題目 智能人體生命信息全時預測儀的研制 作者姓名 胡 佳 指導教師 伍明高 二級學院 電氣信息工程學院 專 業(yè) 計算機科學與技術(shù) 學 號 7013 年 5 月 15日 西安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 I 智能人體生命信息全時預測儀的研制 摘 要 脈搏、血壓、心率等特征是人體活動最重要、最靈敏和最可靠的信息源，是反映人體健康狀況的重要窗口。 為了監(jiān)控飲食結(jié)構(gòu)、生活方式的不斷改 變，以及習慣的變化和高節(jié)奏的生活給人類健康帶來的嚴重危害，我們研制了智能人體生命信息全時預測儀器。 智能人體生命信息全時 預測 儀可對多項人體生理參數(shù)（體溫、血壓、脈搏、心率）進行采集和分析，從中得到關(guān)于用戶健康狀況的信息。同時，本系統(tǒng)還可通過多種接口將信息傳送至 產(chǎn)品擴展性強、便攜、易用，在個人保健等方面有較好的發(fā)展前景。 本文研發(fā)的智能人體生命信息全時 預測 儀 采用傳感器 （其中體溫采用紅外熱電堆傳感器、脈搏和心率采用一體式紅外反射方式、血壓采用的是電子示波法測量） 采集到 4 種 生命信息， 通過放大濾波電路處理 后， 送到單片機經(jīng)過處理后，然后送到顯示屏顯示。若測試結(jié)果在正常范圍則正常顯示，若不在正常范圍，則報警 ，用以提醒用戶。 關(guān)鍵詞： 智能 監(jiān)測 儀 ；生命信息 ；全時預測 西安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 n to to to of is is a of an is so we on of of be on a of of a of to C. is to of a of to to If is in if in an to 安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 錄 引 言 . 1 1 課題現(xiàn)狀及研究意義 . 3 題現(xiàn)狀 . 3 究意義 . 3 2 方案設計與比較論證 . 4 量脈搏模塊 . 4 案一 電子式脈搏儀 . 4 案二 紅外光電二極管測脈搏 . 4 量體溫模塊 . 4 案一 紅外輻射式體溫計 . 4 案二 精度數(shù)字體溫計 . 5 量心率模塊 . 5 案一 感器測量心率 . 5 案二 紅外反射式傳感器 量心率 . 5 量血壓模塊 . 5 控制器選型 . 6 . 6 . 6 . 6 示模塊選型 . 7 3 系統(tǒng)設計 . 8 件設計 . 8 件總體框架圖 . 8 量脈搏模塊 . 8 量心率模塊 . 12 量體溫模塊 . 13 西安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 測量血壓模塊 . 17 示模塊 . 21 統(tǒng)應用軟件設計 . 23 件總體思路描述 . 23 體程序流程圖 . 23 能模塊程序流程圖 . 24 4 調(diào)試、測試的儀器與方法 . 27 搏和心率測試模塊 . 27 試的儀器 . 27 試的方法 . 27 溫測試模塊 . 28 試環(huán)境及工具 . 28 試方法 . 28 壓測試模塊 . 28 結(jié) 論 . 31 參考文獻 . 33 致 謝 . 34 附 錄 . 35 附錄 1 . 35 附錄 2 . 37 西安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 1 引 言 隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，人們對健康關(guān)注程度在不斷提高。諸如痢疾、鼠疫等特定傳染病已經(jīng)得到了有效控制，主要疾病也逐漸從急性傳染病變?yōu)槁詡魅静　５侵T如心臟病、高血壓等疾病的多發(fā)以及普遍，對于這些疾病防治與愈后康復，已成為急需解決的主要問題。而據(jù)世界衛(wèi)生組 織估算，慢性疾病的發(fā)病率呈現(xiàn)快速上升趨勢，預計到 2020年，慢性病將成為人類失能（ 主要原因。 人口的老齡化也是一種全球性的發(fā)展趨勢，中國也不例外。而老齡人口的增加將給社會生活的許多方面，尤其給健康護理帶來巨大的壓力。所以我國老年人的健康狀況不容樂觀。根據(jù)各地老年人健康普查表明，無重要臟器疾病的所謂健康老年人僅占 2025%。老年人患病率高，發(fā)病率較高的慢性病依次為高血壓、糖尿病、慢性支氣管炎肺氣腫、關(guān)節(jié)炎等。根據(jù)我國城市老年人醫(yī)療服務調(diào)查，老年人 2 周就診率為 遠高于其他年 齡組 水平 ;老年人住院率為 比其他年齡 得多。所以如何保證他們家居生活的健康，提高生活質(zhì)量，減少護理費用，是一個非常值得關(guān)注的問題。而我國目前的醫(yī)療狀況是患多醫(yī)少、看病難、費用高。因此，健康監(jiān)護成為了一個重要課題。但現(xiàn)有的監(jiān)測儀器大多基于臺式機，成本高、體積大、移動不靈活，僅限于固定場所對病人進行監(jiān)護和病情分析，且大多數(shù)為國外產(chǎn)品，設備費用較為昂貴，只在較為大型的醫(yī)療機構(gòu)里才能配備，不能滿足人們的需求，智能人體生命信息全時預測儀能有效解決這一問題。 擁有智能人體生命信息全時預 測儀，人們可以根據(jù)數(shù)據(jù)自己判斷被監(jiān)護人員的身體狀況。對于大病初愈的用戶，可以觀察到手術(shù)和治療效果；對于慢性病就可以在早期得以發(fā)現(xiàn)，醫(yī)生采取相應的醫(yī)療措施進行解決；對于突發(fā)型病，監(jiān)護人可以采取一些自救措施。 本文基于以上原因，研究一種能對心電、血壓、體溫等生理參數(shù)進行長期監(jiān)測的智能人體生命信息全時預測儀，以滿足患者在家中對身體狀況進行監(jiān)護的要求，同時由于現(xiàn)在社會的快節(jié)奏，許多人缺少鍛煉，處在亞健康狀態(tài)，因此亞健康者也會成為智能人體生命信息全時預測儀的監(jiān)護對象，通過對亞健康者的生理參數(shù)進行監(jiān)護有助于疾病的早期 發(fā)現(xiàn)和及時治療。 綜上所述，智能人體生命信息全時預測儀的主要服務對象為： 西安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 2 西安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 3 1 課題現(xiàn)狀及研究意義 題現(xiàn)狀 在醫(yī)學領(lǐng)域中，生物醫(yī)學參數(shù)的測試研究是醫(yī)學界和工程技術(shù)界都很關(guān)心的新興學科。運用近代傳感器測試技術(shù)來解決臨床診斷及實驗室研究多種參數(shù)的計量檢測，無論對于臨床診斷與監(jiān)護還是對于醫(yī)學基礎研究，都具有極其重要的價值和意義。用傳感器測試技術(shù)來對脈搏信息進行定量分析，是目前國內(nèi)外醫(yī)學專家普遍關(guān)注的課題之一。 而雖然目前己有的心血管診療儀器設備多種多樣，例如 :比較成熟的技術(shù)有心電圖檢測 透視、 描檢查、核磁共振、靜脈數(shù)字減影造影等，還有目前臨床應用較多的 :超聲心動圖、放射性核素心血管造影 (核素顯像 )、心電機械圖、阻抗心動圖和阻抗微分波圖等，但這些手段要么操作復雜、費用昂貴，不容易反復進行檢查，要么獲得的診斷指標過少，對確診疾病作用有限，特別是當要全面了解對病人診斷治療非常重要的心臟血流動力學情況時，大部分體外檢測儀器都無能為力了，目前臨床只能采取體內(nèi)插入式導管的檢測方法，但這種方法對病人是有著非常大 的創(chuàng)傷和風險的，而且要求實施的意愿有相當高的技術(shù)與設備條件等等問題。 究意義 脈搏、血壓、心率等是常見的生理現(xiàn)象，是心臟和血管狀態(tài)等重要生理信息的外在反映 ;因此，脈搏、血壓、心率檢測不僅為其他生理檢測提供了生理參考信息，而且脈搏波本身也能給出許多有診斷價值的信息。中醫(yī)脈象診斷技術(shù)就是脈搏測量技術(shù)在中醫(yī)診斷上的卓有成效的應用。采用傳感器檢測脈搏，可較客觀地得到盡可能多的信息，更因為此法對人體無創(chuàng)傷，且使用方便，易于被人們接受。 此外，近百年來，現(xiàn)代醫(yī)學科學充分利用基礎學科及有關(guān)技術(shù)的進步而發(fā)展迅速， 形成了現(xiàn)代科學的一部分。而祖國醫(yī)學由于歷史的和社會的諸多原因，沒有充分利用現(xiàn)代科學的種種條件，盡管有合理的內(nèi)涵和豐富的經(jīng)驗卻一直停留在古代的形勢和方法上。整個祖國醫(yī)學如此，所以，利用現(xiàn)代最新科學手段進行有關(guān)現(xiàn)代化的生命特征研究探索是一項必須的工作。而這些提取這些生命特征的前提是能有效測量這些身體數(shù)據(jù)，所以對脈搏、血壓、心率、提問的提取是醫(yī)療工作的前提。 西安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 4 2 方案設計與比較論證 量脈搏模塊 案一 電子式脈搏儀 電子式脈搏儀：隨著心臟的搏動，人體手腕的脈搏和頸部的搏動較為明顯，我們采用由脈搏信號撿拾與輸入電路、信號放大電路、信號整形與抗干擾電路和數(shù)顯式電子計數(shù)器組成。信號撿拾與輸入電路由駐極體傳聲器 組成，所撿拾到的信號脈沖經(jīng) 入信號放大器作電壓幅度放大。由 司提供的精密放大器中，運算放大器 成一個積分式放大器，用來放大微弱的輸入信號，該電路具有很大的放大倍數(shù)。運放 成電壓比較器，作為抗干擾電路，用來濾除干擾脈沖信號。輸出的信號再經(jīng)運算放大器 ，會輸出一個大而穩(wěn)定的電信號，從而完成脈沖的數(shù)據(jù)采集。但是由于采用的是 模擬數(shù)據(jù)的測量所以測量的時間有點慢，所以不采用此方案。 案二 紅外光電二極管測脈搏 紅外光電二極管測脈搏：以紅外接收二極管、紅外 發(fā) 射二極管作為傳感器，有脈搏 時遮 擋光線，無脈搏時透光強。當血液送到人體組織時，組織的半透明度減?。划斞毫骰匦呐K，組織的半透明度增大。這種現(xiàn)象在人體組織較薄的手指尖、耳垂等部位最為明顯。因此，將紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的上述部位，并用裝在該部位另一側(cè)或旁邊的紅外光電管來檢測機體組織的透明程度并把它轉(zhuǎn)換成電信號。由于此信號的頻率與人體每分鐘的脈搏次數(shù)成正比， 故只要把它轉(zhuǎn)換成脈沖并進行整形、計數(shù)和顯示，就能實現(xiàn)實時檢測脈搏次數(shù)的目的。此方案具有測量時間短，速度快等特點所以采用此方案。 量體溫模塊 案一 紅外輻射式體溫計 紅外輻射式體溫計：紅外輻射式體溫計是基于黑體輻射原理制成的，借助紅外溫度傳感器，測量人體發(fā)出的熱輻射能，經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換后，得到對應的人體溫度值。紅外輻射式體溫計可以實現(xiàn)非接觸、無損傷測溫。所以我們采用此方案。 西安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 5 案二 精度數(shù)字體溫計 精度數(shù)字體溫計 ： 該芯片內(nèi)部主要包括系統(tǒng)振蕩器、傳感 器振蕩電路、控制電路、計數(shù)器和比較器、定時器、倍壓器、脈沖參數(shù)表及脈沖發(fā)生器、 計數(shù)、 比較以及 動器等電路。當溫度發(fā)生變化引起熱敏電阻值改變時， 該值將通過傳感器振蕩電路轉(zhuǎn)換成頻率信號。 脈沖發(fā)生器用于根據(jù)預先存儲好的脈沖參數(shù)表來設定閘門的通斷。計數(shù)器用于對該頻率信號進行計數(shù)以得到被測溫度數(shù)據(jù)。通過 動器可使液晶屏上顯示出被測體溫值。當體溫越限（含超出正常體溫范圍、超上限、超下限 .） 時，利用芯片中的比較器可使 示出相應的標志符，并使蜂鳴器發(fā)出超溫報警聲。由于 實現(xiàn)的電路較為復雜，故我們放棄此方案。 量心率模塊 案一 感器測量心率 感器測量心率 :由于心臟的正常脈動體外測量幅值比較微弱，傳感器需要特別敏感，所以我們采用 電薄膜來測量心臟跳動情況。根據(jù)正電壓效應，束縛電荷的電量與作用力成正比，通過放大電路可獲得心臟的脈動信號，捕捉包括心房震顫等異常動作。由于 電薄膜質(zhì)量輕，質(zhì)地柔韌，易于加工且可以與皮膚緊密貼合，所以可以準確的測量心率，所以采用此方案。 案 二 紅外反射式傳感器 量 心率 通過使用兩對 外傳感器夾于手指之間，一個用來發(fā)射，另一個用來接收，采用紅外對 射的方法獲取心率脈沖而輸出的 模擬波形，并通過兩級放大電路將微弱心率波形放大到可以取值的范圍內(nèi)，然后進行濾波整形，去除獲取心率脈沖中的雜波信號，并通過比較器輸出方波波形，傳送給單片機進行接收，完成心率脈沖以及體溫的采集。單片機將獲取的體溫和脈沖數(shù)據(jù)進行相應處理，最后對應的心率值，但由于信號處理過于繁瑣，所以不采用此方案。 量 血壓模塊 示波法 ： 本文采用示波法的測量原理，示波法血壓測量就是 根據(jù) 脈搏波振幅與氣 袖壓西安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 6 力之間的關(guān)系來估計血壓的。本文所設計的 臂 式血壓計主要由壓力傳感器 用放大器、濾波器、直流氣泵、單片機構(gòu)成。壓力傳感器將袖帶內(nèi)的壓力信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過放大濾波后送入單片機，通過單片機來控制整個電路工作。 并根據(jù)脈搏波隨時間變化規(guī)律來進行血壓測量，隨著袖帶的放氣，脈搏波在振蕩時，兩相鄰脈搏波之間的時間間隔是先由小變大，再變小規(guī)律變化的。 控制器選型 列 列單片機是 司的 8 位 片機 系列 ，其 最大特點是在片內(nèi)含有儲器 、與 80座兼容、靜態(tài)時鐘方式 等， 因此 , 應用十分廣泛 ：特 別是在便攜式省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中顯 得更為有用。 但是由于需要另外架設模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，所以不采用此方案。 列 D/列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘 /機器周期 (1T)的單片機，是高速 /低功耗 /超強抗干擾的新一代 8051 單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051,但速度快 8部集成 2路 路高速 10位 A/250K/S),針對電機控制，強干擾場合。 由 于編程 較為 復雜，不采用此方案。 列 單片機 又稱 單片微控制器 ，它是把一個 計算機系統(tǒng)集成 到一個芯 片上，概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。 單片機 技術(shù)是計算機技術(shù)的一個分支，是簡易機器人的核心元件。1997 年，由 司 挪威 設計中心的 A 先生與 V 先生利用 司的 技術(shù)， 共同研發(fā)出 簡指令集 的高速 8 位 單片機 ，簡稱 對于出現(xiàn)較早也較為成熟的 51 系列 單片機 ， 列單片機片內(nèi)資源更為豐富，接口也更為強大，同時由于其價格低等優(yōu)勢， 在很多場合可以替代 51 系列單片機。并且具有高速、低耗、保密、 I/有 A/D 轉(zhuǎn)換等電路。由于編程方便和不用擴展模數(shù)轉(zhuǎn)換電路， 所 以采用此系列單片機。 西安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 7 示模塊選型 由于該模塊具有 84*48 的 以顯示 4 行漢字，并采用串行接口與主處理器進行通信，使得接口線數(shù)量大幅度減少，包括電源和地址在內(nèi)的信號線僅有 9條，支持多種串行通信協(xié)議 (如 片機的 串口模式 0 等 )，傳輸速率高達 4全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無等待時間， 制器 /驅(qū)動器芯片 已經(jīng)綁定到 片上，模塊體積很小，采用低電壓供電，正常顯示的工作電流在 200微安一下，并具有掉電模式。所以采用此顯示器。 西安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 8 3 系統(tǒng)設計 件設計 件總體 框架 圖 硬件總體框架圖，如圖 3示。 圖 3硬件整體 框架 圖 本系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心部件，關(guān)鍵部件由 4 種人體生命特征信息傳感器組成，在微控制器的控制下，采樣人體生命特征信息，經(jīng)過生命信息科學處理，讀出人體 征信息的真實數(shù)據(jù)，提供給專家 分析 、診斷的依據(jù)。 同時可以 通過按鍵選擇不同的測試功能 ，以方便使 用者隨意的使用。 量脈搏模塊 1、 采集部分 脈搏信號采集電路，如圖 3示。 圖 3脈搏信號采集電路 西安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 9 為單位增益緩沖器以產(chǎn)生 基準電壓。由于紅外接收二極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能，單個二極管能產(chǎn)生 電壓， 0.5 流。圖 3 ）和 紅外發(fā)射二極管（ ），他們的工作波長都是 940 指夾中，紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管相對擺放以獲得最佳的指向特性。紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越 小，產(chǎn)生的發(fā)射強度就越大。在圖 3 100 是基于紅外接收二極管感應紅外光靈敏度考慮的。 大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小， 紅外接收二極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時的信號。反之， 小，通過的電流偏大，紅外接收二極管也不能準確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。當紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光直接照射到紅外接收二極管上時， 反相輸入端電位大于同相輸入端電位， “O”。當手指處于測量位置時，會出現(xiàn)二種情況：一是無脈期。雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是，由于紅外接收二極管 中存在暗電流，仍有 i 電位略低于 。二是有脈期。當有跳動的脈搏時，血脈使手指透光性變差，紅外接收二極管中的暗電流減小， 位上升。因為紅外線是不可見光，在接上電源時不能直觀的知道他是否導通，因此在 面節(jié)上一個指示燈來判別他是否正常工作。因此脈搏信號的采集實際上是通過紅外接收二極管，在有脈和無脈時暗電流的微弱變化，再經(jīng)過 放大而得到的。所采集到的信號為 2V 左右的電壓信號。 2、 濾波部分 壓控電壓源（ 源二階低通濾波器電路原理圖 ，如圖 3示。 圖 3壓控電壓源（ 源二階低通濾波器電路原理圖 西安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 10 按人體脈搏在運動后最高跳動次數(shù)達 240 次 /分計算來設計低通放大器。低通濾波器是一種用來傳輸?shù)皖l段信號，抑制高頻段信號的電路，當信號的頻率高于某一特定的截止頻率 ，通過該電路的信號就會被衰減，而頻率低于 信號則能無阻通過該濾波器。能通過的信號頻率范圍定義為通帶：阻止信號通過的范圍定義為阻帶，通帶與阻帶的分界點就是截止頻率 通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)，稱為通帶電壓增益。當輸入信號的頻率由小到大增加到使濾波器的放大倍數(shù)等于 ，所對應 的頻率就是截止頻率 如圖 3由兩節(jié) 波電路和同相比例放大電路組成，信號從運放的同相端輸入，故濾波器的輸入阻抗很大，其輸出阻抗很小。運放 成電壓控制的電壓源，因此稱為壓控電壓源 點是電路性能較穩(wěn)定，增益容易調(diào)節(jié)。 圖 3同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益 ： +1 (3 這種濾波器的傳遞函數(shù)為： 令 ,稱為特征角頻率： Q=1/（ 3稱為等效品質(zhì)因素；則 A（ s） =(s2+w0*s/Q+)=A0*(s2+w0*s/Q+) (3用 s=入上式，可得到幅頻響應表達式： 20(因此上限截止頻率公式為： (2*C) (3 放大倍數(shù)公式為： A=0 (3由上面截止頻率計算公式， 圖 3截止頻率為： (2*12*C)=1/（ 0*103*0 (3采集到的信號由 入，這個信號中含有幾種干擾信號，主要有 50電源信號干擾，所以這部分的主要任務就是把主要干擾濾掉。因此濾波電路的截止頻率為 是對于 50干擾則不能通過濾波電路輸出。而放大倍數(shù) 公式 : A=0 (3在這個電路 0=13=235， (3所以圖 僅只是濾波作用，還可以對電壓進行放大作用。然而對于 50擾信A（ s） =U0(s)/Ui(s)=1+(32 西安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 11 號來說， 經(jīng)足夠消除他了，對于 2樣弱的信號來說 235 倍的放大是遠遠達不到單片機最小識別高電平（ 3V）信號的，所以必須還要一個放大電路?？梢杂脗€精密的滑動變阻器來代替 高放大倍數(shù)。 3、 放大部分 低通放大電路原理圖，如圖 3示。 圖 3低通 放大電 路 原理圖 由于脈搏傳感器阻抗高的特點，可以采用傳統(tǒng)的同相放大電路如圖 3放大電路原理可以知道放大倍數(shù)公式為： A=0=15 (3因為同相比例運算電路在輸入差摸信號的同時伴隨著共摸信號輸入，因此共摸抑制比成為影響運算誤差的重要因素。而在理想運放的情況下的輸出電壓： (U 輸出 ) （ 15） +1*U 輸入 所以相對誤差公式為： 相對誤差 =（ 1+1/（ 1+1/100% 所以當開環(huán)差摸增益 摸抑制比 大，相對誤差 的數(shù)值就越小。 信號經(jīng)過濾波電路之后，電源 50強干擾信號都已經(jīng)被濾掉。他從 2 端輸入，而 對信號再次過濾，把前面留有的暗電流進一步濾掉。運放 了防止放大電壓高過單片機可以處理的 +5V 電壓，于是只給運放 供 5V 是供電電壓，這樣就可以讓信號放大超過 5V 時，也只有 5V。經(jīng)過濾波放大電路之后的信號有高低電平，可以讓 統(tǒng)識別了，但還不是很完美的西安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 12 方 波，因此在通過一個波形整形電路，把 它 整成一個完美的方波信號。 量心率模塊 1、 放大電路 心率信號放大電路，如圖 3示。 圖 3心率信號 放大電路 傳感器出來的電壓信號，約等于 到放大電路，放大器由第一級放大器 二級放大器 通濾波器組成。 對這部分電路的設計要求有： (1)輸入阻抗高，輸出阻抗低； (2)放大倍數(shù)要合適，考慮到芯片的工作范圍，放大到 3右比較合適； (3)低頻響應好； (4)溫度漂移??； (5)抗干擾能力強。 2、兩級放大 第一級運放 用差 動比例放大電路，第二級運放 用電壓串聯(lián)負反饋，提高了放大倍數(shù)的穩(wěn)定性。 第一級電壓放大倍數(shù)為： 2/0k/4k=5(倍 ) 第二級電壓放大倍數(shù)為： +5=1+140k/20k=8(倍 ) 放大器的總電壓放大倍數(shù)為 : A=2=58=40(倍 ) 0=4v 3、 低通濾波器 西安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 13 電阻 電容 阻 電容 成低通濾波器，干擾信號的頻率 f1以低通濾波器的作用就是將脈搏波中的音頻噪聲濾去，消除干擾信號的影響，去掉波形中的毛刺，得到平滑 的脈沖波形圖。 4、整形模塊電路圖 心率信 號 整形電路，如圖 3示。 圖 3心率信號 整形電路 放大器輸出的心電信號還不能直接用于心率測量，必須經(jīng)過整形電路變換成脈沖信號。整形電路如圖 3示。本設計的整形電路先通過比較器把脈搏波變成方波，再通過 行微分后觸發(fā) 555 組成的單穩(wěn)電路把方波整形成寬度也相等的窄脈沖，以作為鎖存使能信號和計數(shù)器延時清零信號。 5、 電壓比較器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 考慮到經(jīng)過放大的心電信號的幅度約為 4V，選擇比較器的參考電壓為 V，經(jīng)電阻 壓后得門限電平 7） 到集成運放的反向輸入端，調(diào)節(jié) 阻值即可改變門限電平。當心電信號高于 ，輸出高電平；反之，輸出低電平。在比較器輸出端即可得到幅度相等而寬度不規(guī)則的方波。 7） 5/(5+1)3v=由 555 構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器把不規(guī)則的方波改善成幅度、寬度都相等的窄脈沖。根據(jù)脈沖寬度計算公式： 8知，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度 決于定時元件 取值 ，經(jīng) 過整形的方波輸入單片機 用來計數(shù)。 量體溫模塊 1、 傳感器接口電路設計 西安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 14 （ 1） 紅外溫度傳感器的原理 自然界一切溫度高于絕對零度 (15 )的物體，由于分子的熱運動都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波，其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合普朗克 (律。 紅外測溫 就 是 基于 普朗克原理 。 一般理解紅外測量的是物體的溫度，其實測的是目標物與傳感器或者說是物體與環(huán)境溫度之間的差值。物體輻射能量的大小直接與該物體的溫度有關(guān)，具體地說 ,是與該物體熱力學溫度的 4 次方成正比用公 式可表達為： E=*(T*4) （ 3 式中 ,E 是輻射出射度，單位是 W 是斯蒂芬一波爾茲曼常數(shù) ,5 67(4)； 是物體的輻射率； T 是物體的溫度 (K)； 物體周圍的環(huán)境溫度 (K)； 人體主要輻射波長為 9 m 10 過對人體自身輻射紅外能量的測量便能準確地測定人體表面溫度。由于該波長范圍內(nèi)的光線不被空氣所吸收 ,因而也可利用人體輻射的紅外 能量精確地測量人體表面溫度。 （ 2） 工作原理和性能 司生產(chǎn)的 型紅外溫度傳感器是一種專門用于非接觸式測量體溫的器件，其引腳為 1 腳接 +5V; 2 腳為電壓輸出端 ; 3 腳接地 ; 腳排列，如圖 3示。 西安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 15 圖 3引腳排列 被測物體的輻射能經(jīng)過窗口和光闌聚焦在接收元件 (熱電堆 ) 的受熱片上， 受熱片上有 60 只串聯(lián)的熱電偶，每只熱電偶的熱端在受熱片的中央部位圍成一圈，焊接在一起，從引線就可以得到所有電偶的熱電勢之和。這種結(jié)構(gòu) 設計具有較小的熱慣性和較高的靈敏度，傳感器采用負溫度系數(shù)電熱調(diào)節(jié)器進行環(huán)境溫度補償。 感器的靈敏度變化曲線 ， 如 圖 3示 。 感器的 內(nèi)阻變化率曲線 ,如 圖 3示 。 感器的傳輸波形，如 圖 3示。 圖 3 圖 3西安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 16 圖 32、 電壓信號放大電路設計 級放大電路圖 ，如下圖 3示。 圖 3本設計所采用的放大器是低功耗精密運算放大器 的特點是超低失調(diào)、低漂移、高精度，電路正比特性好，零點失調(diào)電壓小。 以通過在 1、 8 管腳之間加上一個電位器進行輸入漂移調(diào)零，這對于低輸出的信號的放大效果非常好。其低輸入偏置電流為 電范圍為 3V 到 22V，超低失調(diào)的最大值為 150的性能正好解決了紅外溫度傳感器對運放的特殊要求。由于熱電堆的內(nèi)阻較高 (約 60K )，而輸出電壓又非常小 (1右 )，須使用具有高輸入阻抗 ( 1012 )的 入 運算放大器。 西安培華學院本科畢業(yè)論文（設計） 智能人體生命信息全時預測儀 的研制 17 因為測量的人體溫度在 35 42 范圍內(nèi)，傳感器的輸出電壓范圍為 用兩極放大的形式，將電壓放大 3000 倍，即放大后電壓為 供單片機 A/片機的 A/D 轉(zhuǎn)換參考電壓選擇 5V。 電壓跟隨器的輸出電壓 0U 與輸入電壓 1U 的關(guān)系為： 啟動對單片機及其它芯進行初始化溫度信號采集A/ （ 3 在上述運放電路圖中，用到了三個 中第一級是電壓跟隨器，它的作用是穩(wěn)定電壓，由于這次使用的溫度傳感器輸入的是弱電壓信號，極易受到外部因素的干擾，且行模數(shù)轉(zhuǎn)換需要一段時間，在這段時間內(nèi)需要提供穩(wěn)定的電壓信號，因此這第一級是非常重要的。 反相比例運算電路的輸出電壓 0U 與輸入 電壓 1U 的 關(guān)系為： 11( (3后面的兩個 是起到了放大作用，它使用的是反相比例運算電路，第一級放大了 30 倍，第二級放大了 100 倍。 量血壓模塊 檢測血壓所需的袖帶壓力首先要經(jīng)過壓力傳感器的拾取，將壓力信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號才能將這些電信號送入后期的信號調(diào)理電路作進一步的處理，本文采用了 力傳感器測量壓力值。 導體壓力傳感器專門為血壓檢測設計，可以把壓力轉(zhuǎn)換成毫伏級的差模電壓信號，具有良好的線性度，輸出電壓與所加壓力成精確的正比例關(guān)系