脉搏信号的采集测试仪

2015-12-28刘威

科学中国人 2015年27期

关键词：红外光测试仪脉搏

刘威

襄阳职业技术学院电子信息工程学院

脉搏信号的采集测试仪

刘威

襄阳职业技术学院电子信息工程学院

为了提高脉搏测量仪的简便性和精确度，系统以MSP430G2553单片机为核心，用ST168红外传感器检测脉搏信号，利用单片机系统内部ADC模快对脉搏信号进行采样并计数，系统运行中能自动启动测量脉搏次数，1分钟完成测量后待机。

脉搏信号；红外传感器ST168；LCD12864显示；单片机MSP430

随着人们生活水平的提高，大家对日常身体常规保健越来越重视，人们需要更加方便、快捷、准确的对身体机能参数进行测量，比如说脉搏的检测。本设计就是基于TI公司低功耗单片机，用红外传感器检测脉搏信号，采用单片机系统内部ADC模快对脉搏信号进行采样并计数，这样设计的仪器测量准确、简单、功耗低、成本低、体积小、便于携带。

1 总体设计

总体设计的框图如下图所示。光电脉搏检测的基本原理是：随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变。当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小；当血液流回心脏，组织的半透明度增大，这种现象在人体组织较薄的手指尖，利用波长600-1000nm的红光或红外发光二极管产生的光线照射到人体的手指尖、耳垂等部位，用装在该部位另一侧或同侧旁边的光电接收管来检测机体组织的透明程度，即可将搏动信息转换成电信号。

系统主要由以下几部分组成：信号采集，将脉搏跳动信号经传感器转换为与此相对应的电信号；信号处理电路，因传感器输出的电信号一般在毫伏级，且不稳定，所以需对此信号进行放大并滤波，以便于单片机处理；信号转换及显示电路，单片机经模数转换处理得到的脉搏频率信号，最后在液晶显示电路中直观地显示出对一分钟内脉搏测量次数的显示；报警电路，可预置脉搏次数上下告警门限，当脉搏次数测量值超出报警限值时，测试仪声音报警。

设计框图

2 电路与程序设计

2.1 光电转换电路设计

正常人脉搏跳动一般在50次/分--200次/分之间，对应的频率范围在0.78Hz--3.33Hz之间，因此经红外光电传感器检测脉搏信号且转换得到的电信号频率是超低频信号。

反射式光电传感器是发光器件与光接收器件于一体，能避免环境光强对信号的干扰，所以选取反射式光电传感器。

激励电阻R1选270 Ω是基于红外接收二极管感应红外光灵敏度考虑的。R1过大，通过红外发射二极管的电流偏小，ST168红外接收管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R1过小，通过的电流偏大，红外接收管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期,虽然手指遮挡了红外发射管发射的红外光，但是，由于红外接收管中存在暗电流，仍有lμA的暗电流会造成Vout电位略低于3.6V。二是有脉期,当有跳动的脉搏时，红外接收管中的暗电流减小，Vout电位下降。

ST168传感器是将非电量(红外光)转换成电量的转换元件，它可以将接收到的红外光按一定的函数关系(通常是线性关系)转换成便于测量的电参量(如电压、电流或频率等)输出。

2.2 调理电路设计

脉搏经传感器输出的电压信号较弱，一般在毫伏级，需要对其进行放大。所以，设计的信号放大电路，应将传感器输出的信号进行放大，便于后续电路处理。经测量脉搏从传感器出来，的电压信号接近1mV，经过前置放大电路将此信号放大20倍，再通过二阶低通滤波将环境光强和工频干扰滤除。

2.2.1 信号前置放大

传感器输出的是低频微弱信号，需加前置放大电路，并且在传感器与放大器之间利用较大电解电容耦合。如若采用单电源供电，必然要考虑较大电容冲放电对运算放大器输出电压的影响，其会使得放大器达饱和而失去信号放大功能。故前置放大电路，采用双电源供电的带滤波的反向比例远算放大电路。脉搏经红外传感器出来的电压信号经过反相比例运算放大器U1 OP07将信号放大20倍。

2.2.2 二阶低通滤波

经过电阻、电容和运算放大器U2 OP07构成的有源二阶低通滤波电路，在9HZ处产生3dB衰减，滤除干扰信号（环境光强和工频干扰）。

2.2.3 后置放大电路

经过U3 OP07反相比列运算电路再一次将信号放大，得到一个伏特级电压信号，便于单片机ADC模块进行信号采样。