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AbstractThe 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噪声。

然后再通过放大电路得到脉搏波信号，如图7所示。

为了便于计算心率和提高心率检测的准确性；设计中还将脉搏波信号整形为方波信号，通过方波信号和脉搏波信号计算心率值，如图8所示。

图7 滤波放大后波形（交流）图8 整形后波形2.14 控制脉冲发生器以及锁存清零时钟控制脉冲发生器模块用于每15s 产生一次持续时间为0.25s 的低电平信号，用于控制计数器的清零以及锁存器的置数。

控制脉冲发生器本质是一个555定时器及电容电阻组成的多谐振荡器，如图9所示。

根据555多谐振荡器公式：1T =0.7（9R +10R ）C2T =0.710R C得出，1T =15.265s,2T =0.25s 基本符合设计要求，见图10。

图9 控制脉冲发生器图10（1）控制脉冲低电平信号图10（2）控制脉冲高电平信号锁存清零触发的工作原理与控制脉冲发生器基本一致（图11），产生的波形为T=250ms的时钟信号，如图12。

图11 锁存清零触发模块图12 锁存清零时钟波形2.1.5整流稳压电路整流电压输入端接市电（220V ,50Hz ），经过匝数比为220:5的变压器、桥式整流电路和稳压管稳压电路，输出可以认为是恒压源。

图13整流稳压电路V U n n U 151122==副边输出电压,选择额定稳压值为5V 的稳压管1N5338BG 。

根据Z O U U =,理论上输出电压为5V 。

2.1.6计数模块计数模块为一简单的时序电路，它实现对一段时间内接收的脉冲进行计数功 能。

它的输入端口由脉冲输入端和计数清零端构成，输出端由三个压缩bcd 码构成。

本系统用来测量人的心率，其值不会大于三位数，故本模块最大能实现三位数计数，以便适应不同技术周期的情况。

计数功能由三个74LS90芯片实现，每个芯片的b 输入口低位输出相连，以实现十进制计数，同时高位输出与下一个芯片的a 输入口相连，以提供计数时钟。

如图13所示，从左到右第一个芯片的输出即为低位的BCD 码，第二个芯片的输出即为次高位的BCD 码，第三个芯片的输出即为最高位的BCD 码。

本系统的计数会有1−+的误差，从而对最终结果产生影响。

若想消除误差，需要对计数方法进行改进，例如利用微型计算机来测量单位周期内获得脉冲数的浮点值，从而减小误差。

图14 三位十进制计数电路2.17 乘四模块计算模块为以简单的逻辑组合电路。

若系统的技术周期为Ts，一个周期内计数为n，则人的心率N可由以下公式得到：N=60×nn令K=60TT，则N=K·n对本系统来说，T=15s，则系数K=4，即对单位周期内所得的计数乘4即可得到最终心率。

最终心率的误差△N=K·△n=4×1=4由于本模块针对本系统设计，故设计为固定逻辑的乘四电路。

乘四电路由两个乘二电路构成，它的12个输入端口由三个四位BCD码构成，12个输出端口也由三个四位BCD码构成（如图15）。

图15 乘四电路显然，输入的由三个BCD数组成的脉冲整数n经第一个乘二电路乘二后再传入第二个乘二电路，最后得到4n的三个BCD数，即为最终心率。

乘二电路实现三位十进制数的乘二功能，它的12个输入端口由三个四位BCD 码构成，12个输出端口也由三个四位BCD码构成。

本电路的功能实现由三个74LS283四位全加器和三个16进制转10进制模块构成（如图16）。

每一位十进制数作为加法器的两个输入，输出经过进制转换模块后得到该位乘二的十进制数与进位情况。

进位输出端传入高一位的进位输入端进行计算，输出的十进制数即为该位的最终结果。

经过三次计算，得到三位十进制数乘四的最终结果。

图16 乘二电路16进制转10进制模块实现对输入的低于14H的一个十六进制数和一个进位转化为十进制BCD数，并获得一个进位。

对于本系统来说，接收的十六进制数的最低位必为0，不会对转化产生影响，故可忽略不计。

因此，该模块由四个输入端和四个输出端组成，其中最高位为进位，另外三位为十六进制数对应二进制数的高三位，功能实现由简单的逻辑门电路完成（如图17）。

图17 16进制转十进制电路下面说明逻辑关系。

首先列出各个输出位的真值表,其中EI、EO为输入输出进位，其他为BCD码的高三位。

（表1）EI DI CI BI EO DI CO BO0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 1 0 0 0 10 0 1 0 0 0 1 00 0 1 1 0 0 1 10 1 0 0 0 1 0 00 1 0 1 1 0 0 00 1 1 0 1 0 0 10 1 1 1 1 0 1 01 0 0 0 1 0 1 11 0 0 1 1 1 0 0表1进制转化真值表经化简后可得各个输出位的逻辑表达式：EO=ED�CC+EE�DDCC+EE�DDDDDO=EE�DDCC DD�+EEDD�CC DDCO=E DD�CC DD�+EE�DD�CC+EE�CCDDBO=E DD�CC DD�+EE�DDCCDD�+EE�DD�DD最后根据表达式即可连接电路。