摘要 脈搏測量儀是用來測量人體心臟跳動(dòng)頻率的有效工具，而脈搏的測量是一種評價(jià)人生理狀況的好方法，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛使用。本文闡述了脈搏計(jì)設(shè)計(jì)中的注意要點(diǎn)，包括傳感器選擇，放大、濾波、整形電路以及單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對每分鐘脈搏跳動(dòng)次數(shù)的測量、顯示、存儲(chǔ)與報(bào)警功能。心臟跳動(dòng)頻率通過壓電傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)差分對測量放大電路放大，壓控電壓源型低通濾波電路濾波，施密特觸發(fā)器整形后把信號變?yōu)檫m于單片機(jī)處理的標(biāo)準(zhǔn)0V~5V矩形波信號，通過對單片機(jī)電路編程處理來實(shí)現(xiàn)脈沖跳動(dòng)次數(shù)的顯示、存儲(chǔ)與報(bào)警功能。

關(guān)鍵詞 脈搏；傳感器；放大；濾波；整形；單片機(jī)

中圖分類號TH776 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708（2011）52-0136-02

1 整體裝置及原理介紹

脈搏每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)是一項(xiàng)重要的生理參數(shù)，它反應(yīng)了人體心臟工作的頻率。正常人的脈搏次數(shù)是每分鐘60次~90次（嬰兒為90次~120次，老年人則為100次~150次），這種信號頻率較低，因此，脈搏測試儀是用來測量低頻信號的裝置，它的根本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對人體脈搏跳動(dòng)的測量，其中包括：每分鐘脈搏跳動(dòng)的次數(shù)是否正常、是否過快或過慢、是否有異常等現(xiàn)象。

為實(shí)現(xiàn)測量目的，首先要將傳感器測得的壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺诵盘枮楹练夒妷盒盘?，需要進(jìn)行信號的放大、濾波和整形，得到標(biāo)準(zhǔn)0V~5V脈沖信號送入單片機(jī)，利用單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)、顯示、存儲(chǔ)和報(bào)警等功能。

2 整體裝置硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理部分

傳感器種類繁多，不同工作原理的傳感器應(yīng)用于不同的產(chǎn)品研究及開發(fā)。對于微弱的非電量脈搏信號，要求傳感器能夠以高精度把此非電量信號轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)分析可以選用光電式傳感器或是壓電式傳感器。本次設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體壓力傳感器2S5M，測量電路采用恒流源的供電形式。

經(jīng)傳感器得到的信號是微弱的微伏級模擬信號，需要用放大器加以放大。由于通用運(yùn)算放大器一般都具有毫伏級的失調(diào)電壓和每度數(shù)微伏的溫漂，因此通用運(yùn)算放大器不能直接用于放大微弱信號，而測量放大器一般能較好地實(shí)現(xiàn)此功能。測量放大器是一種帶有精密差動(dòng)電壓增益的器件，由于它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強(qiáng)抗共模干擾能力、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點(diǎn)，使其在檢測微弱信號的系統(tǒng)中被廣泛用做前置放大器。本次設(shè)計(jì)選用op-07來組成三運(yùn)放的測量放大器，差動(dòng)輸入端接兩個(gè)運(yùn)算放大器的同向輸入端，

由于脈搏信號主峰頻率在1Hz 左右，能量較強(qiáng)的分量也在20Hz 以下，所以設(shè)計(jì)低通濾波器的上限截止頻率為40Hz。本設(shè)計(jì)選用壓控電壓源型低通濾波電路，用LM308作為精密運(yùn)算放大器，它對非穩(wěn)壓電源有足夠電源抑制。

為了把從濾波電路出來的信號整形為適于單片機(jī)接受的0-5v脈沖信號，取555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的VCC為5v，這樣可以得到標(biāo)準(zhǔn)的0-5v脈沖信號。注意對于已知一定幅值的噪聲信號，要合理設(shè)計(jì)放大倍數(shù)，以防整形時(shí)把一定幅值的噪聲信號當(dāng)做脈博信號。

2.2 單片機(jī)控制電路

本此設(shè)計(jì)選用AT89C51作為單片機(jī)控制芯片，單片機(jī)最小系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。電路圖中時(shí)鐘電路選用12M晶振，電容30pf，復(fù)位電路電容22uf，電阻10k，選用+5v電源。如果要對異常現(xiàn)象（異常現(xiàn)象指正常心跳在一分鐘內(nèi)突然出現(xiàn)心率過高或過低的現(xiàn)象）進(jìn)行判斷，需要對每分鐘的7個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，保留一天的測量數(shù)據(jù)，則要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的擴(kuò)展。在進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，AT89C51的p2口作為外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器的高八位地址連接口，直接連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片6264的高五位地址，p0口作為外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器的低八位地址連接口和數(shù)據(jù)傳輸口，地址線經(jīng)鎖存器74LS373鎖存后與6264低八位地址相連，數(shù)據(jù)線直接連接6264的數(shù)據(jù)口。

由于沒有使用多功能擴(kuò)展芯片如8255或8155，所以我們在連接三位數(shù)碼顯示器時(shí)，選用MAX7221芯片來驅(qū)動(dòng)四位一體數(shù)碼管，這樣只需要占用AT89C51芯片三個(gè)引腳。

采用聲光報(bào)警，如果記錄數(shù)值大于最高跳動(dòng)值，綠色指示燈發(fā)光報(bào)警，如果記錄數(shù)值小于最低跳動(dòng)值，則紅色指示燈發(fā)光報(bào)警。如果某十秒中脈沖個(gè)數(shù)高于平均值一定次數(shù)，則綠色指示燈發(fā)光報(bào)警同時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警，如果某十秒中脈沖個(gè)數(shù)低于平均值一定次數(shù)，則紅色指示燈發(fā)光報(bào)警同時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警。

3 軟件設(shè)計(jì)

使用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器0定時(shí)10s，定時(shí)器1記錄p3.5口每10s脈沖個(gè)數(shù)，在單片機(jī)內(nèi)部求和得一分鐘心跳次數(shù)，由四位一體數(shù)碼管顯示，然后求取一分鐘內(nèi)每10s心跳次數(shù)平均值，并與每10s的記錄值進(jìn)行比較，以判斷是否有異常現(xiàn)象發(fā)生。每一分鐘作為一次大循環(huán)，主程序重復(fù)運(yùn)行。

4 裝置總體電路結(jié)構(gòu)圖

圖1

傳感器部分沒有接入電路，其信號用模擬正弦信號進(jìn)行仿真，達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié)論

這樣的電路具有設(shè)計(jì)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性能好、電路成本低、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，其功能可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，并且實(shí)現(xiàn)的方式比較靈活，適合實(shí)際應(yīng)用，是一種很理想的設(shè)計(jì)方案。

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