基于单片机的脉搏信号采集电路设计

赵丽华 张永寿 张文兰

基于单片机的脉搏信号采集电路设计

赵丽华①②张永寿②张文兰①

目的：依据中医脉诊理论，运用一套基于PVDF材料制作的脉搏传感器，并结合前置放大电路单元，设计基于单片机的脉搏信号采集电路，用于对脉搏信息的准确检测。方法：以电子技术原理为基础设计出用于脉搏信号调理的多级放大和滤波电路，并设计基于AT89C51单片机和A/D转换芯片AD0809的数据采集电路。结果：利用信号采集和数据放大电路对脉搏波进行有效的采集处理与放大，可以使传统中医理论与现代科学理论有机结合，极大降低误诊率，有效的实现了脉诊客观化。结论：基于AT89C51单片机和A/D转换芯片AD0809的数据采集电路可以基本完成对脉搏信号的采集处理，信号放大比较明显，对脉诊客观化有一定的促进作用。

脉搏；PVDF传感器；AT89C51；AD0809；串口通信

[First-author’s address] Shandong University of Traditional Chinese Medicine, Jinan 250355, China.

脉诊是中医进行临床诊断的重要依据之一。传统脉诊是由医生的主观感受对患者疾病进行诊断，其诊断结果的准确性与医生的技能水平和经验密切相关，所得到的诊断结果无客观依据，误诊率较大。脉诊客观化的研究是真实客观地显示人体脉搏波形图，随着现代计算机技术和信号处理技术的发展，使得客观地采集、记录和处理脉搏波成为可能[1]。

目前，基于手腕部桡动脉压力脉搏波形图对脉象的研究，取得的成果较多，为脉诊客观化奠定了初步的基础，但并未解决所有的问题[2]。脉搏波形的检查方法有待改进与提高，因其决定了脉搏波形的真实性与准确性。

1 脉搏信息采集系统整体设计方案

研制的脉搏信息采集系统要求能够大量存储数据以及方便采集分析处理数据，从而在得到真实而完整的脉搏信息数据基础上进行数据分析，以达到对脉搏波信号进行科学系统的分析，其总体构思框如图1所示。

图1 系统总体构思框图

脉搏信息采集系统工作流程如下：连接电源→脉搏信号经过PVDF传感器转换输出微弱电信号→电信号传送至调理电路→调理电路将接收到的模拟电压信号进行一系列放大、滤波等处理→调理电路输出模拟信号送往A/D转换器→单片机控制A/D转换器对输入的模拟信号进行A/D转换→设定采样频率等A/D转换必要的参数→将得到的数字信号通过单片机与PC机实现通信传输→由PC机对经硬件电路处理后的脉搏信号进行接收(如图2所示)。

图2 系统工作流程图

2 脉搏传感器的选取

脉搏信号获取质量如何直接影响到后续的数据处理效果以及最终所得到的脉搏波形图的准确性。因此，作为脉搏信息探测部件的脉搏传感器的选择对于整个采集装置而言非常重要。由于脉搏信息中最为主要的是心脏的收缩对人体血管的压力以及产生的血管表面张力等各种与力相关的综合信息。因此本系统设计采用的是一种新型压电聚合物传感器，所用的压电聚合物材料为聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride，PVDF)压电薄膜脉搏传感器来对与力相关的脉搏信息进行感测[3]。其基本工作原理是基于压电效应，通过弹性铁片上PVDF材料的电压信号变化可实现对压力的测量[4]。

3 电路结构设计

系统设计的脉搏波传感器是根据人体左右手腕部的寸、关、尺脉分别对应为心脏、肝脏、肾脏及肺等三焦这一中医理论，主要用于对人体腕部的桡动脉脉搏的测量，对人体疾病诊查具有重大的意义[5-6](如图3所示)。

图3 脉诊部位与脏腑对应图

本系统的PVDF压电薄膜脉搏传感器设计应与人体手腕部桡动脉生理结构相符；人体手指的指腹宽度约为0.9 cm，手腕部桡动脉的直径约为0.6 cm，为达到模拟中医脉诊的手法，选定的单片PVDF膜的尺寸为0.9 cm×0.6 cm；并采取相同的3片PVDF压电薄膜纵向排列，同时感测人体手腕部的桡动脉的3路脉搏信号。

3.1 PVDF脉搏传感器的温度补偿

(1)温度特性。通过万用表和高低温湿热实验箱对PVDF脉搏传感器进行温度特性的测试，当脉搏传感器在受到外部压力为零时，其输出电压与温度之间的关系曲线图显示PVDF脉搏传感器的零点温度漂移为0.04 mV/℃左右(如图4所示)。

图4 PVDF脉搏传感器零压力温度特性曲线

(2)灵敏度温度补偿方法。PVDF脉搏传感器的温度漂移分为零点温度漂移和灵敏度漂移2种，必须采取措施对其进行补偿。本设计中采取的补偿方法与一般压力传感器采用串并联电阻的方法进行温度补偿有所不同，采用3个温度系数与PVDF脉搏传感器性能相同的电容(补偿电容)与PVDF脉搏传感器一起组成惠斯登电桥(如图5所示)。

图5 惠斯登电桥补偿电路

3.2 信号调理电路的设计

(1)前置放大电路。信号调理电路将从传感器转换出来的非常微弱的脉搏信号，进行信号放大和滤波等一系列的调理，消除噪声和干扰信号。前置放大电路由隔直低通反相放大器组成，去除直流低频信号，抑制高频信号，对50 Hz工频干扰进行初步衰减，同时对有效脉搏信号进行初步的放大，其设置的放大倍数为10倍，截至频率范围为0.05～20 Hz(如图6所示)。

图6 前置放大电路

根据A=R5/R3，选取R3=100 K，R5=1 M。同时为消除偏置电压，在正输入和地间接入R4，大小选取为100 K[7]。低通截止频率设为20 Hz，因为R5=1 M，所以选取C4为6800 PF，截止频率大致为23 Hz。

(2)滤波电路。该滤波部分采用三阶巴特沃斯低通滤波器，设置截止频率f=10 Hz。根据归化方法选择R7=R8=R9=100 K，C6=0.47 uf，C7=0.033 uf，C8=0.033 uf(如图7所示)。

图7 滤波电路

该低通滤波电路保留了有效脉搏低频信号，对50 Hz工频等噪声进行了较大的衰减，基本能够达到系统的要求。

(3)后级放大电路。采用可变增益反向放大电路，反相放大器由于电阻的最大取值≤10 M(Ω)，如果要提高反向放大器的输入阻抗，则电路的增益就要受到限制。系统采用的反相放大器可以避免这种限制，既有较高的输入阻抗又可取得足够的增益。如果选取R13远大于R14，R15，则放大器的增益可用公式近似计算(公式1)：

作者简介刘宇静,女,(1963- ),本科学历，副主任技师。北京军区总医院医学工程科，从事医疗设备的管理和计量工作。

设R11=100 K，R13=1 M，R15：量程为10 K的电位器，R14=1 K，R12=100 K构成低通滤波，截至频率为20 Hz，根据公式增益范围为11～110(如图8所示)。

图8 后级放大电路

4 单片机设计

4.1 CPU的选择

选用AT89C51作为控制系统的CPU，其为美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的CMOS8位单片机，片内含有4 K的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128字节的随机存储数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高精度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和FLASH存储单元，为许多嵌入式控制系统提供了灵活、低成本的解决方案。

4.2 A/D转换电路

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其模数转换原理采用逐次逼近型，芯片由单个＋5 V电源供电，可以分时对8路输入模拟量进行A/D转换，典型的A/D转换时间为100 μs左右。在同类型产品中，模数转换器的分辨率、转换速度和价位都属于居中位置，可以和单片机直接接口[8]。

(1)ADC0809与AT89C51的接口。①地址线与数据线的连接，ADC0809的内部输出电路有三态缓冲器，其8位输出数据线可以直接与AT89C51的P1口相连，系统中有两路模拟量的输入，其通道地址选择信号ADDB、ADDC接地，而ADDA接至单片机的P2.6口，用于选择输入的模拟量IN0和IN1；②始终信号的连接，ADC0809必须外接时钟，系统借用AT89C51的晶振频率采用11.0592 MHz，此时ALE的频率约为2 MHz，经CD4013芯片4分频后约为500 KHz，与ADC0809的CLK时钟端相连；③控制信号的连接，由于ADC0809的ALE和START均为正脉冲，且同步，可由AT89C51的P2.7与WR或非而成。OE信号可由AT89C51的P2.7与RD或非而成。EOC信号经或非后与AT89C51的INT1相连，申请中断[9]。在控制信号线的连接中或非功能可借助芯片74LS02得以实现(如图9所示)。

图9 ADC0809与AT89C51的接口电路

(2)RAM以及RAM总线的扩展。脉搏采集到的信号经过A/D转换器后需要将数据存入到RAM中，当需要较大容量的RAM时需要片外扩展数据存储器，通常采用静态RAM扩展较为方便。与动态RAM相比静态RAM无需考虑为保持数据而设置的刷新电路，故扩展电路较为简单。但由于静态RAM是由电源电路保持存储器中的数据，消耗功率较多，其价格较高，因此本设计使用HM6264。

单片机的读信号RD和外部RAM的输出允许信号OE相连接，写信号WR和外部的写信号WE相连接，外部RAM的片选信号CS1与单片机的P2.5相连，CS2接5 V的高电平。片外数据存储器的读和写分别由单片机的RD和WR信号控制。6264有读出、写入和维持3种工作方式，其操作控制见表1。

表1 6264的操作控制

由于单片机的输入/输出使用P0口分时复用，故本设计采用地址锁存器进行单片机系统总线的扩展。74LS373是带三态输出的8位锁存器。当三态门OE为有效低电平，使能端G为有效高电平时输出随输入而变化；当G端由高电平变低时输出8位信息被锁存，直到G端再次有效为止。其中，输入端D0-D7接至单片机P0口，输出端提供低8位地址，G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。输出允许端OE接地，表示输出三态门一直打开。其锁存功能见表2。

表2 74LS373锁存功能

4.3 串口通信电路

为了解决PC机与单片机系统通信的问题，本系统将单片机采集到的脉搏数据传送到PC机界面。PC机和单片机均具有串口，因此使用串口完成二者之间的数据交换。串口通信中使用的通信器件为MAXIM公司的芯片MAX232。该产品兼容RS232标准芯片。由于电脑串口RS232电平是±10～+10V，而普通单片机应用系统的信号电压是TTL电平0～+5 V[10]，MAX232用来进行电平转换，该器件包含2个驱动器、2个接收器和1个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5 V TTL/ CMOS电平，每个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。

通过MAX232的TTL和RS-232的输入/输出端口，自动地调节了单片机串口的TTL电平信号和RS-232的串行通信信号的电平匹配。

5 结语

本研究设计通过探讨国内外脉搏的检测、处理和分析等领域的研究现状，提出了一个基于单片机的脉搏采集系统的电路设计方案，并研制了各种功能电路单元，完成了脉搏采集系统的电路设计，其中包括脉搏传感器的选择、信号调理电路(前置放大、滤波、主放大)、51单片机的A/D转换模块、外部存储器扩展模块和串口电路发送模块。本电路设计方案所存在的不足，有待于在以后的工作中进一步改进和完善。

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Design of pulse signal collection circuit based on microcontroller

ZHAO Li-hua, ZHANG Yong-shou, ZHANG Wen-lan

China Medical Equipment,2014,11(4):35-38.

Objective: According to the theory of Traditional Chinese Medicine pulse diagnosis, we have used a PVDF pulse sensors and a combination of pre-amplifier unit to accurately detect the pulse information. Methods: Based on the principle of electronic technology design a multilevel amplification and filtering circuitry for detecting the pulse signal condition. Design the data acquisition circuit based on AT89C51 microcontroller and analog-digital conversion chip AD0809. Results: Using the signal acquisition and data amplifier circuit to effectively collect, process and amplify the pulse wave, will integrally combine the traditional Chinese medicine theory and modern scientific theories, greatly reduce the misdiagnosis rate, then effectively achieve the objective of pulse diagnosis. Conclusion: The data acquisition circuit which based on AT89C51 single-chip microcomputer and A/D conversion chip AD0809 can basically complete the pulse signal collection and processing, the signal amplification is more noticeable, which has A certain role in promoting to reveal the objective.

Pulse; PVDF sensors; AT89C51; AD0809; Serial communication

1672-8270(2014)04-0035-04

R197.324

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.04.011

赵丽华,女,(1989- ),硕士研究生，山东中医药大学理工学院，济南军区总医院物资采供管理中心，研究方向：医疗设备质量控制。

2013-10-09

①山东中医药大学理工学院 山东 济南 250355

②济南军区总医院物资采供管理中心 山东 济南 250031