无锡工艺职业技术学院毕业设计（论文）题目：脉搏波提取电路的设计系部：电子信息系专业：应用电子技术姓名：于鹏学号：2009261231指导教师：李冬职称：高级实验师二0一二年五月十日目录第一章绪论 (3)第二章设计方案论证 (4)2.1设计任务 (4)2.2系统统计原则 (4)2.3总体结构框架 (5)2.3.1脉搏信号的提取 (5)2.4信号调理电路设计 (5)2.4.1设计要求 (5)2.4.2滤波电路设计 (6)2.4.3电压提升电路设计 (8)2.4.4信号调理电路的仿真分析 (8)第三章硬件电路设计 (9)3.1单片机的选择 (9)3.1.1数据采集 (10)3.1.2MAX1240模数转换器简介 (10)3.1.3串行通讯 (12)3.2整体单片机电路模块 (15)3.2.1电源模块设计 (15)3.2.2+5v电源设计 (16)3.2.3负电源设计 (16)第四章软件设计 (17)4.1初始化程序设计 (17)4.2中断处理子程序设计 (17)4.3输入口处理子程序设计 (18)第五章总结 (19)参考文献 (20)附录 (21)第一章绪论人体的脉搏波可用特制的脉搏描记器记录下来。

从可见每个脉搏波描记曲线都由升支A和降支K构成。

随后心室舒张，心室内压低于主动脉血压，于是动脉血倒流，导致主动脉瓣关闭，在曲线上形成降支切迹N，也叫降中峡或重波谷降支的形状与外周阻力的大小有关；如阻力大则降支坡度较缓，其切迹的位置较高；反之，切迹的位置较低。

脉搏波的形状，因循环系统的情况改变而不同。

本设计的的系统的主要功能是希望对所检测到的脉搏信号进行动脉硬化程度的识别，需要对系统不断进行改进以提高识别的准确率，从而提高检测的精确度和准确度，为广大病友提供医疗保障，保证他们的生命健康。

脉搏波检测系统的数字化设计方法: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。

目前的指端脉搏检测系统都是采用模拟技术来完成滤波,放大整型等处理，再经过模数转换和进一步处理。

这种方法不仅增加了硬件的复杂程度，增大了功耗和体积，更主要的是增加了系统不可靠和不稳定因素。

随着电子测量技术的迅速发展，现代电子测量仪器以极快的速度向数字化、自动化的方向发展。

本文针对目前的脉搏波检测系统的问题，提出了脉搏波检测系统的数字化设计思想，采用了MAX1240芯片，它的体积小，功耗低。

本课题利用过采样技术，通过对光电转换后的电信号高速采样实现高分辨率模数转换，然后再进行数字滤波处理，从而代替原有模拟电路完成放大滤波等工作，以简化设计，提高系统稳定性。

第二章设计方案论证2.1设计任务本设计采用一种采用新型模数转换器MAX1240芯片进行电压数据采集，并由单片机串口将数据发送出去的简单电路，MAX1240由单片机发出的时钟信号与使能信号驱动，将输入的模拟电压值转换为12位的数字值输入到单片机，单片机再将此数据处理为2个字节，低位字节为低8位数据，高字节的低4位为数字电压值的高4位，进行数据处理后再通过串口发送出去。

2.2系统统计原则基于脉搏信号的动脉硬化分析系统由硬件检测和上位机软件分析两部分组成，在设计和研发过程中要遵循以下原则。

（1）安全原则脉搏信号检测系统是一款直接与人体接触的医疗仪器，因此应将人身安全作为设计的首要原则。

（2）准确原则设计系统后期分析诊断的准确性取决于所提取脉搏信号的完整性。

脉搏信号的缺点决定了它易受到外界的干扰，因此在系统设计中要采取一切手段保证信号不失真。

（3）可靠原则医用系统必须保证能够长时间稳定可靠的工作。

（4）易用原则考虑到此所设计的脉搏信号检测与分析系统的设计主要面向家庭用户，用于动脉硬化的早期检测，因此大多数用户对电子产品和计算机的操作水平有限，因此易学、易用是对系统的基本要求。

（5）便于升级由于所设计的系统的主要功能是希望对所检测到的脉搏信号进行动脉硬化程度的识别，需要对系统不断进行改进以提高识别的准确率，因此设计需要考虑对系统功能的不断升级。

2.3总体结构框架本系统主要由脉搏信号调理模块、A/D采样电路、单片机、电源系统、通信接口电路和脉搏信号和智能处理模块组成，如图2-1所示。

其中，脉搏信号调理模块包括信号放大、滤波和电压提升电路；调理后的信号由12位A/D转换器MAX1240采样到AT89S52单片机；电源系统为各功能模块提供所需的直流电压；脉搏信号的智能分析软件是在上位机中运行的。

2.3.1脉搏信号的提取设计所选取的脉搏传感器是华科电子生产的HK2000B型压电脉搏传感器。

HK-2000B型脉搏传感器采用高度集成化工艺将力敏原件（PVDF压电膜）、灵敏度温度补偿原件、感温原件、简单信号调理电路集成在传感器内，其输出信号为模拟信号。

HK2000B型传感器其具体出厂技术指标如下：1）电源电压：DC5~6V2）压力量程：-50~+300mmHg3）灵敏度：2000Uv/mmHg4）灵敏度温度系数：1*10/c5)精度：0.5%6)重复性：0.5%7)迟滞：0.5%2.4信号调理电路设计2.4.1设计要求搏传感器所提取的脉压信号幅值小、频率低、随机性强、易受干扰，选择硬件电路时，必须从增益、频率响应、共模抑制比、噪声和漂移等方面综合考虑。

1．增益由于HK2000B型压电脉搏传感器的输出范围约为-0.2~0.8V,为了提高AD采样后信号的分辨率，应对信号进行适当放大。

根据所选择的A/D转换器的输入参考电压范围为0~3.3V,所以脉搏信号放大器的放大倍数应在10倍内可调。

2．频率响应体脉搏信号的频谱范围为0.1~40Hz,脉搏信号调理电路在此频率范围内必须不失真地放大所检测到的脉搏信号，为了减少不需要的带外噪声，用高通，低通滤波器来压缩通频带，这样，经过脉搏信号调理电路的脉搏信号才具有可靠的诊断价值。

3．共模抑制比脉搏信号的检测可能受到很多电气设备运行的干扰，尤其是市电的共模干扰，还有其他共模干扰。

因此一般要求CMMR应达到80dB以上。

4．低噪声、低漂移在脉冲信号调理信号电路中，噪声和漂移是两个较重要的参数。

正状态分布。

为了获得一定信噪比的输出信号，对所用到的放大器的低噪声性能有严格的要求。

根据设计要求，本设计所用到的所有运算放大器均采用TL084，其主要特性如下：1）输入阻抗极高，大于1012Ω;2）失调电流极低，小于5Pa;3)低温漂，小于1uV/.C;4)共模抑制比大于80dB;5)开环效益较高，大于110Db;2.4.2滤波电路设计常规脉搏信号的主要频带范围是0.1~40Hz。

为防止处于干扰状态环境时脉冲信号中混入各种噪声，因此在本系统中设计了通带频率为0.1~44Hz的带通滤波电路，将脉冲信号的有用成分从采集到的信号中分离出来。

本设计的带通滤波器由44Hz的低通滤波器级联0.1Hz的高通滤波的方法实现的。

1．二阶有源低通滤波器为降低元件灵敏度，获得较好的高频衰减特性和失真特性，本文采用多重反馈型二阶有源滤波器，电路图如图2—2所示。

图中电阻和电容的计算公式如下；R f =R 1=R 2=R 32-1Fc=1/2πC f R f 2-2C 1=3QC f 2-3C 2=C f /3Q2-4图2—2二阶有源低通滤波器2．二阶有源高通滤波器多重反馈型二阶有源滤波器的电路如图2—3所示二阶有源高通滤波器的参数计算公示如下：C F =C 3=C 4=C 52-5Fc=1/2πC f R f R 5=R f /3Q R 6=3QRf12图2—3多重反馈型二阶有源滤波器将前面设计的低通和高通滤波器级联起来，便得到所需要的带通滤波器。

2.4.3电压提升电路设计采集到大脉搏信号有负电压，而A/D转换器MAX1240定义的最低转换极限为0V，为了保证A/D转换时不出现负峰失真，必须将滤波后的心电信号通过一个电压提升电路，使得心电信号的电平值都为正值。

电路如图2—4所示。

图2—4电压提升电路TL431和电位器RP2提供0~2.5V可调电压，为保证TL431正常工作，应选择合适的电阻值以保证阴极电流在1~100mA。

2.4.4信号调理电路的仿真分析完整的信号调理电路如图2-5所示，将该图进行仿真，其结果如下。

零输入电压：当电路的输入电压为0时，电路的输出电压为为伏级，可以忽略。

噪声分析：噪声分析是分析电路内原件所产生的噪声对电路的影响。

可以看到采用已选元器件进行电路设计，对电路噪声影响很小。

V CC图2-5信号调理电路第三章硬件电路设计3.1单片机的选择本设计中单片机及其外部电路部分主要完成信号的A/D转换及与上位机的串口通信，因此对单片机的要求比较低。

MCS-51系列单片机造价低廉且通用性好，市场应用成熟，用此类单片机足以完成课题要求，使资源利用率较高。

AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8单片机，支持ISP（在系统可编程）下载方式，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。

AT89S52具有如下特点：40个引脚，8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据时钟，3个16位定时/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

因此本设计采用AT89S52单片机，不仅满足设计要求，而且可在电路板上进行在线程序下载，方便程序调试。

3.1.1数据采集如图3—1所示，RV1产生0~3.3V直流电压，可以模拟实际采集电压，经转换器MAX1240转换为12位数字量时，DOUT端输出高电平，通知单片机转换已完成，单片机再连续发送13个脉冲到SCLK，完成一个转换值的采集。

图3—1数据采集电路3.1.2MAX1240模数转换器简介本设计需要对采集到的脉搏信号进行只能分析，提取信号的细节信息，因此要求所采集的信号具有较高的分辨率。

考虑硬件设计的性价比，可选择12位的A/D转换器进行数据采集。

本设计A/D转换器采用MAX1240，它是MAXIM 公司生产的一种单通道12位逐次逼近型串行A/D转换器，具有低功耗、高精度、高速度、体积小、接口简单、不需外部时钟电路、也不需外部基准电压、允许电源电压变化范围宽等特点。

其外部共有8个管脚，所以外围电路非常简单，经实际使用，其转换速度快，工作可靠，很适于应用在嵌入式数据采集系统中。