组织的血液吸收和衰减，由光敏二极管接收。

由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的吸收和衰减也是周期性脉动的, 于是光敏二极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。

2.2脉搏信号拾取电路如图2所示，IClA为单位增益缓冲器，用于产生2.5V的基准电压。

放大倍数由R08和R06的比值决定。

图2-3 低通滤波器图根据二阶低通滤波器的传递函数，可得050408070807060420504080706081011)111(1)()(R R R R R R R c s s C C R R R R S V S V ++++-=（1）放大倍数为 H=-R 08/R 06 =-22 （2） 取0.707倍零频增益计算高频转折频率，即f H = 7.7Hz （3）按人的脉搏最高为4 Hz 考虑，低频特性是令人满意的。

需要说明的是，以上分析是在忽略C03的条件下做出的，如果考虑C03的话，那么：R610k220k C3Vi1111)()(040603040406+≈++=s C R C C s C R s V s V i S (4)由此可见，C03没有影响频率特性的分析，它的作用只是隔直。

二级放大器兼比较器如图4所示。

Rpll 用以调整系统的放大倍数，C06用以防止放大器自激。

采用二级放大，零点漂移不很明显，在O.1 V 左右。

所以将比较器的阈值电压设计成O.25 V ，以确保滤除干扰信号。

采用比较器的好处是能有效地克服零点漂移所造成的影响，提高测量的准确性。

图2-4 二级放大器和比较器图2.4 波形整形部分波形整形电路如图5所示，IC3A 是CD4528型单稳态多谐振荡器，有效脉宽为0.05 s ．其宽度由R22和C20决定。

IC3B 也组成一个单稳态多谐振荡器，脉宽为240ms 。

D2、Dl 和T3等组成一个或非门，只有C ，E 两点均为低电平时，RP12 Vo1B信号放大器整机输出才是高电平。

设计这个电路的目的是为了在输出端输出一个窄脉冲，并且要在由R13和C07决定的时间内任何信号都不会干扰输出。

R23和C21充电时间的长短决定了计数脉冲的宽度，一般不希望它太宽。

图2-5 波形整形线路图0.1uF第三章 整体电路分析3.1 光发射电路经实验可知,采用GaAs 红外发光二极管作为光源时，可基本抑制由呼吸运动造成的脉搏波曲线的漂移。

脉搏波检测以光电检测技术为基础，因此受周围杂散光、暗电流等各种干扰影响较大。

为了克服这一问题本系统采用脉冲振幅光调制技术。

脉冲调制传送的是调制信号的采样值，只要采样频率奈奎斯特采样频率，则可由采样脉冲来恢复原信号，而不会导致失真。

系统对红外二极管的驱动脉冲信号的频率选定为工频整数倍400Hz 以降低工频干扰。

脉冲载波由ADuC841内部16位数模转换器产生。

为了保证红外发光二极管的光源稳定，本文采用运放op495和NPN 型三极管作为恒流源电路向发光二极管提供稳定的工作电流，光源驱动电路如图4-1所示。

3.2 光电转换电路光敏二极管的特性是将光信号转换为电流，而随后的A/D 转换电路是以电压为检测对象。

因此，接收电路中应采用电流电压变换电路，将电流信号转换为电压信号。

运算放大器与电阻R 形成电流电压变换电路，如图3-2所示。

（图中S_GND 为信号地，运算放大器工作正负电源为5V 、0V ，为避免信号丢失，将信号抬高至VS_GND=1V 。

）电路输出电压R I Aout ⨯=。

图3-1 发光二极管驱动电路图图3-2 光敏二极管的电流电压转换电路图3.3 信号采集及处理系统由于光电脉搏波属于缓慢变化的微弱生理信号，信噪比低，极易受到环境噪声和肢体运动的干扰。

传统的光电脉搏波信号检测电路都采用高增益放大器，以获得较高的检测灵敏度，这种设计思路导致了检测信号动态范围缩小，在受到运动干扰时，将导致由于干扰信号而带来的光电脉搏波信号检测的饱和失真。

本系统采用过采样技术，通过对信号的高速采样来提高采样精度，相当于用高分辨率的ADC对信号进行模数转换，达到了提高信噪比并改善动态范围的效果。

因此本系统对经过光电转换后的信号进行模数转换而不需要任何信号调理（放大和滤波）电路。

3.4过采样技术的应用所谓过采样技术是指以远远高于奈奎斯特(Nyquist)采样频率的频率对模拟信号进行采样的方法。

由信号采样量化理论可知，若输入信号的最小幅度大于量化器的量化电平△，并且输入信号的幅度随机分布，则量化噪声的总功率是一个常数，在0～fs／2的频带范围内均匀分布[8]。

因此量化噪声电平与采样频率成反比，如果提高采样频率，则可以降低量化噪声电平，而由于基带是固定不变的，因而减少了基带范围内的噪声功率，提高了信噪比，从而提高分辨率，并且采样频率每提高4倍，则信噪比提高4倍，相当于A/DC的分辨率提高1位。

本文设计的脉搏检测系统正是利用了这一原理，在A/DC过采样之后进行数字滤波，大部分噪声被数字滤波器滤掉，这样量化噪声就降低了，即提高了系统信噪比。

系统采用FIR结构的滑动平均滤波器，在过采样之后对数据进行数字抽取滤波。

滑动平均滤波器系统传递函数为∑-=-=11)(NNNzNzH。

该滤波器的作用是滤波、抽取和抗混叠。

滤波器为一个数字低通滤波器，主要是滤除采样信号频带以外的高频量化噪声，并维持信号频带以内的信号基本不变，相当于增加了数字信号的有效分辨率；抽取是将采样得到的高速低分辨率的数字信号的抽样频率降至奈奎斯特采样频率，进而完成高分辨率数字信号的重构；抗混叠主要是滤除降低取样频率后可能出现的混叠噪声。

本文利用ADμC841单片机内部的12位ADC对光电转换后的0～2.5V 的电信号进行采样，由于本身具有一定的分辨率，要求的过采样倍数不会太高，ADC的速度可以满足应用。

而数字滤波和抽取均通过软件来实现，配置灵活。

3.5整体硬件电路设计电路的原理图见图3-3。

电路由传感器电路、信号放大和整形电路、单片机电路、数码显示电路等部分组成。

传感器主要由红外线发射二极管和接收二极管组成，测量的原理如下：将手指放在红外线发射二极管和接收二极管中间，随着心脏的跳动，血管中血液的流量将发生变化。

由于手指放在光的传递路径中，血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生变化，因此和心跳的节拍相对应，红外接收二极管的电流也跟着改变，这就导致红外接收二极管输出脉冲信号。

脉冲信号由F1~F3、R3~R5、C1、C2等组成的低通放大器进行放大，再经由F4、R6、R7、C3组成的放大器进一步放大，其输出信号送给由F5、F6、RP1、R8等组成的施密特触发器进行整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机的外部中断信号。

可变电阻RP1用来调整施密特触发器的阀值电压，从而调整电路的灵敏度。

AT89C2051、X1、R10、C5等组成单片机电路。

单片机电路对P3.2输入的脉冲信号进行计算处理后把结果送到数码管显示。

发光二极管VD3作脉搏测量状态显示，脉搏每跳动一次发光二极管就点亮一次。

数码管DS1~DS3、VT1~VT3、R12~R21等组成数码显示电路。

本机采用动态扫描显示的方式，使用共阳数码管，P3.3-P3.5口作三个数码管的动态扫描位驱动码输出，通过三极管驱动数码管。

P1.0-P1.6口作数码显示七段笔划字形码的输出，用以驱动数码管的各字段。

图3-3 电路的原理图R1 100R222kR310kR51MR410kC11uFC630pFVD1 PH303VD3LEDVD2PH302X112MC147uFC51uFVT19012VT29012VT39012 12F212F212F412F612F512F3DS1DS2DS3DC5V C22.2uFR622kR7470kRP147k R8100kC730pFR1010kC4100uFVSSVDDICIR9100R11220C8100uFR15R16R17R18R19R20R21S1R122kR132kR142kXT AL24RST1P1.012P1.113P1.214P1.315P1.416P1.517P1.618P1.719P3.2/INT06P3.3/INT17P3.4/T08P3.5/T19P3.0/RXD2P3.1/TXD3P3.711XT AL15IC2AT89C2051220*7参考文献1.陈花玲. 机械工程测试技术.机械工业出版社.第二版。