一种光电式脉搏信号检测装置

2018-04-28秦玉伟

渭南师范学院学报 2018年8期

秦玉伟

(1．渭南师范学院数理学院，陕西渭南714099;2．陕西省X射线检测与应用研究开发中心，陕西渭南714099)

脉搏测量是一种临床诊断的辅助诊疗手段，常用来诊断心脑血管疾病。传统的中医诊断通过“号脉”从人体的脉搏波中提取病人生理信息以了解患者的病因。该诊断方法取决于医生的经验和主观判断，且患者的个体之间存在差异，因而使得脉象的辨认和识别缺乏统一、精确的标准。现代的医用脉搏检测仪能够检测心脏活动的生物电信号，有利于提高诊断的准确性。

本文设计了一种以STC89C51单片机为控制核心的脉搏检测仪，通过光电式脉搏传感器对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号，并将信号处理后在液晶显示器上显示所检测的脉搏跳动波形和脉搏跳动次数，具有测量准确、稳定度高和可靠性好等特点。

1 脉搏检测工作原理

血液的透明度很低，光照在一般组织中的穿透性要比在血液中高出10倍以上。根据朗伯—比尔(Lamber－beer)定律，波长一定时，物质的吸光度和其浓度成正比，当一定波长的光照射到人体上时，由于人体不同部位之间的差异，人体组织会对其进行吸收，光反射时会相应地衰减，最终得到的光强能反映被照射部位组织的结构［1］。

脉搏主要是由人体动脉舒张和收缩产生的，当人体脉搏搏动时，由于血液量的增加，透光性变弱;反之，无脉搏时，血液量相对较少，透光性变强。与人体其他部位相比，指尖相对较薄且动脉较多，故指尖是最适合的、便于检测的部位，因此光电式脉搏传感器一般选择对指尖进行测量。脉搏传感器采用由红外发射管和接收管组成的对管，在人体外部测量，对人体无辐射、无伤害，测量精度高［2］。光电式脉搏传感器结构如图1所示［3］。

图1 光电式脉搏传感器结构图

心脏每舒张一次，动脉的压力和血流量就会增加。同理，心脏每收缩一次，动脉的压力和血流量就会减少，即产生一个周期脉搏波，典型的周期脉搏信号波形如图2所示。

图2 典型的周期脉搏信号波形

脉搏传感器由红外发光二极管和红外接收二极管两部分组成，将红外对管夹在指尖，心脏的跳动促使手指中的血液浓度发生变化，红外接收管接收相应的光信号变化并将其转化为电信号，采集到的脉搏信号经放大电路、滤波电路及单片机后续处理后计算出脉搏。

由于外部环境光强的变化会对测量结果产生一定影响，因此脉搏测试一般选择在室内进行，以减少室外红外线对测量结果的影响。同时，为减小测量的实验误差，采用指套式的透射型光电传感器，因为其良好的密闭性，能够减少环境噪声对电路的干扰。

2 脉搏检测装置结构及信号处理电路

检测装置由脉搏检测电路、A/D转换电路、单片机处理电路和液晶显示等4部分构成，结构如图3所示。

图3 脉搏检测装置框图

脉搏检测仪利用光电式脉搏传感器采集脉搏信号，由于采集的信号过于微弱，不易进行控制处理，因此首先要对其进行信号放大。光电传感器输出的电信号经过LM358对信号进行两级放大和滤波，并利用A/D转换电路实现模拟与数字信号转化。单片机STC89C51处理转化后的数字信号，并在LCD12864液晶屏显示脉搏曲线和脉搏次数。

单片机STC89C51是一款具有低功耗、高性能特点的8位微控制器，其内部集成8 k可编程Flash存储器，P0～P7 口分别与 LCD12864 的 DB0～DB7 相连，P2．4、P2．5 和 P2．6 分别与 RS、R/W 和 EN 相连［4－8］。PCF8591是具有单电源、低功耗特点的8位CMOS数据采集器件，具有一个串行I2C总线接口、输出和4个模拟输入;A0、A1和A2这3个地址引脚用于编程硬件地址，最多允许将8个不需要其他硬件的器件连接至I2C总线，器件的控制、数据和地址向I2C总线传输采用了全双工的传输方式。该芯片的主要功能分为多路的模拟量输入、分流进行模拟量编码、A/D转换功能，单片机在总线上配置的波特率决定速率，内部的A/D转换器采用逐次逼近转换技术［9］。PCF8591内部的A/D转换器采用逐次逼近转换技术，在A/D转换周期临时使用片上的高增益比较器和片上转换器。A/D转换器给PCF8591发送一个有效模式地址之后，一个A/D转换周期开始，应答时钟脉冲的后沿触发A/D转换周期，通过传输前一次转换的结果执行，一个转换周期一旦被触发，所选通道的输入电压采样将保存到芯片，同时信号被转换为对应的8位二进制码，并被保存在ADC数据寄存器等待传输。当自动增量标志位置1时，则通过下一通道，发送的第二字节将存储在相应的控制寄存器，用于控制器件功能，低半字节选择一个由高半字节定义的模拟输入通道。当自动增量标志位置1时，则A/D转换后通道号将自动增加。如果使用的是内部振荡器应用中需要的自动增量模式，那么控制字中模拟输出允许标志应置1，要求内部振荡器持续运行，以免出现振荡器启动延时的转换错误结果。

2．1 信号采集电路

光电传感器是利用光电元件将测量到的脉搏变化转为光信号的变化，然后再利用光电元件将光信号转化为电信号［10－11］，如图 4 所示。

图4 脉搏信号采集电路

图5 信号处理电路

本设计采用对射型光电传感器，对射型光电传感器是由一个发光二极管和一个收光器组成，每个红外二极管能产生0．5 mA的电流、0．4 V的电压，接收管和发送二极管相对摆放，使发射二极管获得最大电流。［9］考虑到接收管的感应光灵敏度，R8选20 kΩ的电阻，若R8的电阻过大，则通过发射二极管的电流就会偏小，使接收管无法检测到脉搏信号;反之，若R8电阻过小，则通过的电流就会偏大，接收管也不能正确地反映脉搏信号的变化。

2．2 信号处理电路

由于脉搏信号是微弱的低频信号，且同时伴有噪声，因此要对检测到的信号进行两级放大和滤波，实现对输出信号的有效检测与阻抗匹配，提高带载能力，两级放大电路之间通过电容进行耦合。放大倍数由R4和R6决定，大约为20倍;通频带由C4和R6决定，范围为0～15 kHz，可通过R6进行调节，电路如图5所示。

同相放大器的放大倍数由R5和R9决定，设置为2倍放大，输出信号相位没有发生变化，两级放大增益均在可调控范围内，不会产生自激振荡，输出端接一个LED作为指示灯，可以通过LED的闪烁频率观察被检测人员的脉搏频率变化。

3 软件设计

本设计主要程序分为脉搏测量子程序、定时器中断程序和INT中断程序。首先使系统初始化，然后P3．2是否为下降沿，若为下降沿信号，则从主程序中调用脉搏检测程序，利用子程序中的定时功能，通过调用中断服务程序来实现脉搏次数的计数功能。检测到的信号驱动LED闪烁，闪烁频率即为脉搏频率，主流程如图6(a)所示。采用定时器中断程序完成1 min内采集，并保存测得的脉搏次数，流程如图6(b)所示。定时器中断初始化程序开始运行后，进行1 min定时，定时期间完成后，等待主芯片判断是否有信号进入，若没有检测到信号进入，则继续检测信号进入;若检测到有信号进入，则继续等待下一秒，依次累加直至1 min计时完成，定时器计时停止，保存测得的脉搏次数，完成检测。将测试值复位即可开始下一次测试，进行多次测试并保存数据。

图6 主程序和定时器中断流程图

外部中断服务程序完成外部信号的计算和测量，采用边沿触发方式，当处于测量状态的时候，使用边沿检测脉搏信号，进行次数自加1。在单片机内部设置定时器控制1 min计时，当边沿检测脉冲累加得出1 min内的脉搏次数并保存。当没有处于检测状态时，等待脉搏检测;当处于检测状态时使用单片机进行边沿检测信号，并对所检测边沿信号进行计数，直至1 min定时完成，完成脉搏检测，程序流程如图7所示。