1、 方案一1.1 課題研究背景及意義 隨著人們生活水平的提高，地球環(huán)境遭到破壞，多種疾病威脅著人們的生命,而心臟病的發(fā)作又是人們難以預防的突發(fā)致命疾病。在醫(yī)學上，通過測量人的心率，便可初步判斷人的健康狀況。因此，心率計很快產(chǎn)生并得到發(fā)展。隨著單片機技術的發(fā)展、人們的生活節(jié)奏加快，設計一種以使用方便為前提，能夠快速測出人心率的心率計，不僅是臨床者的需要，也是體育訓練者和外出旅游者的需要。1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀 傳統(tǒng)的脈搏測量采用診脈方式，中醫(yī)脈象診斷技術就是脈搏測量在中醫(yī)上卓有成效的應用, 但是受人為的影響因素較大,測量精度不高。為了克服上述測量方法的不足，國內(nèi)外脈搏測試不再局限于傳統(tǒng)的人工測試法或聽

2、診器測試法。1.3 研究內(nèi)容 利用血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍的特點，可通過光電傳感器對脈搏信號進行檢測，并通過單片機技術進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)智能化的脈搏測試技術。 生物醫(yī)學傳感器是獲取生物信息并將其轉(zhuǎn)換成易于測量和處理信號的一個關鍵器件。光電式脈搏傳感器作為是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器，通過對手指末端透光度的監(jiān)測，間接檢測出脈搏信號。光電式脈搏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、可重復好等優(yōu)點。根據(jù)光電容積法原理，從改善光源、消除景光噪聲、電磁屏蔽和提高信噪比四個方面出發(fā)，研究改進方法，對提高使用的靈活性和準確度有著重大意義。通過光電傳感器對脈搏信號進行檢測

3、，并用單片機技術進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)智能化的脈搏測試技術。 第2章 系統(tǒng)設計 2.1光電式脈搏傳感器的原理和結(jié)構(gòu) 2.1.1 光電式脈搏傳感器的原理 人體心室周期性的收縮和舒張導致主動脈的收縮和舒張,使血流壓力以波的形式從主動脈根部開始沿著整個動脈系統(tǒng)傳播,這種波稱為脈搏波。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息,很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征。 根據(jù)郎伯-比爾（lambertbeer）定律,物質(zhì)在一定波長處的吸光度和它的濃度成正比，當恒定波長的光照射到人體組織上時,通過人體組織吸收、反射、衰減后測量到的光強在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。血液

4、是高度不透明的液體，光在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍。一般情況下，當光子穿越介質(zhì)時，因能量被吸收而導致的強度衰減可描述為： 式中是入射光強，是與組織結(jié)構(gòu)相關的吸收系數(shù)（哺乳動物的值在0.1至100之間），是沿光軸方向的坐標長度。 脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生的,在人體指尖,組織中的動脈成分含量高,而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄,透過手指后檢測到的光強相對較大,因此光電式脈搏傳感器的測量部位通常在人體指尖。 圖2-1 人體手指端還原蛋白與氧化蛋白光吸收率示意圖 手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織,其中非血液組織的光吸收量是恒定的,而在血液中,靜脈血的搏動

5、相對于動脈血是十分微弱的,可以忽略。因此可以認為光透過手指后的變化僅由動脈血的充盈而引起的,那么在恒定波長的光源的照射下, 本設計利用透射式的測量方法，通過檢測透過手指的光強可以間接測量到人體的脈搏信號。 2.1.2 光電式脈搏傳感器的結(jié)構(gòu) 從光源發(fā)出的光除被手指組織吸收以外，一部分由血液漫反射返回。其余部分透射出來。光電式脈搏傳感器按照光的接收方式可分為透射形式和反射式2種，其中透射式的發(fā)射光源與光敏接收器件的距離相等并且對稱布置，接收的是透射光，這種方法可較好地反映出心律的時間關系，但不能精確測量出血液容積量的變化；反射式的發(fā)射光源和光敏器件位于同一側(cè)，接收的是血液漫反射回來的光，此信號可

6、以精確地測得血管內(nèi)容積變化。本文討論的是透射式脈搏傳感器，側(cè)重于脈搏信號的測量。 2.2 主要元器件選擇和功能介紹2.2.1傳感器opt101 opt101型傳感器是美國b-b公司研制的集光敏器件（光敏二極管）與信號放大于一體的器件.采用單電源供電，壓電輸出。輸出電壓隨照射到光敏器件的光強度呈線性變化。可用于醫(yī)療儀器、實驗室儀表、位置與接近探測、圖像分析、條線碼掃描器、溫室的光照度控制等。opt101型傳感器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。2.2.1傳感器opt101 opt101型傳感器的性能、特點：（1）單電源供電 +2.7v+36v（2）光敏二極管的尺寸：0.09*0.09in（3）片內(nèi)放大

7、器反饋電阻：rf=1m（4）光敏二極管響應：0.45a/w(650nm時)（5）響應帶寬：14k hz（rf=1m）（6）靜態(tài)電流：120 ma (7 ) 采用8引腳dip，5引腳sip，與8引腳 圖 4-2 內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)表面貼裝封裝（8）工作溫度：070應用片內(nèi)1m與3pf組成的反饋網(wǎng)絡，即將引腳4、5連接即構(gòu)成基本應用電路；這是電路的輸出幅度與照射光線波長的關系如圖4-3，照射光線的入射角與輸出幅度的關系如圖3-4所示。圖 4-3 輸出幅度與照射光線波長的關系 圖4-4 輸出幅度與入射角的關系2.2.2低功率運算放大器lm324lm324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與

8、單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有顯著的有點：該四放大器可以工作在低到3.0伏或高到32伏的電壓下，靜態(tài)電流大致為mc1741的五分之一（對每個放大器而言），共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性，輸出電壓范圍也包括負電源電壓。其特點為：（1）短路保護輸出 （2）真差動輸入級（3）單電源工作，3.0v32v （4）低輸入偏置電流，最大100nalm324a（5）每一個封裝四個放大器 （6）內(nèi)部補償（7）共模范圍擴展到負電源 （8）行業(yè)標準引腳輸出（9）在輸入端的靜電放電位增加可靠性而不影響器件的工作 2.2.3通用型集成電壓比較器ad790 雙列直插

9、式ad790單集成電壓比較器，與集成運放相同，它有同相和反相兩個輸入端，分別是引腳2和3；正、負兩個外接電源vs，分別為引腳1和4；當單電源供電時，-vs應接地。此外，引腳8接邏輯電源，其取值決定于負載所需高電平。為了驅(qū)動ttl電路，應接+5v，此時比較器輸出高電平為4.3v。引腳5為鎖存控制端，當它為低電平時，鎖存輸出信號2.3系統(tǒng)硬件設計主要包括信號采集和處理電路、單片機系統(tǒng)及顯示電路兩大部分。2.3.1信號采集電路和處理電路 本設計采用紅色發(fā)光二極管發(fā)出的光線通過手指照射在opt101的受光窗，當指尖的血流量隨心臟跳動而改變時，從led通過指尖到達受光窗的光線也隨之改變，這樣光電流也發(fā)生

10、波動性變化，從而采集到心臟脈搏信號。設計出來的電路圖見下： 圖5-1 信號采集和處理電路具體說明：opt101芯片的5號引腳輸出波動的電壓信號，經(jīng)r2、c2、c3接到lm324放大器的反相輸入端，為避免煩擾信號傳到u1a的輸入端，用c2、c3組成的雙極性耦合電容將其隔離。c4和r5構(gòu)成低通濾波器，去除高頻信號，截止頻率為3.33hz。通過ad790電壓比較器，將信號轉(zhuǎn)換為方波信號輸入單片機。其中，左下方的lm324提供參考電壓，r10為電位器，用于調(diào)節(jié)電壓比較器的參考電壓，以消除不同人手指的差異性。 2.3.2單片機系統(tǒng)及顯示電路 在單片機設計中，我們使用12mhz的晶振，用p0、p1和p2引

11、腳控制三個數(shù)碼管進行顯示，p32引腳用來接收已轉(zhuǎn)化為方波的脈搏信號，并且?guī)в袕臀婚_關。圖5-2 單片機系統(tǒng)電路圖 2.4單片機系統(tǒng)軟件設計 我們設計的單片機程序中，采用單片機內(nèi)部定時器定時檢測周期10s，在10s過程中，p32引腳檢測方波脈搏信號，每次高電平來臨，系統(tǒng)進行判斷：相鄰兩次高電平的時間差是否大于10ms，因為脈搏周期理論最大值為300ms，其中的高電平時間會更小（這跟人的心跳特征有關），此判斷能消除電壓比較器的誤判和彌補個人心跳的差異性。10s后心率顯示在數(shù)碼管上，并且每10s更新一次顯示。工作流程圖見下。開 始定義變量聲明函數(shù)啟動10s計時啟動脈搏計數(shù)兩次脈沖信號的時間差是否大于

12、10ms脈搏計數(shù)加1否是10s計時結(jié)束顯示心率數(shù)圖6 單片機工作流程圖2.5光電式脈搏傳感器的噪聲分析及改進 在測量過程中，前端測量到的脈搏信號十分微弱，容易受到外界環(huán)境干擾，因此需要對脈搏傳感器的干擾噪聲進行分析，從光電式脈搏傳感器設計的技術角度減少干擾，使之能夠準確測量到脈搏信號，光電式脈搏傳感器的干擾主要有測量環(huán)境光干擾、電磁干擾、測量過程運動噪聲，下面對上述情況結(jié)合實驗測量做進一步的分析。 2.5.1環(huán)境光對脈搏傳感器測量的影響 在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號不僅包含脈搏信息的透射光的信號，而且包含測量環(huán)境下的背景光信號，由于動脈波動引起的光強變化比背景光的變化微弱得多，

13、因此在測量過程當中要保持測量背景光的恒定，減少背景光的干擾。 為了減少環(huán)境光對脈搏信號測量的影響，同時考慮到傳感器使用的方便性，采用密封的指套式包裝方式，整個外殼采用不透光的介質(zhì)和顏色，盡量減小外界環(huán)境光的影響，為了避免測量過程中的二次反射光的影響，在指套式傳感器的內(nèi)層表面涂上一層吸光材料，這樣能有效減少二次反射光的干擾。 由圖7的圖形明顯可知，加上指套式外殼后的脈搏傳感器測量到的脈搏波形比較平滑。這是因為加指套式的脈搏傳感器中環(huán)境光在測量過程中基本不受外界環(huán)境光的影響，而且能夠有效減少二次反射光，使照射到手指上的光波長單一，所以得到的脈搏信號較為穩(wěn)定，沒有明顯的重疊雜波信號，能夠很好的體現(xiàn)出

14、脈搏波形的特征。 2.5.2 電磁干擾對脈搏傳感器的影響 通過光電轉(zhuǎn)換得到的包含脈搏信息的電信號一般比較微弱，容易受到外界電磁信號的干擾，在傳統(tǒng)的光電式脈搏傳感器電路中，由于光敏器件和一級放大電路是分離的，那么在信號的傳遞過程就很容易受到外界電磁干擾，通常在一級放大電路采用電磁屏蔽的方式來消除電磁干擾，本系統(tǒng)采用了新型的光敏器件，在芯片內(nèi)部集成光敏器和一級放大電路，有效地抑制了外界電磁信號對原始脈搏信號的干擾。 2.5.3 測量過程中運動噪聲 在測量過程當中，通常情況下手指和光電式脈搏傳感器可能產(chǎn)生相對的運動，這樣對脈搏測量產(chǎn)生誤差，可以通過2個方面減少運動噪聲誤差：一是改善指套式傳感器的機械

15、抗運動性，比如說使指套能夠更緊的夾在手指上，不易松動；二是從脈搏信號處理的角度，通過算法來減小誤差，對于傳感器的設計，現(xiàn)在采用的主要是第一個途徑。 附錄一 protel原理圖附錄三 單片機程序（c語言）#include#define count_m1 50000#define th_m1 (65536-count_m1)/256#define tl_m1 (65536-count_m1)%256#define gewei p0#define shiwei p1#define baiwei p2char tab10=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x83,0xf8,0x80,0x98;char maibo=0;int count_t0,temp=0;void show(char,char,char);void delay10ms(void);main() ie=0x83; /允許tf0、int0中斷 ip=0x02; /設定tf0的優(yōu)先級高于int0 tmod=0x01; /設定t0為mode1 th0=th_m1; tl0=tl_m1; tcon=0x01; /設定負邊沿觸發(fā) tr0=1; /開始定時 while(1) temp+;void t0_10s(void) interrupt 1 th0=th_m1;t