脉搏计设计与实现要点

摘要 脉搏测量仪是用来测量人体心脏跳动频率的有效工具，而脉搏的测量是一种评价人生理状况的好方法，在现代医学领域被广泛使用。本文阐述了脉搏计设计中的注意要点，包括传感器选择，放大、滤波、整形电路以及单片机最小系统设计，实现了对每分钟脉搏跳动次数的测量、显示、存储与报警功能。心脏跳动频率通过压电传感器转换成电信号，经差分对测量放大电路放大，压控电压源型低通滤波电路滤波，施密特触发器整形后把信号变为适于单片机处理的标准0V~5V矩形波信号，通过对单片机电路编程处理来实现脉冲跳动次数的显示、存储与报警功能。

关键词 脉搏；传感器；放大；滤波；整形；单片机

中图分类号TH776 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）52-0136-02

1 整体装置及原理介绍

脉搏每分钟跳动的次数是一项重要的生理参数，它反应了人体心脏工作的频率。正常人的脉搏次数是每分钟60次~90次（婴儿为90次~120次，老年人则为100次~150次），这种信号频率较低，因此，脉搏测试仪是用来测量低频信号的装置，它的根本任务是实现对人体脉搏跳动的测量，其中包括：每分钟脉搏跳动的次数是否正常、是否过快或过慢、是否有异常等现象。

为实现测量目的，首先要将传感器测得的压力信号转变为电信号，此信号为毫伏级电压信号，需要进行信号的放大、滤波和整形，得到标准0V~5V脉冲信号送入单片机，利用单片机控制实现计数、显示、存储和报警等功能。

2 整体装置硬件电路设计

2.1 数据采集与处理部分

传感器种类繁多，不同工作原理的传感器应用于不同的产品研究及开发。对于微弱的非电量脉搏信号，要求传感器能够以高精度把此非电量信号转换为电信号，根据分析可以选用光电式传感器或是压电式传感器。本次设计采用半导体压力传感器2S5M，测量电路采用恒流源的供电形式。

经传感器得到的信号是微弱的微伏级模拟信号，需要用放大器加以放大。由于通用运算放大器一般都具有毫伏级的失调电压和每度数微伏的温漂，因此通用运算放大器不能直接用于放大微弱信号，而测量放大器一般能较好地实现此功能。测量放大器是一种带有精密差动电压增益的器件，由于它具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰能力、低失调电压和高稳定增益等特点，使其在检测微弱信号的系统中被广泛用做前置放大器。本次设计选用op-07来组成三运放的测量放大器，差动输入端接两个运算放大器的同向输入端，

由于脉搏信号主峰频率在1Hz 左右，能量较强的分量也在20Hz 以下，所以设计低通滤波器的上限截止频率为40Hz。本设计选用压控电压源型低通滤波电路，用LM308作为精密运算放大器，它对非稳压电源有足够电源抑制。

为了把从滤波电路出来的信号整形为适于单片机接受的0-5v脉冲信号，取555定时器构成的施密特触发器的VCC为5v，这样可以得到标准的0-5v脉冲信号。注意对于已知一定幅值的噪声信号，要合理设计放大倍数，以防整形时把一定幅值的噪声信号当做脉博信号。

2.2 单片机控制电路

本此设计选用AT89C51作为单片机控制芯片，单片机最小系统主要设计时钟电路和复位电路。电路图中时钟电路选用12M晶振，电容30pf，复位电路电容22uf，电阻10k，选用+5v电源。如果要对异常现象（异常现象指正常心跳在一分钟内突然出现心率过高或过低的现象）进行判断，需要对每分钟的7个数据进行存储，保留一天的测量数据，则要进行数据存储空间的扩展。在进行扩展时，AT89C51的p2口作为外部扩展存储器的高八位地址连接口，直接连接数据存储芯片6264的高五位地址，p0口作为外部扩展存储器的低八位地址连接口和数据传输口，地址线经锁存器74LS373锁存后与6264低八位地址相连，数据线直接连接6264的数据口。

由于没有使用多功能扩展芯片如8255或8155，所以我们在连接三位数码显示器时，选用MAX7221芯片来驱动四位一体数码管，这样只需要占用AT89C51芯片三个引脚。

采用声光报警，如果记录数值大于最高跳动值，绿色指示灯发光报警，如果记录数值小于最低跳动值，则红色指示灯发光报警。如果某十秒中脉冲个数高于平均值一定次数，则绿色指示灯发光报警同时蜂鸣器发出声音报警，如果某十秒中脉冲个数低于平均值一定次数，则红色指示灯发光报警同时蜂鸣器发出声音报警。

3 软件设计

使用单片机内部定时器0定时10s，定时器1记录p3.5口每10s脉冲个数，在单片机内部求和得一分钟心跳次数，由四位一体数码管显示，然后求取一分钟内每10s心跳次数平均值，并与每10s的记录值进行比较，以判断是否有异常现象发生。每一分钟作为一次大循环，主程序重复运行。

4 装置总体电路结构图

图1

传感器部分没有接入电路，其信号用模拟正弦信号进行仿真，达到了预期效果。

5 结论

这样的电路具有设计简单、抗干扰能力强、稳定性能好、电路成本低、应用范围广等优点，其功能可以通过软件实现，并且实现的方式比较灵活，适合实际应用，是一种很理想的设计方案。

参考文献

[1]童诗白.模拟电子计数基础[M].高等教育出版社.

[2]阎石.数字电子计数基础[M].高等教育出版社.

[3]马明建.数据采集与处理技术[M].西安交通大学，2005.

[4]高光天.传感器与信号调理器件应用技术[M].科技出版社，2002.

[5]何希才，等.实用传感器接口电路实例[M].中国电力出版社，2007.

[6]张国雄，等.测控电路[M].机械工业出版社，2001.

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