智能脉搏检测仪的设计

摘 要：智能脉搏检测仪电路包括采集电路，低通滤波电路，放大整形电路，单片机电路和显示电路。脉搏信号需要经过采集电路转化为电信号；经过低通滤波电路，滤除夹杂在脉搏信号中的高频信号；然后经过放大电路进行放大，整形电路进行整形，最后连接到STC89C52芯片的IO接口，由数码显示器接收并输出数据。本检测仪制作完成后，经过测试，能够检测出脉搏，并且工作状态稳定，具有巨大的应用价值和广泛的应用前景。

关键词：光电式传感器；STC89C52芯片；脉搏；检测

社会快节奏的生活，是心脏病的发病率逐渐上升的重要原因，很多的心脏病人突发心脏病而来不及求救导致死亡，可知心脏病已经是非常严重的健康问题。心脏病死亡原因主要是没有及时发现身体指标的变化，如果可以研究出随时可以检测身体指标的仪器，就可以有效防止这种惨剧的发生。我们知道，脉搏是携带生理信息的，随时检测脉搏就可以随时检测自己身体的指标。智能脉搏检测仪智能之处是采取借助光电式传感器的方法，采集信号过程比较方便，采集时间从一分钟减少到十秒钟，从而可以缩小检测过程的误差，提高检测脉搏的精确和速度。现如今智能脉搏检测仪在医疗市场占据了不可或缺的位置，具有很高的医学价值。本次智能脉搏检测仪的设计，提出设计思路，完成电路设计，焊接实物，研究和分析其优劣之处，取长补短，制作出一个真正利民的智能脉搏检测仪。

1 设计方案

如图1所示，智能脉搏检测仪的设计电路包括信号采集电路，低通滤波电路，放大整形电路，单片机电路和数码显示电路。

信号采集电路把脉搏信号转化成电信号，脉搏信号能量的变化产生电动势，低通滤波电路把脉搏信号携带的高频信号滤除，输出后的电信号比较微弱，不是稳定规律的脉冲信号，需要对其放大整形，信号经过放大整形电路得出幅度较高的输出信号，并且脉冲信号比较规律、完整和稳定，信号经过一些列电路后连接到STC89C52芯片的IO接口，STC89C52芯片接外部晶振可以实现定时功能，利用单片机时钟进行计数，随即数码显示器接收并读出数据。

2 单元电路的设计

2.1脉搏采集电路

脉搏信号极其微弱，振动幅度非常有限，在采集脉搏信号过程中，脉搏信号会受到高频信号和噪声信号的干扰，所以采用光电式传感器。根据脉搏的跳动特点，在采集数据之前需要判断采集数据的频率即采样频率，这样做有利于单片机系统设置时钟。

如图2所示，采集电路由发光二极管，光电三极管，电阻和电源组成，当没有信号通过时，发光二极管不工作，没有信号输出，当有信号通过时，发光二极管发光，光电三级管工作，有信号输出，根据光电式传感器的工作原理就可以采集到脉搏信号。

2.2低通滤波电路

脉搏信号采集成功，但是输出的信号中夹杂着高频信号和噪声，而且高频信号干扰最为严重，所以需要设计一个低通滤波电路。低通滤波电路的设计如图3所示，电路由电容和电阻组成，电容C1是电解电容，电解电容的作用是有效防止电压因为负载变化而变化和低频信号损失，并联电容C2和电容C3的作用是阻高频通低频，脉搏信号经过电容C2和电容C3后，夹杂在其中的高频信号被滤除。

2.3放大整形电路

由于输出的脉搏信号夹杂着低频干扰信号和噪声，仍然有不规则的脉冲信号存在，因此设计一个放大整形电路，如图4所示。

放大整型电路由运算放大器，电阻，电容和发光二极管组成。运算放大器分别是放大器U1：A和放大器U1：B。当没有输入信号时，两个集成运算放大器不工作，发光二极管断路不发光。当有信号输入时，第一级放大电路为同相放大电路，放大倍数为Av1=1+R7/R6，第二级放大电路根据虚短虚断原理，放大倍数为Av2=1+R10/R9。电阻R8和电阻R9对电源电压起分压作用，让其在第二级放大电路的同相端放大一个直流信号，所以第二输出端的输出信号有直流信号和交流信号。当第二输出端输出的信号变化时，发光二极管两端压降不同，所以发出的光信号不同。

2.4数码显示电路

数码显示电路如图5所示，STC89C52芯片与LCD1602液晶显示器引脚相连接，STC89C52芯片的P0口作为数据线与LCD1602液晶显示器D0～D7双向数据输入输出管脚相连接，实现数据传输的功能。STC89C52芯片的P0口需要外接上拉电路，使其高电平有效。STC89C52芯片的P1.0引脚、P1.1引脚和P1.2引脚分别作为LCD1602液晶显示器的RS（寄存器选择）管脚、RW读写操作管脚和EN（使能端）。

2.5单片机时钟电路

如图6所示，单片机的时钟电路由外部晶振和电容组成，X1为外部晶振，C1取值为10μF，C2取值为10μF。外部晶振连接在STC89C52芯片的XTAL1引脚与XTAL2引脚之间，实现定时功能。电容C1和电容C2阻隔直流通过交流，使得外部晶振的电压值不会下降到0值，时钟频率设置为12MHz。

2.6单片机复位电路

复位是单片机的初始化工作，复位后中央处理器CPU及单片机内的其他功能部件都处在初始状态，并从这个状态开始工作。

如图7所示，设计的复位电路由开关，电解电容和电阻组成。R12的阻值比较大，连接在RST复位引脚与地之间，使得电压值不会下降到0值。当开关打开时，电源电压给电解电容充电，复位电路不工作，当开关闭合时，点解电容放电，给复位电路提供电能。

3 实物制作与数据分析

（1）制作过程

首先利用Proteus（电路仿真软件）画出电路图，分析电路工作原理，同时得出PCB原理图，根据PCB原理图图进行实物焊接，然后，在电路板上开始焊接，在焊接之前需要把元器件摆放好，有一个大体的位置，焊接的方法是一个模块接连一个模块的焊接，要注意各个插座的稳定性，因为元器件的管脚都比较长，可以当做导线使用。再次，焊接完成后，需要对STC89C52芯片烧录程序。最后，最关键的一步是进行系统调试，脉搏信号经过采集电路和低通滤波电路后，输出端有幅度很小的脉冲信号，经过放大整形电路后，脉冲输出信号的幅度不是很大，需要增大信号的放大倍数。设计的实物图如图8所示。

（2）数据分析

利用制作好的脉搏测量仪对四个不同测试者的脉搏进行测试，测试的脉搏数据，如表1所示。其中实际脉搏数是一分钟测得的脉搏数，脉搏数据比较精确，测量次数1、2、3、4是不同的四人在不同时间利用智能脉搏检测仪测量的脉搏数据，可以看出智能脉搏检测仪测量出的数据与实际脉搏数据有一定差距，存在系统误差，但是误差存在是必然的，不会影响智能脉搏检测仪的使用。

总之，本次设计的智能脉搏测量仪有如下优点：一是光电式传感器，它不会对肌肤造成伤害，采集方式是无创式采集。二是采用两个运算放大器，它可以提供足够大的放大倍数，并且可以有效防止电路失真，适用模式范围比较广泛。三是采用LCD1602液晶显示器，它的接口线较多，可以显示更多文字和图形，并且显示多样比较清晰，性格比较高。

参考文献

[1] 王化祥.自动检测技术[M].北京：化学工业出版社，2009.8

[2] 郁有文，常健，程继红.传感器原理与工程应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.8

[3] 王新颖.单片机原理及应用[M].北京：北京大学出版社，2008

[4] 谭浩强.C程序设计[M].北京：清华大学出版社，2012.1

[5] 汪文，陈林.单片机原理与应用[M].湖北：华中科技大学出版社，2007

作者简介：

宋晗哲（1999.7--），男，汉，衡水第一中学。