基于数字化动物体脉搏计电路设计实现研究

原霁虹

(定西师范高等专科学校，甘肃 定西 743000)



基于数字化动物体脉搏计电路设计实现研究

原霁虹

(定西师范高等专科学校，甘肃 定西 743000)

通过设计由压电传感器采集非电量生物信号，经过放大、整形后，输入单片机内进行相应的控制，从而测量出1 min内的动物体脉搏跳动次数，并以数字显示的脉搏计，测量的脉搏数范围40～200次/min，适用于各种哺乳动物机体。通过观测脉搏信号，检查动物体的健康状况，能够判断心率不齐且进行告警显示。

数字化脉搏计；生物信号；信号发生器；计数器；译码器

一个完整的生物信号采集与处理系统一般包括生物信号的引导、生物信号的放大、生物信号的采集、生物信号的记录与处理四部分。作为生物非电信号的脉搏反映了心脏和血管状态的重要生理信息，是临床检查和生理研究的生理现象。动物体内各器官的健康状态、病变等信息不同程度地显现在脉象中。机体脉象中含有关于心脏、内外循环和神经等系统的动态信息，通过对脉搏波检测获得含有诊断价值的信息，可用预测机体体内部某些器管结构和功能的变换趋势，如血管几何形态和力学性质的变异会引起脉搏波形和波速等的改变，而脉搏的病理生理性改变常引发各种心血管事件，脉搏生理性能的改变比疾病临床症状出现早，以达到提前预防。通过对脉搏的检测可以对血管病变进行评估。同时脉搏测量还为血压测量，血流测量及其它生理检测提供一种生理参考信号。

脉搏是一项基本的生命指标，因而对脉搏测量是生命特征信息提取最常见的方式。但如何减小体积、提高脉搏检测的便利性及精度等成为急需解决的问题。随着电子技术和计算机技术的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，得到了广泛关注。本文设计了由压电传感器采集脉冲信号，经过放大整形后，输入单片机内进行相应的控制，从而测量出一分钟内的脉搏跳动次数，并以数字显示，测量的脉搏数范围40～200次/min，适用于各中哺乳动物机体，通过观测脉搏信号，检查机体的健康状况，实现能判断心率不齐且进行告警显示的目的。

正常情况下，牛的脉搏次数每分钟为40～80次, 猪的是60～80次，羊的为70～80次,这种频率信号属于低频范畴。因此，脉搏计是测量低频信号的装置，其基本功能要求是借助传感器把机体的脉搏振动转换成电信号；放大和整形转换后的电信号，以确保其它电路能正常加工和处理。在很短的时间内，测出经放大后的电信号频率值。

1　基于数字动物体脉搏计系统电路设计方案

脉搏计的上述功能要求，可采用以下两个不同的方案实现：一是把转换为电信号的脉搏信号，在单位时间内进行计数，并用数字显示其计数值，从而直接得到每分钟的脉搏数；二是测量脉搏跳动固定次数所需的时间，然后转换为每分钟的脉搏数。这两种方案相比较，第一种更直观，所需的电路结构更简单些；第二种方案的测量误差比较小，但实现起来电路要复杂些。为了使脉搏计使用便利，通常采用第一种方案。本文基于第一种方案进行的设计,其设计方案的方框图如图1所示。

方框图中各部分的作用：①传感器。将非电量脉搏信号转换成相应的电脉冲信号；②放大、滤波与整形电路。对微小电脉冲信号进行放大，提取所需要的信息，对噪音信号进行抑制，并把脉搏模拟信号整形为方波数字信号，为进一步数字电路处理做准备；③控制信号发生电路。产生固定时间的控制信号，作为计数器的门控，使计数器只有在此期间进行计数；④计数、译码、显示电路。在门控信号作用期间，对电脉冲信号计数，并显示译码器译码，再由数码管显示计数值；⑤心率监测电路。如果出现心率不齐，应有所告警。

2　基于数字动物体脉搏计系统各功能模块实现

系统各功能模块主要由传感器、信号放大、滤波与整形、控制信号发生器和计数器/译码器及显示等功能模块部分组成。

2.1传感器模块

传感器是能感受到被测量的信息，并将其按照一定的规律转换成满足传输、处理、存储、显示、记录和控制等可用信号的检测装置，通常由敏感元件和转换元件组成，实现将非电学量转换为与之有一定对应关系的电学量输出的器件或装置。为了把脉搏转换成电信号，应采用压电式传感器。用于脉搏检测的传感器种类较多，而压电陶瓷是人工制造的压电材料，取材广泛。具有压电系数大、灵敏度高、信价比高等优点，性能上能满足脉搏计的要求。

2.2信号放大、滤波与整形模块

该模块主要完成信号放大、滤波与整形功能。信号放大电路功能是将从传感器输出的电压信号进行放大， 一般情况下从传感器输出的电压信号为0～5 mV左右，而此电路应将输入信号放大1 000倍以上， 使其可以驱动数字负载电路。

滤波电路功能：对脉搏传感器采集到的需要脉搏信号进行分离、提取。0.5～25 Hz为有用脉搏信号频率，故设计的滤波电路完成将频率高于25 Hz和低于0.5 Hz的信号滤除。

整形电路功能：信号虽然已被放大，满足后续电路驱动，但其波形为模拟量，必须将模拟量转换成数字脉冲之后，数字电路才可使用。

整形电路如图2所示，其中非门G1A和G2B构成两级放大器，G3C和G4D构成施密特触发器。

图2　放大、滤波与整形电路原理图

考虑到G1A和G2B非门的工作点稳定性及处于线性传输特性区，选取反馈电阻R1的值比非门的输出电阻大两个数量级(非门输出阻约8～15 KΩ),但比非门的输入电阻小1～2个数量级(非门约1.010 kΩ),故R1=1～10 МΩ。

G3C和G4D门通过正反馈构成施密特触发器，电阻比值R3/R4影响其回差值，电阻R4，可根据 选取，式中UOH为门电路的输出高电平(≈VDD)，UTH为门电路的阈值电压(≈VDD/2)，IOH(max)为所选门电路的高电平输出电流最大允许值。该处施密特触发器主要是对输入电压进行整形并提高抗干扰能力，通常可按 的关系选择R3的值。

2.3计数、译码及显示模块

该模块主要是实现方波脉冲计数，将计数结果译码显示出来。计数器电路采用MC14553器件，其特点为锁存控制、计数允许、计满溢出和清零；只有一位输出端的三位10进制计数器，通过选通脉冲信号，采用扫描方式，依次控制三位十进制的输出，来实现扫描显示方式。

译码和显示电路中，译码器的功能是把计数器MC14553输出的计数结果(BCD码)转换成七段字形码，以驱动数码管，实现数字或符号的显示。

74LS47是常用的BCD码--七段显示译码器，本身由译码器有输出缓冲器组成，具有锁存、译码、和驱动等功能，其输出最大电流可达25 mA，可直接驱动LED数码管。

图3　三位LED数码管显示电路原理图

译码显示采用扫描方式，使三位数字显示只需一片74LS47译码器，这种显示方式可简化电路，节省元件和降低功耗。扫描显示方式的原理图如图3所示。该图为三位LED显示，所有位的七段码引线并联在一起，而各位数码管的共公极D1，D2，D3分别被计数器MC14553输出的扫描时序脉冲S1，S2，S3控制，从而实现各位分时选通显示。

数码管限流电阻值根据可按下式进行估算：

Rsm=(UOH-UD-UCE/IS

式中UOH为74LS47输出高电平约等于VDD，UD为LED正向工作电压,约为1.5～2 V，IS为数码管的笔段电流,约为5～10 mA, UCE是三极管T的管压降,约为1V，则可求得数码管限流电阻约为0.5KΩ。

2.4控制信号电路(时基电路)

控制信号电路实现在15 s内测得1min脉搏数，是控制整个电路的运行、复位、自启动等的电路。

选用CD4060BT器件,它生成的方波定时脉冲，控制计数器MC14553的计数端DIS，以便使计数器在定时脉冲宽度所固定的时间内进行对脉搏电脉冲计数，固定时间为30 s。

CD4060是一个14位二进制串行计数器，但是它内部除了有14个T触发器外，还包含一个振荡器，只要在CP1，CP0和/CP0端外接电阻和电容，就可以构成RC振荡器。采用振荡，分频的方法获得精确的定时信号。

为了得到60 s脉宽的定时信号，RC振荡器的输出脉冲需经214次分频得到,该单元电路如图4所示,则RC振荡脉冲的频率f0应为f0=214/60×2 Hz。

图4　分频单元电路

电阻RT的值应大于1 KΩ,电容CT应大于或等于100 PF,一般可先选定电容CT容量,再根据上式可估算出电阻RT之值。电阻RS是为了改善振荡器的稳定性，减少由于器件参数的差异而引起振荡周期变化而接入的，RS的阻值应尽量大于RT，一般可取RS=10 RT，此时振荡周期的变化可大为减小。

2.5心率监测电路

心率监测电路不仅可测出机体的心脏每分钟跳动次数，还能够显示心率是否正常，心率不正常是指在连续的脉搏电信号中出现脉冲失落的现象，脉搏中间出现停跳的状况。采用漏失脉冲检出电路来进行监测，电路如图5所示。

漏失脉冲检出电路的核心部分是由555定时器所组成的单稳态触发器。在没有加入触发脉冲前，电路处于稳态，555定时器输出端引脚3为低电平，U0=0。当555定时器输入端引脚的触发脉冲下降沿到达后，电路进入暂稳态，输出端为高电平，U0=1。然后电源电压VCC通过电阻R5开始向电容C1充电，当充电至Uc=2/3Vcc时，电路又返回到稳态，输出端重新回到低电平，U0=0,这个稳态一直维持到下一个触发脉冲下降沿到达时为止。暂稳态持续时间tW只取决于外接电阻R5和电容C1的大小，tw=1.1 R5·C1。单稳态电路的工作波形如图6所示。

图5　心率监测电路原理图

图6　单稳态电路的工作波形

图7　单稳态电路漏失脉冲的工作波形

漏失脉冲检出电路的基本原理是使电路在没有漏失脉冲时，电容C1充电值始终低于Uc=2/3Vcc，则输出端将一直维持高电平。但是，当没有漏失脉冲时，电容C1充电时间加长，可使电容C1充电值达到Uc=2/3Vcc，于是电路由暂态返回稳态，输出端变为低电平。在下一个触发脉冲下降沿达到时，输出端又变为高电平，结果在漏失脉冲状态下，输出端产生一个负脉冲，它可作为有漏失脉冲的标志信号。

如图7所示,假定555单稳态电路初始状态为U0=1，且U1为低电平，晶体三极管T饱和导通，则C1两端电压Uc近似为0，当在t1时刻后，U1处于高电平，晶体三极管T截止，电源Vcc通过电阻R5给电容C1开始充电，Uc电压线性增加。当达到t2时刻，电容C1上的电压还未到达2/3Vcc，而触发脉冲U1下降沿的出现，晶体三极管T导通，在此后的t2～t3期间，电容C1很快放电，故输出端电压U0保持原来的高电平状态。在t3时刻晶体三极管T截止，C1又被充电，电压低于2/3Vcc，t4时刻U1的下降沿又到达晶体三极管T的基极，使C1通过饱和导通的晶体三极管T又快速放电。同理，t5时刻，C1被充电，但由于在t5～t7期间有触发脉冲漏失，这样C1充电时间加长，在t6时刻可使电容C1充电到2/3Vcc，使输出端U0变为低电平，这时C1通过555内部的开关管迅速放电。t7时刻有触发脉冲下降沿出现，从而使U0变为高电平。可见存在漏失脉冲时，输出端U0就会出现一个负脉冲，可见漏失脉冲的标志信号能够被该电路检出。

图5中，两个与非门组成RS触发器，用来记忆漏失脉冲的状态。这样，当脉搏停跳一次即有漏失脉冲时，u0出现负脉冲，通过RS触发器使发光二极管被点亮，显示给测试者。正常犬的心跳速度为70～120次/min，其周期为1～0.5 s，故可使1.1(R5C1)>(0.5～1) s，电阻R5采用电位器，便于调整；电容C1是取值范围为数百pF到数十μF。

3　小结

设计了由压电传感器采集到非电量脉搏生物信号后，经过放大电路放大，然后滤波整形，再经过倍频电路，提高了频率。其脉冲进入计数译码显示电路，在时间控制电路的控制下正常地显示动物脉搏数，从而测量出一分钟内的动物体脉搏跳动次数，本设计产品体积小，灵敏度高、便利于动物体临床检查，改变了传统脉搏计不便于牛、羊、猪等动物体测试的状况，对各种哺乳动物机体检测及疾病预防有很强的实用性。

[1]白金梅，姜秀峰，惠复新,等.OSAHS合并高血压患者脉搏波速度改变及其影响因素[J].南京医科大学学报:自然科学版，2013,33(3):372-377.

[2]吴伟仙,李素珍,梁军兵,等.体位改变对血压、脉搏、血沉、血常规等影响的观察[J].中华护理杂志,2008,43(4):372-374.

[3]原霁虹. 基于SystemView的生物医学信号传输系统的设计与实现[J]. 自动化与仪器仪表, 2015(9)：239-240.

[4]李保应,高海青,李小利,等.脉搏波速度和踝臂指数与心血管危险因素的关系[J].山东大学学报:医学版,2007,45(7):669-672.

[5]罗志昌,张松,杨文鸣,等.脉搏波波形特征信息的研究[J].北京工业大学学报,1996,22(1):71-79.

[6]刘文,唐辉,商洪涛.光电传感器在脉搏采集中的研究[J].中国医学装备,2005,2(9):22-23.

[7]陈晓.便携式电子脉搏计的设计[J].中国组织工程研究与临床康复,2008,12(17):3349-3352.

[8]滕晓菲,张元亭.移动医疗:穿戴式医疗仪器的发展趋势[J].中国医疗器械杂志,2006,30(5):330-341.

[9]黄卢记,栾江峰,肖军.基于LM317和AT89C51的数字显示可调稳压电源设计[J].微计算机信息,2012,28(10):150-151.

[10]吕海姣,严壮志,陆维嘉.一种基于脉搏波的无创连续血压测量方法[J].中国医疗器械杂志,2011,35(3):169-173.

Study on the Circuit Design and Implementation on the Basis of the Digital Animal Sphygmometer

YUAN Ji-hong

(DingxiTeachersCollege,DingxiGansu743000China)

The sphygmometer was designed by piezoelectric sensors to collect the non-electric biological signals which can be amplified and shaped, then the treated signals are input to the single-chip microcomputer with corresponding control. Furthermore, people can measure pulse beat frequency of animals in a minute, and the frequency can be showed by numbers. This digital animal sphygmometer can measure pulse beat at 40 ～ 200 times/min, which can be suitable for all kinds of mammals. Through observing the pulse signals and checking the status of animals' health, people can determine whether animals are arhythmia and send warnings.

Digital sphygmometer; biological signals; signal generator; counter; converter

2016-06-13

原霁虹(1977-)，女，甘肃陇西人，本科，讲师，主要从事生物技术教学与研究工作。

TP 212.3

A

1004-6704(2016)05-0034-04